3206. 正弦波振荡器的设计高频电子线路课程设计.doc

课 程 设 计题目：正弦波振荡器系 别：电子信息工程系专 业：应用电子技术 班 级：07 电 技 1 班 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成时间：09年06月 课程设计任务书系别：电子信息工程系 专业：应用电子技术 班级：07电技1班 组员： 课程设计题目：正弦波振荡器课程设计任务及要求：一、设计任务设计一正弦波振荡器二、基本要求（1）要求设计一个正弦波振荡器，输出频率大于7KHz。（2）利用三点式振荡器原理产生正弦波信号（3）波形无明显失真三、说明（1） 三极管采用2N2222，2N2222是一个NPN型小功率三极管，其耐压为60V电流为0.6A（2）直流稳压电源采用三端集成稳压（LM7812）指导老师： 二、指导教师意见：评语：成绩：指导教师签字 ： 年 月 日 正弦波振荡器的设计摘要:从结构上看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带有选频网络的正反馈放大电路.分析LC电容三点式的特性，根据正弦波振荡电路的两个条件，即振幅平衡与相位平衡，来选择合适的放大电路指标，来构成一个完整的振荡电路.很多应用中都要用到范围可调的 LC 振荡器，它能够在电路输出负载变化时提供近似恒定的频率、几乎无谐波的输出.电路必须提供足够的增益才能使低阻抗的 LC 电路起振，并调整振荡的幅度，以提高频率稳定性，减小 THD（总谐波失真）.关键词:正弦波；振荡电路一、方案设计与论证选频网络放大器 A 输出正反馈网络F振荡器框图（图1）要实现正弦波振荡器有两种最常用的方式：一是RC正弦波振荡器，二是LC正弦波振荡器.常用的RC振荡器有：RC桥式振荡电路和移相振荡电路，而LC振荡器的电路种类比较多，根据不同的反馈方式，又可分为互感反馈振荡器，电感反馈三点式振荡器，电容反馈三点式振荡器，其中互感反馈易于起振，但稳定性差，适用于低频，而三点式振荡器稳定性好，输出波形理想，振荡频率可以做得较高.选择电容反馈三点式振荡器，而电容反馈三点式振荡器又分为考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器.振荡器是一种能量转换器，由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络及反馈网络组成，其框图如图（1）所示.方案一：运用RC振荡器实现设计所需.方案二：运用LC振荡器当中的考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器某一种电路实现设计所需.虽然两种方案都可以实现7KHZ频率输出，但是RC振荡器采用的选频网络的选频作用比LC振荡器中的谐振回路差很多，因此选择方案二.经过用仿真软件分别测试考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器的输出波形，西勒振荡器的输出波形是最好的，所以选择西勒振荡器作为本次设计的最终方案.（1）从结构上来看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路.图2表示接成正反馈时，放大电路在输入信号Xi=0时的方框图，改画一下，便得图3.由图可知，如在放大电路的输入端外接一定频率、一定幅度的正弦波信号Xa，经过基本放大电路和反馈网络所构成的环路传输后，在反馈网络的输出端，得到反馈信号Xf，如果Xf与Xa在大小和相位上一致，那么，就可以除去外接信号Xa，而将1、2两端连接在一起（如图中的虚线所示）而形成闭环系统，其输出端可能继续维持与开环时一样的输出信号. AF=AF=1 a+f=2n，n=0，1，2， 式称为振幅平衡条件，而式则称为相位平衡条件，这是正弦波振荡电路产生持续振荡电路产生持续振荡的两个条件.值得注意的是，无论是负反馈放大电路的自激条件（AF=1）或振荡电路的振荡条件（AF=1），都是要求环路增益等于1，不过，由于反馈信号送到比较环节输入端的、符号不同，所以环路增益各异，从而导致相位条件不一致.图2 图3振荡电路的振荡频率是由式的相位平衡条件决定的.一个正弦波振荡电路只在一个频率下满足相位平衡条件，这个频率就是，这就要求在AF环路中包含一个具有选频特性的网络，简称选频网络.它可以设置在放大电路A中，也可设置在反馈网络F中，它可以用R、C元件组成，也可用L、C元件组成.用R、C元件组成选频网络的振荡电路称为RC振荡电路；一般用来产生1Hz1MHz范围内的低频信号.由于正弦波振荡电路中的放大器件是工作在线性区，因此在分析中，可以近似按线性电路来处理. （2）电容三点式原理：其原理电路如图4所示，由图可见，C1、C2、L并联谐振回路构成反馈选频网络，并联谐振回路三个端点分别与晶体管的三个电极相连接，对于振荡管而言，其集电极电压vo与基极输入电压是反相的，二者相差180°，为了满足振荡系统的相位平衡条件，反馈系数F也须产生180°电容三点式原理图（图4）相位差，为此C1与C2必须性质相同，即为同名电抗元件，则L与C1、C2必须为异性质电抗元件，从而符合三点式振荡电路组成法则，故满足振荡的相位平衡条件.由于反馈信号取自电容C2两端电压，故称为电容反馈三点式LC振荡器，简称电容三点式振荡器.然而西勒振荡器则是在电容三点式原理图的基础上加以改进而成的，它具有波段覆盖率宽，工作波段内,输出波形不随频率变化等优点.故总原理电路图如图5所示.西勒振荡器图（图5）二、单元电路设计 (1)电路设计直流电源的设计为了提高滤波效果，和输出电压的准确特采用LC-型滤波和三端集成稳压如图6所示 直流稳压电源图（图6）因为UI=1.2 U2， 所以V,既变压器的次级电压为10V，二极管承受的最大反向电压为:，流过二极管的电流为：根据以上计算，查资料可知，二极管可选用额定电流为10mA,最大反向电压为20V的二极管.又因为因此C2实际选取容量为7.5uF电容，由于电路需要输出12V电压，所以三端集成稳压采用LM7812.偏置电路的设计偏置电路图（图7） .设.既.又因为 所以既也既R1=113K。根据经验电阻取值，那么，由于输出电阻，既R2=4K.电路图如图（7）所示.谐振回路的设计 设电容C4与C3均为100pF.取经验值10uH.由于电路要求输出频率大于7000HZ，因此.则既C=2nF.又因为.所以根据该式可以算出49pF，,又因为,所以，按照以上的总电容计算，电路不能满足输出频率，为了使其满足设计要求，并且符合电路的可实现性，因此需在负载电路上串联一个C5容量为1nF的电容.谐振回路电路图（图8）（2）电路参数修正和元件清单元件序号设计参数校正后参数备注R1(图5) 113K56KR2(图5)4K3KR3(图5) 24K 24KR4(图5) 1K1KR6(图5) 5.1K5.1K C1(图5) 7.5uF 7.5uFC2(图5) 7.5uF 7.5uFC3(图5) 100pF 100pFC4(图5) 100pF 100pFC5(图5) 1nF 1nFC6(图5) 49pF 30pFC7(图5) 49pF 30pF L1(图5)300uH300uHL2(图5)10uH10uH三、电路仿真与测试（1）输出频率的测量图（9） 当电路工作时，电路产生振荡，经过测试电路的起振频率为右图（图9）所示11.932kHZ。由于设计需要输出频率大于7KHZ,因此满足设计所需.（2）输出波形的测量 通过电路仿真得出电路的输出波形，从该波形可以看出，所设计的电路符合设计要求输出波形无明显失真.如图（10）所示图（10）四、设计分析与研究 （一）关于起振问题(1) 振荡电路接通电源后，有时不起振，或者在外界信号强烈触发下才起振（硬激励），在波段振荡器中有时只在某一频段振荡，而在另一频段不振荡等.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的各种因素中找原因.（a）静态工作点选的太小.（b）电源电压过底，使振荡管放大倍数太小.（c）负载太重，振荡管与回路间耦合过紧，回路Q值太低.（d）回路特性阻抗或介入系数pce太小，使回路谐振阻抗太低.（e）反馈系数太小，不易满足振幅平衡条件但并非越大越好，应适当选取(2) 有时在某一频段内高频端起振，而低频端不起振，这多半是在用调整回路电容来改变振荡频率的电路中，低端由于C增大而L/C下降，致使写真阻抗降低所起.导致这种原因可能有以下几点：（a）选用晶体管不够高.（b）管的电流放大倍数太小.（c）低端已处于起振的临界边缘状态，在高频工作时晶体管输入电容的作用使反馈减弱，或者是由于的反馈作用显著等.五、课程设计总结（1）通过本次课程设计学会了: (a)选择变压器、整流二极管、滤波电容及三极管来设计直流稳压电源；（b）学会用频率计，测量电路的频率.（c）学会了在Word文档中如何套用公式等.（d）掌握了电容三点式的三种电路结构以及西勒振荡器的工作原理.（2）本次课程设计的心得：为期一周的课程设计结束了，通过这次设计让我更好的掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了电容三点式的结构及掌握了其西勒振荡器电路的工作原理和其设计思想.更加深刻地理解了课本知识. 在此次做课程设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限和自身的不足，并且学会了对所找内容的取舍及分析.总之，从中我学习到了如何解决遇到的困难，增强了对实验的思考能力.培养了我们一丝不苟的科学态度和不厌其烦的耐心.其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契.设计是创造性的，所以方法不是唯一的，用各种方法只要能作出实验才是要完成的.（3）本次设计的不足之处：（a）对Word文档的操作不熟练，（b）在设计电路的时候思维不够开阔，（c）所设计的电路不够完善，失真有点严重.六、 参考文献1 李良荣 EWB9电子设计技术M机械工业出版社，2007年8月。2 沈小丰 余琼蓉 电子线路实验模拟电路实验M北京：清华大学出版社，2008年1月3 黄智伟 基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析M北京：电子工业出版社，2008年1月4 张肃文高频电子线路M第四版北京：高等教育出版社，2007年11月5 胡宴如 高频电子线路，第三版，高等教育出版社，2004年11月