高频正弦波振荡器文档格式.docx
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二十周一周,其中4天硬件设计与制作,3天调试及答辩。
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目录
1概述1
2Proteus简介1
3高频正弦波振荡器2
3.1高频正弦波振荡器基本功能及原理2
3.2晶体振荡器及其典型电路4
3.2.2串联型晶体振荡器4
3.2.3并联型晶体振荡器5
3.2.4晶体振荡器的优缺点6
4高频正弦波振荡器的设计6
4.1高频正弦波振荡器的设计要求7
4.2高频正弦波振荡器的设计7
4.4元件清单8
4.5仿真分析9
5心得体会11
6参考文献12
7本科生课程设计成绩评定表13
1概述
随着科学的发展,通信、雷达和高速数传等类似系统中,需要高质量的信号源作为日趋复杂的基带信息的载波。
因为一个带有寄生调幅及调相的载波信号被载有信息的基带信号调制后,这些理想状态下不应存在的频谱成份会导致所传输的信号质量及数传误码率明显变坏。
所以作为所传输信号的载体,载波信号的干净程度对通信质量有着直接的影响。
对于正弦波,通常需要提供例如谐波、噪声和输出功率等指标。
尽管石英晶体振荡器的应用已有几十年的历史,但因其具有频率稳定度高这一特点,故在电子技术领域中一直占有重要的地位。
尤其是信息技术产业的高速发展,更使这种晶体振荡器焕发出勃勃生机。
石英晶体振荡器在远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中,作为标准频率源或脉冲信号源,提供频率基准,是目前其它类型的振荡器所不能替代的。
小型化、片式化、低噪声化、频率高精度化与高稳定度及高频化,是移动电话和天线寻呼机为代表的便携式产品对石英晶体振荡器提出的要求。
正弦波振荡器广泛用于各种电子设备中;
利用正反馈原理构成的LC反馈振荡器,是目前应用最广泛的振荡器。
当振荡频率高达几十兆赫以上时,由于振荡器件的工作状态易受反馈系数.品质因数等条件的影响,而且晶体管和振荡回路的不稳定性以及各种分布参数的影响都会给高频振荡器的调测工作带来一定的困难,如何在较短的时间内正确而快速地设计和调测出符合技术要求的高频振荡器,通过实验深入了解振荡器工作状态,反馈系数、品质因素等对振荡器的影响,掌握振荡器的设计、制作。
所谓“振荡”,其涵义就暗指交流,振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。
能够完成从直流电能到交流电能的转化,这样的装置就可以称为“振荡器”。
石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振回路,产生振荡。
由于石英晶体的Q值很高,可达到几千以上,所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。
2Proteus简介
Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件,Proteus软件有十多年的历史,在全球广泛使用,除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外,其革命性的功能是,他的电路仿真是互动的,针对微处理器的应用,还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,并实现软件源码级的实时调试,如有显示及输出,还能看到运行后输入输出的效果,配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等,您不需要别的,Proteus为您建立了完备的电子设计开发环境!
尤其重要的是ProteusLite可以完全免费,也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果;
功能最强的Proteus专业版也非常便宜,人人用得起,对高校还有更多优惠。
Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。
此系统受益于15年来的持续开发,被《电子世界》在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品—“TheRoutetoPCBCAD”。
Proteus产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。
用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。
其功能模块:
—个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具;
PROSPICE混合模型SPICE仿真;
ARESPCB设计.
PROSPICE仿真器的一个扩展PROTEUSVSM:
便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。
此外,还可以结合微控制器软件使用动态的键盘,开关,按钮,LEDs甚至LCD显示CPU模型.
1)支持许多通用的微控制器,如PIC,AVR,HC11以及8051;
2)交互的装置模型包括:
LED和LCD显示,RS232终端,通用键盘;
3)强大的调试工具,包括寄存器和存储器,断点和单步模式;
4)IARC-SPY和KeiluVision2等开发工具的源层调试;
5)应用特殊模型的DLL界面-提供有关元件库的全部文件。
3高频正弦波振荡器
3.1高频正弦波振荡器基本功能及原理
振荡器(oscillaor)是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。
凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。
例如,无线电发明初期所用的火花发射机、电弧发生器等,都是振荡器。
但是用电子管、晶体管等器件与L、C、R等元件组成的振荡器则完全取代了以往所有产生振荡的方法,因为它有如下优点:
1)它将直流电能转变为交流电能,而本身静止不动,不需作机械转动或移动。
如果用高频交流发电机,则其旋转速度必须很高,最高频率也只能达50kHz,但却需要很坚实的机械构造。
2)它产生的是“等幅振荡”,而火花发射机等产生的是“阻尼振荡”。
3)使用方便,灵活性很大,它的功率可自毫瓦级至几百千瓦,工作频率则可自极低频率(例如每分钟几个周波)至微波波段。
一个振荡器必须包括三部分:
放大器、正反馈电路和选频网络。
放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。
正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的,只有这样才能使振荡维持下去。
选频网络则只允许某个特定频率f0能通过,使振荡器产生单一频率的输出。
振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的;
一个是反馈电压uf和输入电压Ui要相等,这是振幅平衡条件。
二是uf和ui必须相位相同,这是相位平衡条件,也就是说必须保证是正反馈。
一般情况下,振幅平衡条件往往容易做到,所以在判断一个振荡电路能否振荡,主要是看它的相位平衡条件是否成立。
振荡器的用途十分广泛,它是无线电发送设备的心脏部分,也是超外差式接收机的主要部分各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等,其核心部分都离不开正弦波振荡器。
功率振荡器在工业方面(例如感应加热、介质加热等)的用途也日益广阔。
振荡器通常工作于丙类,因此它的工作状态是非线性的。
严格的分析应该用非线性理论,这是很困难的。
为了避免这一困难,本章将振荡器用甲类线性工作来分析。
这样所得的结论虽不完全符合实际情况,但可以获得与实际工作近似的情况,易于理解。
正弦波是电子技术、通信和电子测量等领域中应用最广泛的波形之一。
能够产生正弦波的电路称为正弦波振荡器。
通常,按工作原理的不同,正弦振荡器分为反馈型和负载型两种,前者应用更为广泛。
在没有外加输入信号的条件下,电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定波形和一定振幅的交变振荡信号输出。
正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。
反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈,当正反馈足够大时,放大器产生振荡,变成振荡器。
所谓产生振荡是指这时放大器不需要外加激励信号,而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。
负阻式振荡器则是将一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振电路相接,产生振荡。
3.2晶体振荡器及其典型电路
3.2.1晶体振荡器
石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件,它的基本构成大致是:
从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振。
其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的
3.2.2串联型晶体振荡器
当石英晶体发生串联谐振时,它呈纯阻性,在串联型晶体振荡器中,晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间,通常接在反馈电路中。
其工作原理是:
当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时,晶体的阻抗最小,近似为一短路线,电路满足相位和振幅条件,振荡器的工作频率等于晶体的串联谐振频率;
反之,当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时,晶体的阻抗增大,使反馈减弱,从而使电路不能满足振幅条件,电路不能工作。
若谐振频率有较小的误差,可通过回路调谐来微调。
典型电路:
克拉波振荡器。
图1是克拉波振荡器的实际电路,它是用电感L和可变电容C3的串联电路代替原电容反馈振荡器中的电感构成的,反馈系数大小为:
F=C1/C2
由于C3>C,且C3<<C1,C2,振荡器的振荡频率高于串联支路的串联谐振频率。
故该串联电路可等效为一电感,该电路即满足三端式振荡器的组成原则,而且属于电容反馈式振荡器。
由以上分析可见,回路的总电容C将主要由C3决定,而极间电容Coe和Cbe分别于C1,C2并联,所以C1,C2的取值越大,极间电容对总电容的影响就越小;
并且C1,C2只是回路的一部分,晶体管以部分接入的形式与回路连接,接入系数ρ越小,耦合越弱,减弱了晶体管与回路之间的耦合。
但C1,C2不能过大,假设电感两端的并联电阻为R0,则可知等效到晶体管ce两端的负载电阻RL为:
RL=ρ2R0≈(C3/C1)2R0
图1克拉波振荡器
3.2.3并联型晶体振荡器
并联型晶体振荡器中晶体作为感性元件,相当于电容三点式振荡器中的电感。
并联型晶体振荡器的振荡频率是在晶体串联频率与并联频率之间。
当f>
fs时,L-C-R支路呈感性,与Co产生并联谐振,当振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时晶体呈感性,该电路满足三端式振荡器的组成原则,而且该电路与电容反馈的振荡器对应,通常称为皮尔斯(Pierce)振荡器。
皮尔斯振荡器的工作频率应由C1、C2、C3及晶体构成的回路决定,即由晶体电抗Xe与外部电容相等的条件决定。
由于晶体的品质因数Qq很高,故其并联谐振电阻Ro也很高,虽然接入系数p较小,但等效到晶体管CE两端的阻抗RL仍较高,所以放大器的增益较高,电路很容易满足振幅起振条件。
西勒振荡器。
图2西勒振荡器
其主要特点是在克拉波振荡器基础上,在电感L上并联一可变电容C4。
图中C3<<C1,C2,因此晶体管与回路之间耦合较弱,频率稳定度高。
与电感L并联的可变电容C4是用来改变振荡器的工作波段,对照克拉波振荡器的分析方法,我们可求得C3,C4,L支路在振荡器的振荡点上呈感性,故满足电感三端式的组成原则。
3.2.4晶体振荡器的优缺点
石英晶体振荡器能获得很高的频率稳定度是由于石英晶体谐振器与一般的谐振回路相比具有优良的特性,具体表现为:
1)石英晶体谐振器具有很高的标准性;
2)石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小,一般为10-3~10-4;
3)石英晶体谐振器具有非常高的Q值。
但是晶体振荡器也有其缺点,如:
1)频率不能调节,不能简单用于可变调谐电路;
2)频带窄,不能用于宽带滤波。
4高频正弦波振荡器的设计
4.1高频正弦波振荡器的设计要求
1)采用晶体三极管构成一个多功能正弦波振荡器;
2)额定电源电压5.0V,电流1-3mA,输出功率6MHz;
3)通过双变跳变可构成克拉波和西勒的串、并联晶体振荡器;
4)有缓冲级,在100欧姆负载下,振荡器输出电压大于等于1V。
4.2高频正弦波振荡器的设计
根据设计要求和克拉伯及西勒振荡电路的特点,通过适当的设置开关讲两电路合并为一个电路,再用晶体替换其中的电感或电容元件来构成克拉勃和西勒的串、并联晶体振荡器。
通过调节元件的参数来满足电压,电流及输出频率要求。
合理的选择振荡器的静态工作点,对振荡器的起振、工作的稳定性、波形质量的好坏有着密切的关系。
一般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。
根据上述原则,要求振荡器集电极电流为1-3mA,则对共发组态,各级电压大致可取:
集电极对“地”电压Vc=(1-6)Vcc
发射极对“地”电压Ve=(0.2)Vcc
根据设计要求,在I1>
>
Ib时,
Re=Veq/Ico,取Veq为0.2Vcc,则,Re=1V/2mA=500欧姆
Rb2=Vbq/(5-10)Ibq,而Ibq=Icq/β=2mA/100=0.02mA,取10Ibq,Vbq=Vebq+0.7V,则:
Rb2=1.7V/0.2mA=15.5k,取电阻标称值16k
Rb1=[(Vcc-Vbq)/Vbq]Rb2=[(5.0-1.7)/1.7]*16=32k。
各旁路电容值均取0.01uF。
设计的电路图如下所示:
4.3设计电路图
我设计的电路图如下:
图3整体电路图
4.4元件清单
BillOfMaterials
=================
Design:
E:
\Programs\proteus7.4\SAMPLES\lidacheng.DSN
Doc.no.:
<
NONE>
Revision:
Author:
Created:
09/06/25
Modified:
09/06/26
QTYPART-REFSVALUECODE
---------------------
Resistors
---------
1R132k
1R216k
1R31.5k
2R4,R5250
2R6,R81k
1R710k
Capacitors
----------
1C1100pF
2C2,C51000pF
2C3,C4190pF
3C7-C90.01uF
Transistors
-----------
2Q1,Q2NPN
Miscellaneous
-------------
1L13.3uH
1RL100
2SW1,SW2SW-SPDT
2X1,X2CRYSTAL
4.5仿真分析
对电路输出接示波器,观察输出波形,发现波形并不理想,通过调试元件参数,可获得如下正弦波。
此正弦波频率基本符合要求。
图5输出电压
图4仿真波形
输出电压测试:
5心得体会
6参考文献
1)曾兴雯编著《高频电路原理与分析》北京高等教育出版社1988年
2)荆震编著《高稳定晶体振荡器》北京国防工业出版社2007年
3)沈伟慈著《高频电路》西安电子科技大学出版社2000年
4)张肃文著《高频电子电路》高等教育出版社2006年
5)高吉祥著《高频电子线路设计》电子工业出版社2007年
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姓名
性别
专业、班级
课程设计题目:
课程设计答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
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