电感三点式振荡器设计.doc-资料库

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塔里木大学信息工程学院课程设计目录前言 ......................................................................... 1 1.1 振荡器介绍......................................................................................................................... 2 正文 ......................................................................... 2 2.1 设计目的及要求................................................................................................................. 2 2.2 设计构思及理论.............................................................................................................. 2 2.3 系统电路的设计及原理说明 ..........................................................................................5 2.4 仿真验证叙述及效果分析................................................................................................6 有关说明 ..................................................................... 9 致谢 ........................................................................ 10 参考文献 .................................................................... 10 附录 ........................................................................ 11 前言第 1 页共 11 页

塔里木大学信息工程学院课程设计 1.1 振荡器介绍振荡器（英文：oscillator）是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。其构成的电路叫振荡电路，能将直流信号转换为具有一定频率的交流电信号输出。振荡器的种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、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。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。 LC 振荡器可以分为如下几类：变压器耦合式：单管 LC 正弦振荡器；差分对管 LC 正弦振荡器；三点式：电容三点式(考毕兹)振荡器；电感三点式(哈特莱)振荡器；改进三点式：克拉泼振荡器；西勒振荡器。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。 2.1 设计目的及要求正文（1）要实现的功能：设计一个电感三点式振荡器，产生 10MHz 的震荡频率，并能带动 620 欧的负载。（2）要求达到的技术指标：振荡频率 f0=10MHz，输出频率电压 U0≥0.5Vpp/620 欧；输出波形为正弦波（无明显失真）；供电电压 Vcc=12V。（3）完成要求：设计与制作可供实际检测的实物样品，并且按要求完成课程设计报告。 2.2 设计构思及理论 2.2.1 筛选合适的振荡电路要设计一个电感三点式振荡电路，可以有几个电容和电感还有一个三极管和一个后级放大电路来达到要求。用改变电容的方法来调整震荡频率，方便调试而不会影响反馈系数，可以是波形输出更加稳定而没有明显的失真现象。但是为了达到输出频率电压技术指标，加一个共基放大电路，提高输出电压幅度。（1）电路组成如图 2-1 所示为电感三点式振荡电路的原理图。这种电路的 LC 并联谐振电路中的电感有首端、中间抽头和尾端三个端点，分别与放大器件的集电极、发射极（地）和基极相连，反馈信号取自电感 L2 上的电压，因此，习惯上将图 2-1 所示电路称为电感三点式 LC 振荡电路。（2）相位平衡条件判断第 2 页共 11 页

塔里木大学信息工程学院课程设计前面讨论 LC 并联谐振回路时已得出结论：谐振时，回路电流远比流入或流出 LC 回路的电流大得多。因此，电感中间抽头的瞬时电位一定在首、尾两端点的瞬时电位之间。若电感的中间抽头交流接地，则首端与尾端的信号电压相位相反。若电感的首端或尾端交流接地，则电感其他两个端点的信号电压相位相同。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；一个是反馈电压和输入电压要相等，这是振幅平衡条件。二是和必须相位相同，这是相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。根据分析，图 2-1 电路满足相位平衡条件。（3）幅值条件及振荡频率至于振幅条件，则容易满足，只要适当选择 BJT 的工作点和 L2/L1 的比值，就可以实现起振。考虑到 L1、L2 间的互感 M 后，电路的振荡频率可近似表示为: f  f 0  1 L 2  2 ) CM 2  ( L 1  (式 2-1) 电感三点式正弦波振荡电路不仅容易起振，而且采用可变电容器能在较宽的范围内调节振荡频率，其工作频率范围可以从数百千赫至数十兆赫，所以用在经常改变频率的场合（例如收音机、信号发生器等）。电路的缺点是，反馈电压取自 L2 上，L2 对高次谐波（相对于 f0 而言）阻抗较大，因而引起振荡回路输出谐波分量增大，输出波形较差。图 2-1 电感三点式 LC 振荡电路正弦振荡器静态工作点应设计在放大区，并略偏向截止的方向，称这样工作状态为软激励状态。若静态工作点设计在接近截止区或截止区称为硬激励状态，应极力避免。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能通过，使振荡器产生单一频率的输出。但是经过仿真软件仿真以后，用以上电路输出波形较差，而且不容易起振，所以，不应该使用图 2-1 的电路图来做课设。如图 2-2 所示，图中利用两个共基放大，由 L3、L4、C3 和 VC1 组成一个电感三点式震荡回路，后级的共基放大输出前级的输出电压并提供给负载 RL。电感 L1 和 L2 起到通直阻交的作用；电容 C2、第 3 页共 11 页

塔里木大学信息工程学院课程设计 C4、C5、C6 有通交阻直的作用。震荡回路中加了个调节电容是为了方便调试。其中还有 C1 等的反馈作用。Rb1、Rb2、Rb、Rb3 等偏置电阻给三极管提供合适的偏置电压，使三极管获得稳定的静态工作点，以便于放大和振荡回路起震。图 2-2 设计的电感三点式振荡器原理图 2.2.2 设计构思的理论依据（1）电感三点式震荡电路的组成图 2-3 是电感三点式振荡器电路图的原理图。由图可见，这种电路的 LC 并联谐振电路中的电感有首端、抽头和尾端三个端点，其交流通路分别与放大电路的集电极、发射极(地) 和基极相连，反馈信号取自电感 L2 上的电压，因此习惯上将图 3 所示电路称为电感三点式 LC 振荡电路，或电感反馈式振荡电路。图 2-3 电感三点式 LC 振荡电路图 2-4 电感三点式等效电路上述讨论并联谐振回路时已得出结论：谐振时，回路电流远比外电路电流大，1、3 两端近似呈现纯电阻特性。因此，当 L1 和 L2 的对应端如图所示，则当选取中间抽头,2 为参第 4 页共 11 页

塔里木大学信息工程学院课程设计考电位(交流地电位)点时，首 1 尾 3 两端的电位极性相反。（2）电感三点式振荡器电路振荡条件分析 ①相位平衡条件：现在采用瞬时极性法分析电感三点式振荡器电路图 2-3 所示的相位条件。设从反馈线的点 b 处断开，同时输入 Vb 为(+)极性的信号，由于在纯电阻负载的条件下，共射电路具有倒相作用，因而其集电极电位瞬时极性为(－)，又 2 端交流接地，因此 3 端的瞬时电位极性为(+)，即反馈信号 Vf 与输入信号 Vb 同相，满足相位平衡条件。根据“射同基反”的原则，也可以判别三点式振荡电路的相位平衡条件，方法是先画出交流等效电路如图 2-4 所示,显然该电路符合“射同基反”的原则，因此满足相位平衡条件。 ②幅度平衡条件：  LAV 2 L 1 0  1 (式 2-2) 电路的幅度平衡条件为 Av 较大，只要适当选取 L2 与 L1 的比值，就可实现起振。当加大 L2(或减小 L1)时，有利于起振。（3）电感三点式振荡器电路振荡频率考虑 L1、L2 间的互感，电路的振荡频率可近似表示为： f  f 0  1 L 2  2 ) CM 2  ( L 1  （式 2-3）根据设计好的电路和性能指标要求通过理论公式计算理论值。先设定电感 L3 和 L4 值都为为 2.2uH,再结合 10MHz 的频率要求，通过上面的公式计算电容的取值（互感忽略不计）。经计算 C3≈60pF。晶体管输入及输出电阻分别和两个回路电抗元件并联，影响回路的等效电抗元件参数，从而影响振荡频率。由于晶体管输入及电容输出环境温度、电源电压等因素而变化，所以三点式电路的频率稳定度不高。 2.3 系统电路的设计及原理说明 2.3.1 系统框图及说明图 2-5 系统框图第 5 页共 11 页

塔里木大学信息工程学院课程设计电路由 2 个放大器和 2 个反馈网络来组成，产生一定频率的信号，经放大再输出。但是反馈网络 1 必须满足三个条件：起振条件，平衡条件和稳定条件。 2.3.2 电路设计说明利用两个共基放大，由 L3、L4、C3 和 VC1 组成一个电感三点式震荡回路，后级的共基放大输出前级的输出电压并提供给负载 RL。电感 L1 和 L2 起到通直阻交的作用；电容 C2、 C4、C5 和 C6 有通交阻直的作用。震荡回路中加了个调节电容是为了方便调试。其中还有 C1 等的反馈作用。Rb1、Rb2、Rb、Rb3 等偏置电阻给三极管提供合适的偏置电压，使三极管获得稳定的静态工作点，以便于放大和振荡回路起震。 2.3.3 关键元器件的介绍（1）电路中主要元器件作用说明如下表：元器件名称三极管（9018）电感（L1、L2）负载电阻（RL）说明相当于一个放大器通直阻交相当于一个阻值为 620 欧姆的纯电阻用电器耦合电容 (C2、C5) 耦合信号,通交阻直偏置电阻（Rb1、Rb2、Rb、Rb3）给三极管提供偏置电压电感（L3、L4、C3、VC1）组成电感三点式震荡回路我们主要要把各个需要的参数算好，让电路能够起振，使波形没有明显的失真。表 2-1 元器件说明 2.4 仿真验证叙述及效果分析 2.4.1 仿真电路根据电路原理图，在Multisim里画好设计好的电路原理图，画好电路原理图之后运用 Multisim软件进行仿真。但仿真软件所设定的数据以及仿真所出的波形只能作为一个参考，在实际应用中应注意修改。仿真原理图如图2-6所示。第 6 页共 11 页

塔里木大学信息工程学院课程设计 2.4.2 仿真运行结果图2-6仿真电路原理图第 7 页共 11 页

塔里木大学信息工程学院课程设计图 2-7 仿真波形图 2-8 输出频率第 8 页共 11 页

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