高频信号发生器(西勒振荡)

摘要本报告主要介绍了高频信号发生器的设计与制作。高频信号发生器主要用来向各种电子设备和电路提供高频能量或高频标准信号，以便测试各种电子设备和电路的电气特性，应用广泛。高频信号发生器主要是产生高频正弦震荡波，故电路主要是由高频振荡电路构成。振荡器的功能是产生标准的信号源。正弦波振荡器是以放大器为基础再加正反馈网络组成的，也可以看作是由放大电路、选频网络和反馈网络三部分所组成的。根据本次题目要求，本次方案主要设计制作完成一路正弦波信号输出的高频振荡器，介绍了设计步骤，比较了各种设计方案的优缺点，总结了不同振荡器的性能特征。基本完成实现了设计目标。关键词：高频信号发生器 、高频振荡器 、 放大网络、选频网络AbstractThis report mainly describes the design and fabrication of high frequency signal generator.High frequency signal generator is mainly used to all kinds of electronic equipment and circuit with high frequency energy or standard signal, in order to test various electronic equipment and circuit of electric properties, is widely used.The high frequency signal generator is mainly produces high frequency sinusoidal vibration waves, so the circuit is mainly composed of a high frequency oscillating circuit.The oscillator is function of standard signal source.Sine wave oscillator is coupled with positive feedback amplifier based network composition, can also be viewed as the amplifying circuit, a frequency selecting network and feedback network which consists of three parts.According to the topic request, this scheme is designed to complete a sine-wave signal output from the high frequency oscillator, introduces the design steps, compares the advantages and disadvantages of various design schemes, summarizes the characteristics of different oscillator.Basically completed to achieve the design goal.Keywords：High frequency signal generator, A high-frequency oscillator, amplifier, A frequency selecting network network1 引言设计并制作一台高频函数信号发生器完成以下几项要求（1）制作完成一路正弦波信号输出，频率围6MHz7MHz；（2）输出信号频率稳定度优于10-4，用示波器观察时无明显失真；（3）输出电压幅度：电压峰-峰值Vopp1V；2 总体方案设计2.1方案设计思路高频函数信号发生器输出正弦波信号的方法有数字方法和模拟方法，数字方法是通过数字电路产生方波，再通过滤波输出正弦波。而模拟方法是通过振荡电路输出正弦波信号。考虑到题目要求本次方案选用的是模拟方法输出正弦波较合适。而在模拟电路振荡器中有LC振荡器、RC振荡器、石英振荡器三种方案可供选择。经分析，RC正弦波振荡器频率在1Hz-1MHz围，不符合设计要求。石英正弦波振荡器因其频率不可调同样不可取。所以本方案选择LC正弦波振荡器，基本符合设计要求。LC正弦波振荡器有三种振荡器，分别为考毕兹振荡器、克拉泼振荡器、西勒振荡器。下面对这三份方案分别进行论证并比较。2.2方案比较与论证2.2.1电容三点式振荡器电容三点式振荡器电路图如图1所示。图1电容三点式振荡器电路理论计算振荡器的频率为：其波形震荡极不稳定，波形频率约为6.5MHz调节改变频率时，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，不适合本题所选振荡器要求。2.2.2 克拉泼振荡器克拉泼振荡器电路图如图2所示图2 克拉泼振荡电路 因为C6为可调电容远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C6。电路的振荡频率为：缺点是克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4； 为此，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器 ，不适合作为本题振荡器。2.2.3西勒振荡器西勒振荡器电路图如图3所示：图3 西勒振荡器电路电路特点是振荡频率的稳定度高，调整围大。电路的振荡频率为： 优点：1.振荡幅度比较稳定； 2.振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8。 输出信号的幅值、频率等用实时监测法测试，信号波形如图4所示，调整C5观测震荡信号的波形和频率变化。图 4西勒振荡器输出信号波形方案选择：从以上的讨论，分析不同振荡电路的性能指标及电路复杂程度。采用西勒振荡电路，因为西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器的相同，由于改变频率主要通过C5完成的，C5的改变并不影响接入系数p，所以波段输出辅导较平稳。而且C5改变，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大，可达1.61.8。所以采用第三种设计方案完成设计任务。3 系统设计3.1整体框图 输出信号 放大电路反馈+选频网络图5 整体框图3.2 参数计算与元器件选择直流通路如右图所示，下面通过计算说明各个元器件值的选取。电源选取12V的是为了提供偏置电压。=，实测得,工程上一般取=（35）V,这里取=4V，。设静态工作点为（，）=（6V，2mA）因为,则。,，则=75K，又因为=，所以=50K，=25K， 故可得=1K。综上述计算可得=50K，=25K，=1K ，。图 图6直流通路交流通路如右图所示由电路知识可得 图7交流通路 由于题目要求频率围在6MHZ7MHZ，通过计算可以得出结论：左右。所以在选择时，前者采用47pf左右的瓷片电容，后者用一个30pf可调电容相匹配。 在本电路中的大小对电路性能有很大影响。因为频率是靠调节来改变的，所以不能选的过大，否则振荡频率主要由和L决定，因而限制频率调节的围。此外过大也不利于消除晶体管极间电容的影响。反之，如何选的过小，则使得振荡幅度比较小了。在这里通过不断试验我们选取52pF是比较合适的。在短波通信里常在20pF360pF围选取。我们这里选取的是425pF。对于和的选择由式知，而工程上反馈系数F取0.10.5。通过测试我们发现了和影响了起振时间，通过不断尝试我们发现=330pF，=1680pF的时候各项指标是最好的。L的选取有大致的标准，通常振荡频率为1MHZ时，L在10uH以上，10MHZ时L大于1uH，这里选取10uH。3.3 总体电路设计图8 总体电路图4 系统测试4.1测试条件表1 测试使用的仪器设备序号仪器名称仪器规格数量备注1数字示波器TDS2012 C0449551泰克科技（中国）2万用表DT9205A+1山创/H.NEYTEK室温环境下进行测试4.2硬件测试测量时间：2012年7月8日数据记录（室温下） 上午九点测量为：12345频率(MHz)5.7806.0816.5087.0467.320峰峰值（V）1.401.421.501.541.54下午三点测量为：123405频率(MHz)5.7616.0026.5107.0407.270峰峰值（V）1.481.461.581.6011.625 总结本设计系统经过多次测量，基本满足了设计要求所需的各项指标。故在系统设计过程中，力求硬件线路简单明了，整体美观，发挥硬件功能，来满足系统设计要求。但是因为时间没安排好，该系统还有许多不足之处还没改进，比如频率稳定度问题等，我们将在之后的培训中加以改进。在本次设计的过程中，我也遇到了许多突发事件和各种困难，如不起振，幅度达不到要求，输出波形上下不对称，但通过仔细分析和自我状态调整后解决了部分问题。在这个、过程中我们深刻地体会到学好专业课的重要性，提高了自己解决问题的能力的重要性。 6 参考文献1 华中理工大学电子学教研室编，康华光主编电子技术基础模拟部分M第4版：高等教育，1998：1972182电子线路设计实验测试 第三版，自美 主编，华中科技大学3高频电子线路实验与课程设计，翠娥主编，工程大学4高频电路设计与制作，何中庸译，科学5通信电子线路 主编：泉 ：理工大学7 附录附录1:问题修改记录问题修改记录序号问题、现象电路修改容结果1输出波形上下不对称（上胖下瘦）暂无暂无2在C4为68pF频率为6MHz时，幅度达不到1V不断更换C4电容直至52pF幅度满足要求3电路开始时不起振减小C2C3电路起振4静态工作点工作稳定度不好将前级电路中固定电阻改为100k可调电阻调节静态工作点波形较为稳定，无明显失真5元器件布局较为稀疏时，输出波形频率很不稳定在排版布局时尽可能将元器件紧凑一点减小外界干扰比较之下，紧凑的布局波形较稳定6附录2:元器件清单序号编号名称数量1R151k1只2R222k1只3R31k1只4R42.2k1只5R510k1只6R61k Key=A1只7C10.01uF1只8C210