高频电容三点式正弦波振荡器

题目：高频电容三点式正弦波振荡器

目录

摘要................................................................................................I Abstract (Ⅱ)

1 绪论 (1)

2 设计原理说明 (2)

2.1 反馈振荡器的原理 (2)

2.1.1 原理分析 (2)

2.1.2 平衡条件 (3)

2.1.3 起振条件 (3)

2.2 电容三点式振荡器 (4)

2.3 设计原理 (5)

3 电路设计与调试 (6)

3.1单元电路设计 (6)

3.1.1 电容三点式振荡单元 (6)

3.1.2 输出缓冲级单元 (8)

3.2 电路调试 (9)

4 心得体会 (10)

参考文献 (11)

附录一：元件清单 (12)

附录二：总电路图 (13)

附录三：实物图 (14)

摘要

近些年信息通信领域中,发展最快、应用最广的就是无线通信技术。无线通信的终极目标是实现任何人在任何时间、任何地点接受和发送任何信息。掌握无线通信系统的各个模块工作原理是每一个通信技术学习及研究人员的基本要求。在一个完整的无线通信系统中,主要有放大、滤波、调制、发射、接受、混频、解调等功能模块,我们要做的,就是充分理解和掌握这些功能模块的工作过程, 并能够进行相应的电路设计。

本次课设要求制作高频电容三点式正选拨振荡器，采用晶体三极管或集成电路，场效应管构成正弦波振荡器，达到任务书所要求的目标。并介绍了设计步骤，比较了各种设计方法的优缺点，总结了不同振荡器的性能特征。使用实验要求的电源和频率计进行验证，实现了设计目标。

关键字：无线通信高频信号正弦波振荡器

Abstract

In recent years in the field of information and communication, the fastest growing, most widely used wireless communication technology. The ultimate goal of wireless communication to anyone at any time, any place to accept and send any information. Grasp the working principle of the various modules of the wireless communication system is a basic requirement for each communication technology learning and researchers. In a wireless communication system, amplification, filtering, modulation, transmitter, accept, mixer, demodulation function modules, we need to do is to fully understand and master the process of the work of these functional modules, and the ability to carry out circuit design.

The class-based production of high-frequency capacitance three-point positive selection of new oscillator using transistors or integrated circuits, FET constitute a sine wave oscillator, to achieve the required goals of the mission statement. And describes the design step, comparing the advantages and disadvantages of various design methods, summarizes the different performance characteristics of the oscillator. Using the power of the experimental requirements and frequency meter to verify design goals.

Keywords: wireless communication High-frequency signal sine wave oscillator

1 绪论

振荡器是一种能量转换装置——将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。其构成的电路叫振荡电路。振荡器是用来产生重复电子信号（通常是正弦波或方波）的电子元件。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、电感电感振荡器、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。

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，振荡器可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特性的器件构成的振荡器。在这种电路，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。反馈式振荡器电路，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。本次设计我们采用的是电容三点式振荡电路，由于电容三点式振荡电路有一些缺陷，通过改进，得到了西勒振荡器电路。

本次课设设计了改进型电容三点式高频振荡器，介绍了设计步骤，比较了克拉泼振荡电路和西勒振荡电路的优缺点，最终选择了西勒振荡电路。同时设计了缓冲电路，使得电路能够加载小组负载。继而通过Multisim仿真软件设计电路与仿真，得到了与理论值相近的结果。最后焊接电路实物，并用规定的电源、示波器等进行测试与调整。

2 设计原理说明

2.1 反馈振荡器的原理

2.1.1 原理分析

反馈振荡器的原理框图如图2-1所示。由图可见，反馈振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路，放大器通常是以某种选频网络（如振荡回路）作为负载，是一调谐放大器，反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。为了能产生自激振荡，必须有正反馈，即反馈到输入端的信号和放大器输入端的信号相位相同。

图2-1 反馈振荡器原理框图

对于图2-1，设放大器的电压放大倍数为K(s)，反馈网络的电压反馈系数为F(s ），闭环电压放大倍数为u K (s)，则

)s ()s ()s (S O U U U K =；)s ()s ()s (I O U U K =；)s ()s ()s (O I U U F ‘

=

)s ()s (s 'i I S U U U +=）

（ 得

)

s (1)s ()s ()s (1)s ()s (T K F K K K U -=-= 其中

)

s ()s ()s ()s ()s ('I I U U F K T == 称为反馈系统的环路增益。用s=jw 代入，就得到稳态下的传输系数和环路增益。 放大电路

A(S)

反馈电路

F(S)

+

由上式可知，若在某一频率1ωω=上T （j 1ω）等于1，)j (ωU K 将趋于无穷大，这表明即使没有外加信号，也可以维持振荡输出。因此自激振荡的条件就是环路增益为1。即

1)()j ()j (==ωωωj F K T

2.1.2 平衡条件

振荡器的平衡条件可表示为

1j )j ()j (==）（ωωωF K T

也可以表示为

1|)j (|==KF T ω

π???n F K T 2=+= n=0,1,2，……

2.1.3 起振条件

振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等，其包含有很宽的频谱分量，在他们通过负载回路时，由谐振回路性质即只有频率等于回路谐振频率的分量才可以产生较大的输出，其他频率分量则不会产生压降，因此负载回路上只有频率为回路谐振频率的成分产生压降，该压降通过反馈网络产生出较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入端，进行放大、反馈，不断地循环下去，谐振负载上将得到频率等于回路谐振频率的输出信号。

在振荡开始时由于激励信号较弱，输出电压振幅较小，经过不断放大、反馈循环，输出幅度不断增大，否则输出信号幅值过小，无任何意义。为了使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡，可得

1)j ( ωT

称为自激振荡的起振条件，也可写为

1|)j (|'f F R Y T L =ω

π????n F L T 2'

f =++= n=0,1,2，……

2.2 电容三点式振荡器

电容三点式振荡器（也叫考毕兹振荡器），自激振荡器的一种。图中的L 、C1、C2组成谐振回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。反馈信号从电容器C2两端取得，送回放大器的基极b 上，而且也是将LC 回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，故将这种电路成为电容三点式振荡器。由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。

图2-2 电容三点式振荡器 图2-3 电容三点式交流通路 电容三点式振荡器适合产生几十兆赫以上的信号，常用来作射频振荡器。图2-3是LC 振荡回路的等效电路图，从图上可以看到，电路的振荡频率由L 、C 、C1、C2决定，基极有一个大电容（1000 ~ 2000pF ），起交流接地的作用。由于电感和电容的数值都比较小，所以有些情况下三极管的极间电容、电感线圈的匝间电容都不能忽略。它们对总电容的贡献量大约几个皮法。设三极管的极间电容以及电感线圈的匝间电容以及其它分布电容的总等效电容为C0，则

02121C C C C C C C A +++= A LC T π2=

在LC 谐振回路Q 值足够高的条件下，电路的振荡频率为

LC π21

f 0=

2.3 设计原理

振荡器起振条件为AF>1，振荡器平衡条件为:

AF=1

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有放大区进入饱和区，放大倍数A迅速下降，直至

AF=1

此时开始谐振。假设由于某种因素使AF<1,此时振幅就会自动衰减，使A与1/F逐渐相等。

振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。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。过K曲线的斜率为正，则不满足稳定条件。对于相位稳定条件来说，它和频率稳定实质上是一回事，因为振荡的角频率就是相位的变化率，所以当振荡器的相位发生变化时，频率也发生了变化。

LC振荡器由基本放大器、选频网络和正反馈网络三个部分组成。为了维持震荡，放大器的环路增益应该等于1，即AF=1，因为在谐振频率上振荡器的反馈系数为C1/C2，所以维持振荡所需的电压增益应该是

A=C2/C1

电容三点式振荡器的谐振频率为

f0=1/2π[L(C1C2/C1+C2)]1/2

在实验中可通过测量周期T来测定谐振频率，即

f0=1/T

放大器的电压增益可通过测量峰值输出电压V op和输入电压Vip来确定，即

A=V op/Vip

3 电路设计与仿真

3.1单元电路设计

3.1.1 电容三点式振荡单元

该单元由放大器、反馈网络和选频网络组成，放大单元由2N2219三极管构成放大电路，将反馈信号放大，反馈网络起正反馈，将信号反馈到放大单元输入，进一步放大，选频网络根据自身参数，在复杂的频谱中选取与自身谐振频率相同的频率将其反馈，所以此信号得以不断放大最终由输出端输出。其单元电路图如图3-1所示：

图3-1 电容三点式单元电路

对于晶体管静态工作点，合理地选取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，一般小功率振荡器

I大约在0.8-4mA 之间选取，故本设计电路中选取

集电极电流CQ

CQ I =1mA CEQ V =2V β=50

则有

Ω=-=-=+K mA

V V I U U R R CQ CEQ

CC 3125c e 为提高电路的稳定性e R 值适当增大，取Ω=K 1Re 则Ω=K Rc 2

由于

Re ?=CQ EQ I U

则

V K A U EQ 11m 1=?=

由于

βCQ BQ I I =

则

A A I BQ m 2.0050m 1==

一般取流过2b R 的电流为5-10

BQ I 由于

BQ BQ I V R =2b .70+=EQ BQ V V

则

Ω==K V R .58.02mA

0.712b 由于

2b 1b R V V V R BQ BQ CC -=

Ω=Ω-=K K V

V V R 16.55.8.71.7151b 因振荡器的工作频率为：

LC π21

f 0=

当LC 振荡时z 6f 0MH =，H L μ10=在本设计中，则回路的谐振频率0f 主要由4C 、6C 决定，即

)(2121f 43C C L LC +==

ππ

故取3C =4C =100pf 。 对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电容进行微调即可。

为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。例如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极；如为基极接地，则应从发射极输出。

3.1.2 输出缓冲级单元

此单元由设计跟随器构成，用于带动Ω100的负载，以满足设计任务有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压≥ 1 V (D -P)的要求。

射极跟随器，是信号从发射极输出的放大器。其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大系数略低于1，负载能力强，常作阻抗变换和级间隔离用。

将三极管按共集方式连接，动态电压放大倍数小于1并接近1，且输出电压与输入电压同相但是输出电阻低，具有电流放大作用，所以有功率放大作用。它从基极输入信号，从射极输出信号。它具有高输入阻抗、低输出阻抗、输入信号与输出信号相位相同的特点。

其单元电路图如图3-2所示。

图3-2 缓冲级单元电路

3.2 电路调试

首先在焊接之前先用万用表检查各元件的参数是否与理论值相符，元件是否有损坏，在检查好之后对其进行焊接。在焊接结束之后，首先对各个焊接点进行检查，是否有虚焊、漏焊、元件位置焊错、电解电容极性焊反等情况，在检查结束并改正之后才接上电源。

通过查阅有关资料，在通电之后没有急于测量电气指标，而观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。经过数分钟的观察检测，没有发现异常情况，而后再进行相关测试。

在上电之后，从输出端接出引线，接入示波器观察波形。起初没有出现正弦波形，仅出现微小杂乱的波形，初步分析是电路没有起振，在把可调电阻器进行调整后仍没有出现正弦波形，将1C换成1nf的小电容后，再次检测，可在示波器上看到正弦波形，在调整可调电阻后能看到较好的正弦波形，频率约为6.4MHz，输出幅值为1.7V，基本满足任务要求。

4 心得体会

高频电子线路是一门比较难学的专业基础课，在这次课程设计中，也遇到了不少问题。首先就是对相关元件的概念、作用、以及参数等不是很熟悉，课本中的知识和实际之中还是有差别的。在做本次课程设计之前我又重新翻看了一遍教材，巩固了以前的一些知识点，也有了许多新的发现与感受，在理论上对自己进行了一次全新的武装。

而在设计过程中，首先是对所运用仿真软件的不熟悉，比如开始使用时找一个相关的元件要花好长时间，以及元件参数设置也不是很熟，不过通过一段时间的磨合这些问题都克服了;然后就是理论知识的匮乏问题，通过同组同学之间的互相讨论，以及去图书馆和上网查阅相关资料，最终顺利的解决了问题，也顺利的完成可本次课设。

通过本次课程设计，作者对各种元件的识别和测试有了更深的了解，熟悉了Multisim软件的使用，对建立文件、绘制电路图、对其进行仿真等一系列过程都更加熟练，对专业知识的运用进行了一次全面的考核与检测，对于高频电子电路有了更深层次的掌握，并且提高了独立解决问题的能力。我们在学习理论知识的同时还要努力培养自己的动手操作能力，通过这次课程设计我也看到了自己的差距，今后会努力提高自己的动手操作能力，以求真正领会各种专业知识，为将来的工作打下良好的基础。

参考文献

[1]吴友宇，伍时和，凌玲．模拟电子技术基础．清华大学出版社，2009.5

[2]于洪珍. 通信电子电路. 清华大学出版社，2005.8

[3]曾兴雯，刘乃安.高频电路原理与分析. 西安电子科技大学出版社，2006.8

[4]高吉祥. 高平电子线路. 电子工业出版社，2007.1

[5]姜威. 实用电子系统设计基础. 北京理工大学出版社，2008.1

附录一：元件清单

晶体管三极管2N2219 3块

导线及排插若干

1K欧电阻2个

2.2K欧电阻2个

5K欧电阻3个

10k欧电阻2个

50欧电阻1个

30pF变容器1个

1uF电容2个

4.7uF电容1个

470pF电容1个

6.2uF电容1个

2mH电感1个

20uH电感1个

附录二：总电路图总电路图如图所示：

附录二：实物图