高频自己震荡器课程设计.docx

职业技术学院 课程设计报告课程名称： 高频电子线路 专业班级： 信工112 姓 名： 周炎 学 号： 20110311230 学 期： 2013~2014第一学期目录 一 、课程设计目的 2二、课程设计题目描述和要求 2三、课程设计报告内容 2四、结论 21五、结束语 22六、参考书目 22七、附录：(源程序清单) 22一 、课程设计目的设计一个石英晶体自激震荡器和一个电容式三端自激震荡器二、课程设计题目描述和要求2.1 课程设计题目描述本次设计采用正弦波发生电路,正弦波发生电路通常称为正弦波振荡器是模拟电子电路的一种重要形式特点是不需要外加任何输入信号就能根据要求而输出特定频率的正弦波信号这种特点称为“自激振荡”波形发生电路是非常典型的正反馈放大电路与放大器一样,震荡器也是一种能量转换器,但不同的是振荡器无需外部激励就能自动地将直流电源提供的功率转换为指定的频率和振幅的交流信号功率输出振荡器一般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。

2.2 课程设计要求1)设计要求：设计一个晶振振荡器主要技术指标：晶振频率为20MHz, 输出信号幅度≥5V(峰—峰值)，可调2)设计要求：设计一个电容三点式振荡器主要技术指标：振荡频率15-20MHz, 输出信号幅度≥5(峰—峰值)，可调；频率稳定度优于10-4三、课程设计报告内容3.1 设计方案的论证：1.产生自激振荡的条件1）平衡条件假设图示电路中：先通过输入一个正弦波信号，产生一个输出信号，此时，以极快的速 图1度使输出信号，通过反馈网络送到输入端，且使反馈信号与原输入信号“一模一样”，同时切断原输入信号，由于放大器本身不能识别此时的输入究竟来自信号源，还是来自本身的输出，既然切换前后的输入信号“一模一样”，放大器就一视同仁地给予放大，形成：输出→反馈→输入→放大→输出→反馈→……；这是一个循环往复的过程，放大器就构成了一个“自给自足”的自激振荡器上述假设指出：只有反馈到输入端的信号与原输入信号“一模一样”才能产生自激振荡，“一模一样”就是自激振荡的条件——亦称平衡条件也即：Xf=Xi'Xi'=Xf 因为是正弦波，而描述正弦波的三要素是：振幅、频率和相位。

振幅相等；相位相同（若相位总相同，则频率和初相一定都相等）因为自激振荡是一个正反馈放大器，故可用反馈的概念来描述振荡条件当 时 由于 和 都是复数 此式要成立，则必有 ， （ ） ∴ 振幅平衡条件 （ ）相位平衡条件 2）起振条件起振的最初来源是振荡器在接通电源不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等，例如：在加电时晶体管电流由零突然增加，突变的电流包含有很宽的频谱分量，在他们通过负载电路时，由谐振回路的性质即只有频率等于回路谐振频率的分量可以产生较大的输出电压，而其他频率成分不会产生压降，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较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入，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，输出电压的振幅U0较小，经过不断放大，反馈循环，输出幅度U0逐渐增大，否则输出信号幅度过小，没任何价值。

为了使振荡过程中输出幅度不增加，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T(jw)>1称为自激振荡的起振条件也可写为|T(jw)|=YfRLF'>1 φT=φf+φL+φF'=2nπ n=0,1,2,…上式分别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3） 稳定条件处于平衡状态的振荡器应考虑其工作稳定性，这是因为振荡器在工作过程不可避免地要受到外界各种因素的影响，如温度改变，电源电压的波动等等，这些变化将使放大器放大器啊倍数和反馈系数改变，破坏了原来的平衡状态，对振荡器的正常工作将会产生影响如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能在原平衡点附近建立起新的平衡状态，而且当外界因素消失后，振荡器能自动回到原来平衡状态，则原来平衡点是稳定的；否则平衡点为不稳定振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件要使振荡稳定，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既是，在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益的模值T应减小，形成减幅振荡，从而阻止振幅的增大，达到新的平衡，并保证新平衡点在原平衡点附近，否则，若振幅增大,T也增大, 则振幅将持续增大,远离元原平衡点,不能形成新的平衡,振荡器不稳定；而当不稳定因素使振幅减小时，T应增大，形成增幅振荡，阻止振幅的减小，再远平衡点附近建立起新的平衡，否则振荡器将是不稳定的。

因此振幅稳定条件为 ∂T∂Ui u i = u iA<0由于反馈网络为线性网络，即反馈系数大小F不随输入信号改变，故振荡器条件又可写为 ∂K∂Ui u i = u iA <0式中K为放大器增益大小由于放大器的非线性，只要电路设计合理，振幅稳定一般很容易满足若振荡器采用自偏压电路，并工作到截止状态，其|∂K/∂U i|大，振荡稳定性好再解释振荡器的相位稳定性前，我们必须清楚，一个正弦信号的相位φ和它的频率W之间的关系W= dφdtφ=wdt可见，相位的变化必然要引起频率的变化，频率的变化也必然要引起相位的变化设振荡器原在w=w1时处于相位平衡状态，即有φLw1+φf+φF'=0, 现因外界原因使振荡的反馈电压Ub'的相位超前原输入信号Ub 由于反馈相位提前（既每一周期中Ub'的相位均超前Ub ），振荡周期要缩短，振荡频率要提高，比如提高到W2,W2>W1当外界因素消失后 图2显然W2处不满足相位平衡条件，这时，φf+φF'不变，但由于W2>W1，φL要下降，即这时Ub'相对于Ub 的幅角 φLw1+φf+φF'<0这表示Ub'落后于Ub ，导致振荡周期增长，振荡频率降低，即又恢复到原来的振荡频率w1。

上述相位稳定是靠w增加，φL降低来实现的，即并联振荡回路的相位特性保证了相位稳定因此相位稳定条件为 ∂φL∂w w = w1<0回路Q值越高，∂φL∂w值越大，其相位稳定性越好2.电容反馈式三端振荡器 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  根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性, 因而有 即一般情况下, 回路Q值很高, 因此回路电流远大于晶体管的基极电流 İb 、集电极电流İ c以及发射极电流İe, 故由图有 图3因此X1、 X2应为同性质的电抗元件即构成原则为：射同余异三端式振荡器有两种基本电路, 如图所示 图(a)中X1和X2为容性, X3为感性, 满足三端式振荡器的组成原则, 反馈网络是由电容元件完成的, 称为电容反馈振荡器, 也称为考必兹(Colpitts)振荡器图(b)为电感反馈振荡器,也称为哈特雷(Hartley)振荡器 图41）三端电容反馈振荡器 图 4 - 8(a)是一电容反馈振荡器的实际电路, 将 视为开路将 视为短路图，则是其交流等效电路如图(b)。

图5振荡频率：高Q时与电感三端震荡电路想比，电容三端振荡器的优点是输出波形较好，这是因为集电极和基极电流可通过对谐波为低阻抗的电容支路回到发射极，所以高次谐波的反馈减弱，输出的谐波分量减少，波形更加接近于正弦波其次，该电路中的不稳定电容（分布电容、器件的结电容等）都是与该电路并联的，因此适当的加大回路电容量，就可以减弱不稳定因素对振荡器的影响，从而提高了频率稳定度最后，当工作频率较高时，甚至可以只利用器件的输入和输出电容作为回路电容因而本电路适用于较高的工作频率这种电路的缺点是:调 或 来改变震荡频率时，反馈系数也将改变但只要在L两端并上一个可变电容器，并令 与 为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数2）改进型电容三点式(1)如图是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路图6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先不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量CΣ为C1、C2 和C3的串联，即 于是，振荡频率为 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。

2)西勒电路是在克拉泼电路的L两端并联上一个电容得到的，有效的改善了克拉泼电路可调范围小的缺点，电路图如图所示：图7 所以振荡频率该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，频率调节方便，适合做波段振荡器通过对以上的几种电路的分析，可以看出：1. 电感反馈式三端振荡器：容易起振，调频方便，但波形失真较大；2. 电容反馈式三端振荡器：波形好，频率稳定性好，但调频不方便；3. 克拉泼振荡器：调频方便但可调范围小；4. 西勒振荡器：频率稳定性高，振幅稳定，调频方便 所以，在本设计中拟采用并联改进型的西勒电路振荡器3.石英晶体振荡器a. 主要成分： 天然的石英晶体有六个侧面，呈六棱双角锥形经过适当的切割，可获得石英晶体薄片——晶片不同切向得到的晶片特性不同——固有谐振频率不同b. 主要特性：压电效应①在晶片上加电场，晶片会产生机械变形，加交变电场，晶片会产生机械变形振动——机械振荡，同时，它的机械振荡又会产生交变电场换句话说，晶片能实现电能和机械能的相互转换这种能量转换的过程与LC并联谐振回路中：电感的磁场能与电容的电场能相互转换的情况相类似晶片的这种物理特征称为“压电效应”。

②当外加交变电压的频率等于晶片的固有频率时，石英晶体振荡的振幅会突然增加，晶体呈现出纯电阻性质，损耗极小，Q值极高，这种现象称为“压电谐振”，所以石英晶体实际上是一种电——机械的谐振子c. 电路符号及等效电路电路符号： 中间表示石英晶片，晶片表面镀一层金属膜，焊上金属电极其等效电路分为静态等效电路和动态等效电。