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Keywords:
oscillator;
signal
目录
1概述………………………………………………………………………4
2设计目的与要求…………………………………………………………………5
2.1设计目的…………………………………………………………………5
2.2技术指标与要求…………………………………………………………5
3设计原理……………………………………………………………………6
3.1电容三点式振荡器工作原理分析……………………………………6
3.2技术指标与要求…………………………………………………………6
3.3振荡器的频率准确度和频率稳定度……………………………………6
4设计考虑……………………………………………………………………7
4.1振荡器电路选择……………………………………7
4.2晶体管选择…………………………………………………………7
4.3直流馈电线路选择……………………………………7
4.4振荡回路元件选择……………………………………7
4.5反馈回路元件选择…………………………………………………7
4.6电路元件确定……………………………………8
5调试及仿真……………………………………………………………………9
5.1调试及问题解决方法……………………………………………………9
5.2仿真测试的结果与分析…………………………………………………9
6参考文献…………………………………………………………………12
7致谢…………………………………………………………………12
8附录…………………………………………………………………12
1、概述
振荡器的作用:
在无线电广播和通信设备中产生用来发射信号的电磁波(载波),在收音机中用来产生本振频率,在单片机中产生时钟信号.在稳压电路中产生高频交流电。
振荡器的种类:
按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器;
按电路结构可分为RC阻容振荡器、LC电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等;
按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。
多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器,也称矩形波发生器。
它无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。
“多谐”指矩形波中除了基波成分外,还含有丰富的高次谐波成分。
多谐振荡器没有稳态,只有两个暂稳态。
在工作时,电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换,由此产生矩形波脉冲信号,故又称为无稳态触发器。
常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。
产生的方波称为基波,在产生基波的同时还会产生很多频率是基波频率的整数倍的波,频率为基波一倍的叫二次谐波,二倍以上的常称为高次谐波。
振荡器电路的结构:
振荡器一般由4部分电路组成:
放大器:
至少有一个起能量变换(放大)作用的有源器件正反馈通路或负阻:
必须有一个能够补充元器件能量损耗的正反馈通路或负阻器件,以保证有稳定的振荡,一般由
变压器,电感,电容等获得正反馈电压。
选频网络:
决定振荡器的工作频率,并保证振荡器相位的稳定稳幅:
一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。
放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分,如果正反馈量大,则增幅,输出幅度越来越大,最后由三极管的非线性限幅,这必然产生非线性失真。
反之,如果正反馈量不足,则减幅,可能停振,为此振荡电路要有一个稳幅电路。
为了获得单一频率的正弦波输出,应该有选频网络,选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。
选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。
正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。
在晶体管正弦振荡器中,晶体管既起着能量变换的作用,又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。
2、设计目的与要求
2.1、设计目的
2.1.1、了解LC正弦波振荡器的工作原理。
2.1.2、掌握电容三点式正弦波振荡器的设计与主要性能参数测试方法。
2.1.3、掌握LC正弦波振荡器的装调技术。
2.2、技术指标与要求
2.2.1、技术指标
正弦波振荡器的技术指为:
振荡频率:
f0=10.0MHZ±
10KHz;
频率稳定度:
△f/f0≤10-4;
输出幅度:
Up-p≥0.3V。
2.2.2、设计要求
1设计的宽带高频功率放大器满足技术指标;
2拟定测试方案和设计步骤;
3根据性能指标,计算元件参数,选好元件,设计电路并画出电路图;
4制作PCB板;
5测量各指标数据。
3、设计原理
3.1、电容三点式振荡器工作原理分析
本次课程设计我设计是电容反馈三点式振荡器,而电容三点式振荡器是自激震荡器的一种,因此更好设计了。
振荡器不需要外加信号激励,自将直流电能转换为交流电的装置。
凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。
对于本次课程设计,所用的最基本原理如下:
1震荡器起振条件为AF>1(矢量式),振荡器平衡条见为;
AF=1(矢量式),它说明在平衡状态时其闭环增益等于1。
在起振时A>1/F,当振幅增大到一定的程度后,由于晶体管工作状态由放大区进入饱和区,放大倍数A迅速下降,直至AF=1(矢量式),此时开始谐振。
假如由于某种因素使AF<1,此时振幅就会自动衰减,使A与1/F逐渐相等。
3.2、振荡器的平衡条件
荡器的平衡条件包括两个方面的内容:
振幅稳定和相位稳定。
我们可以假设横坐标是振荡电压,而纵坐标分别是放大倍数A和反馈系数F,假设因为某种情况使电压增长,这时AF小<1,振荡就会自动衰减。
反之,若电压减小,出现AF>1的情况,振荡就会自动增强,而又回到平衡点。
由此可知结论为:
在平衡点,若K曲线斜率小于0,则满足振荡器的振幅稳定条件。
3.3、振荡器的频率准确度和频率稳定度
一个振荡器除了它的输出信号要满足一定的幅度和频率外,还必须保证输出信号的幅度和频率的稳定,评价振荡器频率的主要指标有两个,即准确度和稳定度。
所谓频率准确度是指振荡器实际工作频率f与标称频率f0之间的偏差,即
……………………………3.1
为了合理评价不同标称频率下振荡器的频率偏差,频率准确度也常用其相对值来表示,即
……………………………3.2
频率稳定度通常定义为在一定时间间隔内,振荡器频率的相对偏差的最大值。
用公式表示为
频率稳定度=△fmax/f0|时间间隔
按照时间间隔长短不同,通常可分为下面三种频率稳定度:
长期频率稳定度:
一般指一天以上乃至几个月内振荡频率的相对变化量。
这种变化量主要取决于有源器件、电阻元件的老化特征。
短期频率稳定度:
一般指一天内振荡频率的相对稳定度,它主要与温度、电源电压变化和电路参数不稳定因素有关。
瞬间频率稳定度:
一般指秒或毫秒内振荡频率的相对变化量。
这种频率变化一般都具有随机性质并伴随相位的随机变化,这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰所引起。
以上三种频率稳定度的划分并没有严格的界限,但这种大致的区分还是有一定实际意义的。
因为人们更多的事注意短期频率稳定度的提高问题,所以通常所讲的频率稳定度,一般是指短期频率稳定度。
4、设计考虑
4.1、震荡器电路选择
LC振荡器一般工作在几百千赫兹至几百万赫兹范围。
振荡器线路主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择。
在短波范围内,电感反馈振荡器都可以采用。
在中、短波收音机中,为简化电路常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。
4.2、晶体管选择
从频率的角度出发,应选择fT较高的晶体管,这样晶体管内部相移较小。
通常选择fT>(3~10)fmax。
同时希望电流放大系数β大些,这既容易振荡,也便于减小晶体管和回路之间的耦合。
4.3、直流馈电线路的选择
为保证振荡器起振的振幅条件,起始工作点应设置在线性放大区;
从稳频出发,稳定状态不应在饱和区,否则回路的有载品质因数QL将降低。
所以,通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区,电路应采用自偏压。
4.4、振荡回路元件选择
从稳频出发,振荡回路中电容C应尽可能性大,但C过大,不利于波段工作:
电感L也应该可能大,但L过大后,体积大,分布电容大,L过小,回路品质因数过小,因此应合理地选择电路的L、C一般取几十至几百pF,L一般取0.1至几十uH。
4.5、反馈回路元件选择
由前面可知,为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振,在静态工作点通常应按下式选择
A0F=
F=3~5………………………4.1
当静态工作点确定后,yf的值就一定了,对于小功率晶体管可以近似为
yf=gm=
………………………4.2
反馈系数的大小因在下列范围选择
F=0.1~0.5…………………………4.3
4.6、电路元件确定
原理电路交流等效电路
图4.1西勒振荡电路
图4.1是一种改进型的电容三点式振荡器,成为西勒振荡器,本次设计采用此振荡电路。
它的主要特点是在回路电感L两端并联了一个可变电容C4,而C3为固定值的电容器,且满足C1、C2远大于C4,所以回路的总等效电容为
………4.4
所以振荡频率
………4.5
由设计指标可知
……4.6
先设定L的值:
L=10uH,
由此可求出
,先设定
=10pF,因此
=15pF。
5、调试及仿真
5.1、调试及问题解决方法
1、加电后首先用万用表测量各极点工作点,调整偏置电阻使工作点电流为2mA左右;
2、用示波器观察输出波形,微调偏置电位器是输出波形不失真且幅度较大,记下工作点各电压值;
3、更改回路电容使振荡频率f0为10MHz±
10kHz;
4、测量频率稳定度△f/f0。
振荡电路接通电源后,有时不起振,或者在外界信号强烈(硬刺激),在波段振荡器中有时中有某一频段振荡,而在另一频段不震荡等。
所有这些现象无非是没有满足相位平衡条件或振幅平衡条件。
如果在全波段内不振荡,首先要看相位平衡条件是否满足。
对三端振荡电路要看是否满足对应的相位平衡判断标准。
此外,还要在振幅平衡条件所包含二种因素中找原因:
1、静态工作点选的大小。
2、电源电压过低,使振荡管放大倍数太小。
3、负载太重,振荡管与回路间耦合过紧,回路Q值太低。
4、回路特性阻抗p或介入系数pce太小,使回路谐振阻抗R0太低。
5、反馈系数kf太小,不易满足振幅平衡条件。
但kf非越大越好,应适当选取。
5.2、仿真测试结果与分析
仿真电路图
图5.1振荡器仿真图
函数发生器图
图5.2函数发生器图
示波器图
图5.3示波器图
误差分析
由实验数据可知:
实验设计频率f0=10.0MHz
仿真测试频率:
f2=10.057MHz
频率偏差:
△f=0.057MHz略大于10KHz
频率稳定度:
△f/f=0.0057略大于10-4
所以实验误差略大于设计要求
6、参考文献
[1]于洪珍,《通信电子线路》,清华大学出版社,2005.32~54
[2]沈伟慈,《高频电路》,西安电子科技大学出版社,2000.78~103
[3]曹才开,《高频电子线路原理与实践》,中南大学出版社,2010.111~115、286~288
[4]王松武,《电子创新与实践》,国防工业出版社,2005.52~56
7、致谢
经过一段时间的忙忙碌碌,在完成为期一周的高频电子综合设计的过程中,我对以前所学的知识有了一个更深的了解,并且不再局限书本上的东西,而是把所学内容举一反三不段扩展。
我在这次课程设计中懂得了有些问题是可以慢慢看书、搜索,在反复尝试的过程中解决,虽仍会有些问题和某些缺陷,但它使我感到了一丝成就感。
我相信这种方法还可以运用到以后的实际工作中去,是解决问题的一个好方法。
总之这次第设计与实物制作让我受益匪浅,既加深了我对课本知识的理解掌握,也提高了我对动手实践的能力。
在此,感谢老师是精心的指导,以及其他老师和同学热心的帮助,正因为有了你们无私的奉献,才有我这次设计的完成,再次衷心感谢你们。
8、附录
实物图:
图8.1振荡器实物图
PCB图
图8.2振荡器PCB图
元件清单
可调电容
5~10PF一个
可调电阻
0~50KΩ,0~500Ω各一个
电容
10nF×
2个,560pF,220pF,15pF,1nF,2.4uF各一个
电阻
10KΩ×
3个,4.7KΩ,500Ω各一个
电感
10uH×
2个
晶体管
9018一个
PC板
一块
表8.1元件清单
- 配套讲稿:
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- 高频课程设计 任务书 高频 课程设计