通信电子线路课程设计报告——电感三点式正弦波振荡器

课程设计报告

课题名称 _____通信电子线路课程设计_ 学院电子信息学院

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指导教师

目录

摘要 ......................................................................................................... I 1绪论 .. (1)

2正弦波振荡器 (2)

2.1 反馈振荡器产生振荡的原因及其工作原理 (2)

2.2平衡条件 (3)

2.3起振条件 (3)

2.4稳定条件 (4)

3电感三点式振荡器 (5)

3.1三点式振荡器的组成原则 (5)

3.2电感三点式振荡器 (5)

3.3 振荡器设计的模块分析 (6)

4 仿真与制作 (10)

4.1仿真. (10)

4.2分析调试 (12)

5 心得体会...................................13=

参考文献 (14)

摘要

反馈振荡器是一种常用的正弦波振荡器，主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成。按照选频网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型。本文介绍了高频电感三点式振荡器电路的原理及设计，电感三点式容易起振，调整频率方便，变电容而不影响反馈系数。

正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。例如，无线发射机中的载波信号源，接收设备中的本地振荡信号源，各种测量仪器如信号发生器、频率计、fT测试仪中的核心部分以及自动控制环节，都离不开正弦波振荡器。根据所产生的波形不同，可将振荡器分成正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波，后者能产生矩形波、三角波、锯齿波等。

本文将简单介绍一种利用一款名为Multisim 11.0的软件作为电路设计的仿真软件，电容电感以及其他电子器件构成的高频电感三点式正弦波振荡器。电路中采用了晶体三极管作为电路的放大器，电路的额定电源电压为5.0 V，电流为1~3 mA，电路可输出输出频率为8 MHz（该频率具有较大的变化范围）。

关键词：高频、电感、振荡器

1绪论

在现代社会中，信息传递的作用日益变的重要。这就要求我们改进信息传递的方式，从而使信息的传递更加迅速，更加准确，更加安全。无线电通信的发展，信息加密技术的改进……这些为迅速准确的通信带来了便利。毋庸置疑，无线电技术带来了信息交流方面的一次伟大变革。

在本课程设计中，着眼于无线电通信的基础电路——LC正弦振荡器的分析和研究。通过对电感反馈式三端振荡器的分析、讨论。以求得到一些对实际应用电路有帮助的结论。在课程设计中，使用的仿真软件为multisim11.0。该软件提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路图和文件管理功能。能够让使用者全面的收集电路的相关数据，进而有助于对电路进行改进。

常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成，这就是反馈振荡器。按照选频网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为LC 振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型。其中LC 振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波。正反馈放大器既可以由晶体管、场效应管等分立器件组成，也可以由集成电路组成。

LC振荡器中除了有互感耦合反馈型振荡器之外，其最基本的就是三端式（又称三点式）的振荡器。而三点式的振荡器中又有电容三点式振荡器和电感三点式振荡器这两种基本类型。本文所要介绍的正是电感三点式振荡器。

2正弦波振荡器

振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。与放大器的区别：无需外加激励信号，就能产生具有一定频率、波形和振幅的交流信号。由晶体管等有源器件和具有某种选频能力的无源网络组成。

正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。所谓产生振荡是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。

2.1 反馈振荡器产生振荡的原因及其工作原理

反馈型振荡器是通过正反馈联接方式实现等幅正弦振荡的电路。这种电路由两部分组成，一是放大电路，二是反馈网络。图2.1所示为反馈振荡器构成方框图及相应电路。由

U，图可知，当开关S在 1 的位置，放大器的输入端外加一定频率和幅度的正弦波信号

i

U，若o U 经反馈网络并在反馈网这一信号经放大器放大后，在输出端产生输出信号

o

U 与i U不仅大小相等，而且相位也相同，即实现了正反馈。络输出端得到的反馈信号

f

若此时除去外加信号，将开关由 1 端转接到 2 端，使放大器和反馈网络构成一个闭环系

U输出，从而实统，那么，在没有外加信号的情况下，输出端仍可维持一定幅度的电压

o

现了自激振荡的目的。

图2.1 反馈振荡器的结构网络图

为了使振荡器的输出o U 为一个固定频率的正弦波，图 2.1 所示的闭合环路内必须含有选频网络，使得只有选频网络中心频率的信号满足f U 与i U 相同的条件而产生自激振荡，对其他频率的信号不满足f U 与i U 相同的条件而不产生振荡。 选频网络可与放大器相结合构成选频放大器，也可与选频网络相结合构成选频反馈网络。

2.2平衡条件

振荡器的平衡条件即为 也可以表示为

即为振幅平衡条件和相位平衡条件。平衡状态下，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时输出幅度将不在变化：振幅平衡条件决定了振荡器输出信号振幅的大小；环路只有在某一特定的频率上才能满足相位平衡条件：相位平衡条件决定了振荡器输出信号频率的大小。

2.3起振条件

振荡器在实际应用时不应有外加信号，而应是一加上电后即产生输出；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。振荡开始时激励信号很弱，为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。

由 可知， 称为自激振荡的起振条件，

也可写为

分别称为起振的振幅条件和相位条件，其中起振的相位条件即为正反馈条件。[2]

1)()()(==ωωωj F j K j T ?

??==+===2,1,021)(n n KF j T F K T π

???ω()()()ωωωj U j U j T i i >'>，11)(>ωj T ?

??==++=>'=',2,1,021)(n n F R Y j T F L f T L f π

????ω

2.4稳定条件

振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。

(1)振幅稳定条件

要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说，就是在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益将减小，从而使振幅减小。

(2)相位稳定条件

振荡器的相位平衡条件是φT （ω0）＝２ｎπ。 在振荡器工作时, 某些不稳定因素可能破坏这一平衡条件。如电源电压的波动或工作点的变化可能使晶体管内部电容参数发生变化, 从而造成相位的变化, 产生一个偏移量Δφ。

由于瞬时角频率是瞬时相位的导数, 所以瞬时角频率也将随着发生变化。为了保证相位稳定, 要求振荡器的相频特性φT （ω）在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力。具体来说, 在平衡点ω=ω0附近, 当不稳定因素使瞬时角频率ω增大时, 相频特性φT （ω0）应产生一个-Δφ, 从而产生一个-Δω, 使瞬时角频率ω减小。[3]

i U U i

U K

3电感三点式振荡器

3.1三点式振荡器的组成原则

基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器，即LC 回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路，如图3.1所示。X1、X2、X3三个电抗元件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。

根据谐振回路的性质，谐振时回路应呈纯电阻性，因而有

三个电抗元件不能同时为感抗或容抗，必须 由两种不同性质的电抗元件组成。

三端式振荡器能否振荡的原则：（1）X1和 X2的电抗性质相同； （2）X 3与X 1、 X2的电抗性质相反。即射同余异，源同余异。

3.2电感三点式振荡器

X1和X2为感性，X3为容性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电感元件完成的，称为电感反馈振荡器，也称为哈特莱(Hartley)振荡器。

图 3.2是两种基本的三端式振荡器 (a) 电容反馈振荡器;(b) 电感反馈振荡器

I

.

3

0321=++X X

X (a )

C (b )3

3

上图是电感反馈振荡器电路的(a) 实际电路；(b) 交流等效电路；(c) 高频等效电路 电感反馈振荡器中，电感通常是绕在同一带磁芯的骨架上，它们之间存在互感，用M 表示。同电容反馈振荡器的分析一样，振荡器的振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示，

即

式中的L 为回路的总电感， 由相位平衡条件分析，振荡器的振荡频率表达式为

式中的g’L 与电容反馈振荡器相同，表示除晶体管以外的电路中所有电导折算到CE 两端后的总电导。振荡频率近似用回路的谐振频率表示时其偏差较小，而且线圈耦合越紧，偏差越小。[4]

电感反馈式三端振荡器优点(1)容易起振 (2)调整频率方便，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) 不适于很高频率工作。

3.3 振荡器设计的模块分析

如图所示即为设计的第一个模块，也是此次设计的主要模块——振荡电路模块。

E c

(a )

C

(b )

＋－

U b .＋－

′(c )

.＋

－LC

101=

≈ωωM L L L 221++=)

)((1

2211M L L g g g LC L oe ie -'++=ω

图振荡电路模块原理图

与前面的对振荡器电路的分析一样，图3.2中的R1、R2和R3均为电路的偏置电阻，C1、C2分别为旁路电容和隔直流电容，而C1、L1和L2的连接方式也符合电感三点式振荡器的原则，因此整个电路就构成了设计所需要的振荡电路。

由振荡器的原理可以看出，振荡器实际上是一个具有反馈的非线性系统，精确计算是很困难的，而且也是不必要的。因此，振荡器的设计通常是进行一些设计考虑和近似估算，选择合理的线路和工作点，确定元件的参数值，而工作状态和元件的准确数值需要在调试中最后确定。设计时一般都要考虑一下一些问题：

晶体管的选择

从稳频的角度出发，应选择T

f 较高的晶体管，这样的晶体管内部相移较小。通常选

择T

f >(3~10)1max

f 。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。算然不要求振荡器中的晶体管输出多大的功率，但考虑到稳频等因素，晶体管的额定功率也应有足够的余量。

因此，在本次设计中将会 选取2N2222作为振荡电路的三极管。该三极管的集电极电流最大值为800mA ，在25℃时其功率可达到0.5 W ，最大集电极电压可达30V ，足够满足此次设计的各方面要求。

2．直流馈电线路的选择

为保证振荡器起振的振幅条件，起振工作点应设置在线性放大区；从稳频出发，稳定

状态应该在截至区，而不应在饱和区，否则回路的有载品质因数

L

Q 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。对于小功率晶体管，集电

极电流约为1~4mA 。

3振荡回路元件的选择

从稳频出发，振荡回路中电容C 应尽可能大，但C 过大，不利于波段工作，因此，前页图3.2中各电容均选为0.1uF 已经可以满足电路的设计要求。而电感L 原本也应尽可能大，但L 大后，体积大，分布电容大，L 过小，回路的品质因数过小，因此应该合理选择L 的大小。根据此次设计的要求，输出频率为8MHz ，由计算公式

（式中L=L1+L2+2M,M 为L1和L2之间的互感）以及反馈系数22

0.1~0.5

11L M L F L M L +=≈=+的要求，按照图3.2中所示选取L1=2.2uH,L2=0.5uH 应该能够满足设计的要求。

3.4 射极跟随器模块分析

相对前面介绍的振荡电路模块而言，射极跟随器模块就显得非常简单了，它是有一个反馈电阻和一个晶体三极管共同组成，如图所示。三极管在电路中基本上不会对输入的信号产生太大的影响，也不会对电路输出的振荡信号起多大的放大作用，其主要功能就是构成射极跟随器，提高电路的带负载能力。

图射极跟随器模块原理图

4 仿真与制作

4.1仿真

在课程设计中，使用的仿真软件为multisim9.0。该软件提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路图和文件管理功能。能够让使用者全面的收集电路的相关数据，进而有助于对电路进行改进。

仿真电路如图：

取电感L1，L2的值为0.33UH 0.1UH,只要开环增益A>1,即可起振。若使振荡频率

f=8MHz，有公式ω=1/LC得，此时电感C=800PF。

为保证三极管能够正常放大，要合理设置静态偏置，取R1=10kΩ，R2=100 kΩ，Vb=R2/（R1+R2）,Ve=Vb-0.7,Ve=5V,Ve>Vb>Vc,发射级正偏，集电极反偏，三极管处于放大区。

为了防止高频信号干扰直流电源，故接一滤波电容C5以消除影响。

由于频率较高，如果在输出端直接接示波器，由于示波器电容的影响，振荡回路频率将发生变化。为了减少示波器对振荡回路的影响，故加入射级跟随器。

旁路电容C4、C6均取0.1uf，起到隔直通交的作用

仿真示波器显示如图：

4.2分析调试

由仿真波形可见，电感电感三点式振荡器存在一定的失真，这是由其本身的缺点造成的。

由于晶体管存在极间电容，对电感反馈振荡器，极间电容与回路电感并联，在频率高时极间电容影响大，有可能使电抗的性质改变，电感反馈振荡器的工作频率不能过高；电容反馈振荡器，其极间电容与回路电容并联，不存在电抗性质改变的问题，工作频率可以较高。

振荡器在稳定振荡时，晶体管工作在非线性状态，在回路中除有基波电压外还存在少量谐波电压（其大小与回路Q值有关）。对电容反馈振荡器，由于反馈是由电容产生的，所以高次谐波在电容上产生的反馈压降较小；而对电感反馈振荡器，反馈是由电感产生的，所以高次谐波在电感上产生的反馈压降较大，因此电容反馈振荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好。[5]

改变电容能够调整振荡器的工作频率。电容反馈振荡器在改变频率时，反馈系数也将改变，会影响振荡器的振幅起振条件，故电容反馈振荡器一般工作在固定频率；电感反馈振荡器在改变频率时，并不影响反馈系数，工作频带较电容反馈振荡器的宽。但电感反馈振荡器的工作频带不会很宽，因为改变频率将改变回路的谐振阻抗，可能使振荡器停振。

5心得体会

通过本次课程设计，我们从中学到很多东西，提高了我们的逻辑思维能力，使我们在高频电路的分析与设计上有了很大的进步。我们对晶体管放大电路与振荡电路有了进一步理解与认识；对一些元器件的功能以及使用方法有了硬的了解。尤其是正弦波振荡器和LC 振荡器，还有高频电感三点式正弦波振荡器。电路设计过程中查找资料很重要，不仅应用到课本中所学习的内容还涉及到一些课外知识。所以在课设期间不要局限于课上所学的理论知识，还要拓宽自己的知识范围，并积极与同组者进行讨论，得出大家认为最为适当的电路设计。在画图过程中要注意元器件的选择根据实验要求选择元器件，并按要求设定元器件的参数。本次课设让我们意识到理论知识运用到实际操作中的重要性，光理解理论知识是没有用的。要学会理论实际相结合。

在之后的收音机制作过程中要注意元器件焊接时要注意焊点的焊法，不要有虚焊，在使用焊铁时注意安全不要烫伤自己或他人，虽然我们对于焊铁并不陌生，但在使用上还是不恩给你很利落的完成，总会焊点相连或者虚焊的问题出现。在收音机调试过程中不少同学都是因为有虚焊导致收音机不能正常工作，在检查后顺利完成收音机的制作。

参考文献

1、《高频电子线路》王卫东电子工业出版社 2009.3

2、《基于Multisim2001的电子电路计算机仿真设计与分析》黄智伟电子工业出版社2004.7

3、《Multisim 9在电工电子技术中的应用》董玉冰清华大学出版社 2008.11