LC正弦波振荡器设计

通信基本电路课程设计报告

设计题目：  LC正弦波振荡器设计

专业班级   电信10-03    

学    号   311008001022 

学生姓名    王勇         

指导教师     高娜          

教师评分                 

20##年12月4日

目   录

第一章  设计任务与要求.................................... 3

1.1. 设计任务............................................... 3

1.2. 设计要求............................................... 3

第二章  总体方案........................................... 3

2.1振荡器的选择............................................. 3

2.2信号输出波形的仿真选择................................... 4

第三章 电路工作原理........................................ 4

3.1 LC三点式振荡组成原理图.................................. 4

3.2 起振条件................................................ 5

3.3 频率稳定度..............................................5

3.4 总原理图................................................ 6

3.5 LC振荡模块设计.......................................... 7

第四章 电路制作和调试..................................... 12

4.1元器清单................................................ 12

4.2 按设计电路安装元器件................................... 14

4.3 测试点选择............................................. 14

4.4调试....................................................14

4.5 实验结果与分析......................................... 15

4.6频率稳定度.............................................. 16

第五章 总结............................................... 16

第六章 参考文献........................................... 17

第一章   设计任务与要求

1.1 设计任务

(1).熟悉LC正弦波振荡器的工作原理，以及示波器的原理及用法。

(2).掌握LC正弦波振荡器的基本设计方法。

(3).理解LC正弦波振荡回路并掌握LC振荡器的设计，装载，调试，及其主要性能参数的测试方法和如何选择电路的测试点。

(4).了解外界因素、元件参数对振荡器工作稳定性及频率稳定度的影响情，以便提高振荡器的性能。

1.2 设计要求

(1).设计一个LC正弦波频振荡器。

(2).利用三端式振荡器原理产生正弦波信号，采用的具体电路不限。要求给出所选电路的优点和缺点并通过测量值进行证明。也可以进行不同三端式振荡器的性能比较。  

(3).了解电路分布参数的影响及如何正确选择电路的静态工作点。

(4).电路的基本原理，LC正弦波振荡器是各种接收机和发射机中一种常见的电路，常用作载波振荡、本振混频振荡等。其典型形式为“三点式”振荡电路，其电路简单、频率稳定度高，它的工作原理是在正反馈的基础上，将直流电源提供的能量变成正弦交流输出。

(5).选择所需的方案，画出有关的电路原理图。

第二章   总体方案

2.1振荡器的选择

LC振荡器的电路种类比较多，根据不同的反馈方式，又可分为互感反馈振荡器，电感反馈三点式振荡器，电容反馈三点式振荡器，其中互感反馈易于起振，但稳定性差，适用于低频，而电容反馈三点式振荡器稳定性好，输出波形理想，振荡频率可以做得较高。所以选择电容反馈三点式振荡器是不容置疑的，而电容反馈三点式振荡器又分为考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器。LC振荡器是一种能量转换器，由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络及反馈网络组成，其框图如图1所示。

                        图1 振荡器框图

2.2信号输出波形的仿真选择

方案一：三种振荡器输出信号波形全部用Multisim仿真软件得出。

方案二：考毕兹振荡器的输出波形由仿真软件得出，其余两种振荡器由计算得出频率，画出相应的波形。

经比较用仿真软件得出的波形比较直观简单而且准确，即选择方案一。

第三章   电路工作原理

3.1 LC三点式振荡组成原理图

其振荡频率f=。当 和为容性，为感性时称为电容反馈振荡器，其中C=；当 和为感性，为容性时称为电容反馈振荡器，其中 L=+ . 

3.2 起振条件

X1，X2必须是同性质的电抗，X3必须是异性质电抗，并且必须满足下面的关系：

X3= —（X1+X2）

根据起振条件，可以推导出三极管的跨导gm应满足下面的不等式：

          

上式中：

 = X2/ X1   ——反馈系数

g1 ——为三极管b—e间的输入电导

g0 ——为三极管c—e间的输出电导

——为三极管c—e间的负载电导和回路损耗电导之和。

上式表明，起振时gm与、 g0、g1、等有关。若管子参数和负载确定后，大小应合适，否则不易满足起振条件。另外，还必须考虑到频率稳定度和振荡幅度等要求。

3.3 频率稳定度

频率稳定度是表示在一定时间范围内或一定的温度、电压等变化范围内振荡频率的相对变化程度。若频率相对变化越小，就表明振荡频率稳定度越高，否则稳定度就差。

由上述讨论知道，因为振荡回路元件是决定频率的主要因素，所以要提高频率稳定度，就是要设法提高振荡回路的标准性。因此除了采用高稳定和高(因为值越大相频特性曲线在附近的斜率越大，选频特性就越好)的回路电容及电感外，还可以采用负温度系数元件实现温度补偿，或采用部分接入，以减小管子极间电容和分布电容对振荡回路频率的影响。

由分析和实验知道，谐振回路的标准性和值都不高，频率稳定度不高于数量级，而石英晶体标准性值都很高，接入系数也很小。频率稳定度可达数量级。

3.4 总原理图

                                图2 考毕兹振荡器

              

                           图3 克拉泼振荡器

             

                                  图4 西勒振荡器^[1]

 

3.5 LC振荡模块设计

LC振荡电路采用三点式振荡，电容反馈三点式振荡器又分为考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器。

 方案一：考毕兹振荡器

图4 考毕兹振荡器

             

                         图3 考毕兹振荡器输出信号波形

理论计算振荡器的频率为

f7MHz

观察到的振荡波形如图3所示，从波形看出其震荡极不稳定，测试其波形频率为

f=6.5MHz

调解C1C2改变频率时，反馈系数也改变。

方案二：克拉泼振荡器

克拉泼振荡器其振荡频率为f=，式中C=，此电路的频率稳定度较好，但在振荡范围较宽时，输出幅度不均匀，且频率升高后不易起振，其主要用于固定频率或波段范围较窄的场合。电容三点式改进型“克拉泼振荡器”如图4所示。

                           图4 克拉泼振荡器

克拉泼振荡器的频率为

                f= （CC,CC）

电路中C3为可变电容，调整它即可在一定范围内调整期振荡频率。

输出信号的幅值、频率等用时时监测法测试，调整C3观测震荡信号的波形和频率变化。观察到的振荡波形如图5所示：

                       

图5 克拉泼振荡器输出信号波形

方案三：西勒振荡器

西勒振荡器其振荡频率为f=，式中C=+，这种振荡器较易起振，振荡频率也较为稳定，波形失真较小，当参数设置得当时，其频率覆盖系数较大。电容三点式的改进型“西勒振荡器”如图6所示。

   图6 西勒振荡器

其振荡器的频率为

               f=  (CC,CC)

输出信号的幅值、频率等用实时监测法测试，调整C6、C3观测震荡信号的波形和频率变化。

                            图7西勒振荡器输出波形

基于以上分析，西勒振荡器输出波形较好故选用方案三。

第四章 电路制作和调试           

4.1元件清单

高频信号发生器           QF1055A         1台

数字示波器               TDS210          1台

频率特性测试仪           BT-3C           1台

数字万用表               M300817         1台

直流稳压电源             HY1711-2        1台

超高频毫伏表             DA22A         

4.2 按设计电路安装元器件

由于调频振荡器的工作频率较高，晶体管的结电容、引线电感、分布电容及测量仪器对电路的性能影响均不能忽略。因此，在电路装调及测试时应尽量减小这分布参数的影响。

安装时应合理布局，减小分布参数的影响。电路元件不要排得太松，引线尽量不要平行，否则会在元件或引线之间产生一点的分布参数，引起寄生反馈。多级放大器应排成一条直线，尽量减小未级和前级之间的耦合。地线应尽可能粗，以减小分布电感引起的高频损耗，制印刷电路板时，地线的面积应尽量大。为减小电源内阻形成的寄生反馈，应采用滤波电容(C)及滤波电感（L）组成的（∏）型或（T）型滤波电路，一般（L）为几十微亨至几百微亨，（C）为几百皮法至几十千皮法。

4.3 测试点选择

正确选择测试点，减小仪器对被测电路的影响。在高频情况下，测量仪器的输入阻抗（包含电阻和电容）及连接电缆的分布参数都有可能影响被测电路的谐振频率及谐振回路的Q值，为尽量减小这种影响，应正确选择测试点，使仪器的输入阻抗远大于电路测试点的输出阻抗。对于图2所示电路，高频电压表接于C点，示波器接于E点，数字频率计接于A点，（C4）的值要小，以减小数字频率计的输入阻抗对谐振回路的影响。所有测量仪器如高频电压表，示波器，扫描仪，数字频率计等的地线及输入电缆的地线都要与被测电路的地线连接好，接线尽量短。

4.4 调试

一般高频电路的实验板应为印刷电路板，以保证元器件可靠焊接及连接导线固定，使电路的分布参数基本固定。高频电路的调试方法与低频电路的调试方法基本相同，也是先调整静态工作点，然后观测动态波形并测量电路的性能参数。所不同的是按照理论公式计算的电路参数与实际参数可能相差较大，电路的调试要复杂一些。

振荡电路接通电源后，有时不起振，或者在外界信号强烈触发下才起振（硬激励），在波段振荡器中有时只在某一频段振荡，而在另一频段不振荡等。所有这些现象无非是没有满足相位平衡条件或振幅平衡条件。如果在全波段内不振荡，首先要看相位平衡条件是否满足。对三端振荡电路要看是否满足对应的相位平衡判断标准。此外，还要在振幅平衡条件所包含的各种因素中找原因。

4.5 实验结果与分析

1.静态工作点选的太小，电源电压过底，使振荡管放大倍数太小。

2.负载太重，振荡管与回路间耦合过紧，回路Q值太低。

3.回路特性阻抗ρ或介入系数pce太小，使回路谐振阻抗RO太低。

4.反馈系数kf太小，不易满足振幅平衡条件。但kf并非越大越好，应适当选取。

5.有时在某一频段内高频端起振，而低频端不起振，这多半是在用调整回路电容来改变振荡频率的电路中，低端由于C增大而L/C下降，致使写真阻抗降低所起。反之，有时低端振高端不振，原因可能有：

（1）选用晶体管fT不够高。

（2）管的电流放大倍数β太小。

（3）低端已处于起振的临界边缘状态，在高频工作时晶体管输入电容CBE的作用使反馈减弱，或者是由于CB’E的反馈作用显著等。

4.6频率稳定度

  

LC谐振回路的标准性和Q值都不高，频率稳定度不高于数量级，而石英晶体标准性Q值都很高，接入系数也很小。频率稳定度可达。

第五章  总结

此次课程设计主要针对各种电容反馈三点式电路提出自己的设计方案，并利用仿真软件Multisim来实现自己的设计电路图。设计中用到了考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器电路等在高频电子线路课程中学到的知识。由于对所学电路不熟悉，导致在设计的过程中无法画出正确的电路图，算不出电路中元器件的参数，使得在设计过程中绕了许多弯路，做了许多的无用功。但在室友们的帮助下，再加上自己不断的查找相关资料，利用图书馆和网络，最终克服了所有困难。同时也巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

第六章  参考文献

参考文献

[1]张肃文.《高频电子线路》.西安交通大学出版社.2008.