正弦波振荡器设计报告.docx-资料库

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高频电子线路课程设计报告设计题目： LC 正弦波振荡器专业班级电子信息工程 1805 学号学生姓名班序号 28 2020 年 5 月 21 日教师评语：评定成绩：

目录一、设计任务与要求...................................3 二、总体方案............................................................................. 3 三、设计内容............................................................................ 8 3.1 电路工作原理......................................... 8 3.1.1 平衡条件.............................................8 3.1.2 起振条件................................................................. 8 3.1.3 频率稳定度........................................................8 3.1.4 必须具备的条件........................................................9 3.2 仿真结果与分析...................................................................9 四、电路制作和调试(这部分内容为选作)............................................13 五、总结................................................................................... 14 六、主要参考文献.....................................................................15 附录........................................................................................16

一、设计任务与要求（或选题意义）（1）熟悉 LC 正弦波振荡器的工作原理，以及示波器的原理及用法。（2）电路形式的选择：分别采用电感三端式振荡器、电容三端式振荡器及其改进电路。（3）掌握正弦波振荡器设计方法，设计正弦波振荡器，该电路能输出稳定正弦波信号，输出频率可调范围为 10~20MHz；（4）了解外界因素、元件参数对振荡器工作稳定性及频率稳定度的影响情况，以便提高振荡器的性能。（5）选择合适的方案，连接相关电路，进行仿真实验。（6）偏置参数选择（静态工作点的设计）和振荡回路参数的选择，对实验结果进行分析讨论；二、总体方案 1.LC 谐振回路原理自激式振荡器是在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅值的交变能量电路。正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路称为振荡器。按照产生的波形，振荡器可以分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。按照产生振荡的工作原理，振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器。所谓反馈式振荡器，就是利用正反馈原理构成的振荡器，是目前用的最广泛的一类振荡器。所谓负阻式振荡器，就是利用正反馈有负阻特性的器件构成的振荡器，在这种电路中，负阻所起的作用，是将振荡器回路的正阻抵消以维持等幅振荡。反馈式振荡电路，有变压器反馈式振荡电路，电感三点式振荡电路，电容三点式振荡电路和石英晶体振荡电路等等。三点式振荡器是指LC 回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合，

可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点，是一种广泛应用的振荡电路，其工作频率可达到几百兆赫。三点式振荡器原理电路如图下图所示。其中，Xbe、Xce 和 Xbc 均为电抗元件。由下图可以看出，Xbe、Xce 和 Xbc 构成了决定振荡频率的并联谐振回路，同时也构成了正反馈所需的反馈网络。下面就分析在满足相位平衡条件时，LC 回路中三个电抗应具有的性质。假定 LC 回路由纯电抗元件组成，并令回路电流为 I，由上图可得 Uf= jIXbe, Uc=-jIXce。为使 Uf 与 Uc 反相，必须要求 Xbe 和 Xce 为性质相同的电抗元件。另一方面，在不考虑晶体管电抗效应的情况下，振荡频率近似等于回路的谐振频率。那么，在回路处于谐振状态时，回路呈纯阻性，有 Xbe +Xce +Xbc =0 由.上式可见，Xbc 必须与 Xbe(Xce)为性质相反的电抗元件。综上所述，三点式振荡器构成的一般原则可归纳为: Xbe 和 Xce 的电抗性质必须相同，Xbc 与 Xbe、Xce 的电抗性质必须相异。为便于记忆，我们再进一步将三点式振荡器构成的一般原则简述为:“射同它异”，即连接于晶体管射极的两个电抗元件性质必须是相同的,而连接于晶体管基极和集电极的那个电抗元件性质必须是相异的。同样，对于由场效应管或运算放大器构成三点式振荡器的-- 般原则也可简述为:“源(指源极)同它异”或“同(指同相端)同它异”。如果与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式振荡器，则称为电容三点式振荡器;如果与发射极相连的两个电抗元件同为电感时的三点式振荡器，

则称为电感三点式振荡器。 2. 电感三点式振荡器三点式振荡电路是指电容或电感(反馈部分)的三个端分别接晶体管的三个极，故称为三点式振荡电路。目前三点式振荡电路主要分为电感三点式和电容三点式振荡电路。电感三点式振荡电路是指原边线圈的三个端分别接在晶体管的三个极。又称为电感反馈式振荡电路或哈特莱振荡电路。振荡频率 f0 近似为 f0=1/ 2 LC  1/ 2 (L1  L2  2M )C 振荡频率近似用回路的诸振频率表示时其偏差较小，而且线圈耦合越紧，偏差越小，数据越准确。反馈系数 F=(L2+M)/(L1+M),当线圈绕在封闭瓷芯的瓷环上时，线圈两部分的耦合系数接近于 1，反馈系数 F 近似等于两线圈的匝数比，即 F=N2/N1。电感三点式振荡器优点：(1)容易起振(2)调整频率较为方便，变电容而不影响反馈系数。缺点：(1)振荡波形不够好，高次谐波反馈较强，波形失真较大。(2) 不适合用于很高频率信号下工作。 3. 电容三点式振荡器电容三点式振荡器又称为考毕兹振荡器，电容反馈的三点式振荡器主要是通过电容反馈，所以可减弱高次谐波的反馈，使振荡产生的波形得到改善，又适用于较高波段工作，目前已被广泛的应用于本振，调频，VCO 压控振荡器等高频电路中。其原理电路如下图所示。图中 Rb1、Rb2、Re 组成分压式偏置电路; Ce 为旁路电

容; Cb、Cc 为隔直流电容; Lc 为高频扼流圈。 L 和 C1、C2 组成振荡回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。反馈系数 F 的表达式：F=C1/(C1+C2),不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容 C 总 =C1*C2/(C1+C2) 。振荡频率近似为 f0=1/ 2 LC  1/ 2 (C1C2 / C1  C2 )L 这种电路的缺点在于，调解 C1C2 改变频率时，反馈系数也改变。由于极间电容对反馈振荡器的回路电抗均有影响，所以对振荡器频率也会有影响。而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以电容三点式振荡器的频率稳定度不高。 4. 克拉拨振荡电路下图为克拉泼振荡器原理电路和其交流等效电路。它的特点是在前述的电容三点式振荡谐振回路电感支路中增加了一个电容 C3，其取值比较小，要求 C3<< C1， C3<< C2。

若不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量 C 总为 C1、C2 和 C3 的串联，即 C 总=1/(C1-1+C2-1+C3-1)。振荡频率 f0 近似为1/ 2LC总使上式成立的条件是 C1 和 C2 都要选得比较大，由此可见，C1、C2 对振荡频率的影响显著减小，那么与 C1、C2 并接的晶体管极间电容的影响也就很小了，提高了振荡频率的稳定度。 5.振荡器的选择 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，而电容反馈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。所以选择电容反馈三点式振荡器是不容置疑的，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。LC 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。电容三点式振荡器输出波形好，工作频率比较高，缺点是调整困难，起振困难。电感三点式振荡器起振容易，调整方便，缺点是输出波形不好。克拉泼电路则是高稳定度 LC 振荡器电路，因此，我选择了使用克拉波电路。

三、设计内容 3.1 电路工作原理(二级标题，用黑体四号，1.5 倍行距，段前、段后 0 行) 3.1.1 平衡条件振荡建立起来之后，振荡幅度会无限制地增长下去吗?不会的，因为随着振荡幅度的增长，放大器的动态范围就会延伸到非线性区，放大器的增益将随之下降，振荡幅度越大，增益下降越多，最后当反馈电压正好等于原输入电压时，振荡幅度不再增大而进入平衡状态。由于放大器开环电压增益 A 和反馈系数 F 的表示式分别为 A=Uo/Ui; F=Uf/Uo ,且振荡器进入平衡状态后 Uf=Ui,此时根据上式可得反馈振荡器的平衡条件为 AF= AFe j(AF ) 1 作为一个稳态震荡，振幅平衡条件和相位平衡条件必须同时得到满足，它们对任何类型反馈振荡器都是适用的。平衡条件是研究振荡器的理论基础，利用振幅平衡条件可以确定振荡幅度，利用相位平衡条件可以确定振荡频率。 3.1.2 起振条件下式是维持振荡的平衡条件，是针对振荡器进入稳态而言的。为了使振荡器在接通直流电源后能够自动起振，则要求反馈电压在相位上与放大器输入电压同相，在幅度上则要求 Uf >Ui，即φA+φF=2nπ ；AoF>1,式中 Ao 为振荡器起振时放大器工作与甲类状态时的电压放大倍数。为了确保振荡器能够起振，设计的电路参数必须满足 AoF>1 的条件。而后，随着振荡幅度的不断增大，AO 就向 A 过渡，直到 AF=1 时，振荡达到平衡状态。显然，AOF 越大于 1，振荡器越容易起振，并且振荡幅度也较大。但 AoF 过大，放大管进入非线性区的程度就会加深，那么也就会引起放大管输出电流波形的严重失真。所以当要求输出波形非线性失真很小时，应使 AoF 的值稍大于 1。 3.1.3 频率稳定度

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