改进型电容三点式振荡器要点文档格式.docx
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电气信息工程学院通信工程专业
前言
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者高频标准信号，以便测试各种电子设备和电路的电气特性。
高频信号发生器主要是产生高频正弦振荡波，振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。
为此，振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路，也是从事电子技术工作人员必须要熟练掌握的基本电路。
振荡器主要分为晶体振荡器和LC振荡器，LC振荡器中的基本电路就是通常所说的三端式振荡器，根据反馈网络由电容还是电感完成的分为电容反馈振荡器和电感反馈振荡器。
同时为了提高振荡器的稳定度，通过对电容三端式振荡器的改进可以得到克拉泼振荡器和西勒振荡器两种改进型的电容反馈振荡器。
高频电子元器件，高频集成电路的工艺技术指标有长足进步，并正在迅速的向多功能,高功率，模块化，可集成和可编程的方向发展，且计算机辅助设计技术，信号处理技术也广泛引入通信电路的设计中。
集成电路具有体积小、功耗低、可靠性高、性能好以及易于使系统整机实现少调整和不调整等优点，通信电路正迅速向急方向发展。
系统集成它改变了用通用元、器件组装电子系统的传统方法，而直接将系统制作在芯片上，从而大大促进了系统、电路与工艺的结合。
正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。
基于频率稳定度、反馈系数、输出波形、起振等因素的综合考虑，此次采用的是电容三点式振荡器的两种改进型振荡器之一的西勒振荡器，其具有输出波形好、工作频率高、改变电容调节频率时不影响反馈系数等优点，适用于宽波段、频率可调的场合。
西勒振荡器由起能量控制作用的放大器、将输出信号送回到输入端的正反馈网络以及决定振荡频率的选频网络组成。
但没有输入激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替。
当振荡器接通电源后，即开始有瞬变电流产生，经不断地对它进行放大、选频、反馈、再放大等多次循环，最终形成自激振荡，把输出信号的一部分再回送到输入端做输入信号，从而就会产生一定频率的正弦波信号输出。
1振荡器的基本原理及其电路
1.1振荡器的介绍
在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有在没有激励信号的情况下产生周期性振荡信号的电子线路，这种电子线路就是振荡器。
振荡器是一种能量转换器，它不需要外部激励就能自动地将直流电源共给的功率转换为制定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某种具有选频能力的无源网络组成。
振荡器的种类很多，根据工作原理可分为反馈型振荡器和负阻型振荡器，根据所产生的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器；
根据选频网络可分为LC振荡器﹑晶体振荡器﹑RC振荡器等。
1.2振荡器的基本原理
振荡器LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接构成的电路即为三端式振荡器，其示意图如下图所示
图1一般的三点式振荡器
三点式LC正弦波振荡器的组成法则是：
与晶体管发射极相连的两个电抗元件应为同性质的电抗，而与晶体管集电极—基极相连的电抗元件应与前者性质相反。
也就是说上图中
、
与
的性质必须相反振荡器才能起振。
设：
为纯电抗元件
负号表示产生180o相移与Vbe和E间的180o相移合成.为360o相移，满足正反馈条件。
为此，Xce、Xeb必为同名电抗，而Xcb须是Xce与Xeb的异名电抗。
1.3电容三点式振荡器
电容三点式的原理示意图如下图所示
图2电容三点式振荡器
由图可见：
与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；
与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的班别准则为，该电路满足相位条件。
其工作过程是：
振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号。
振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐振频率相等是，电路产生谐振。
虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。
当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器倍数减小，最后达到平衡，此时振荡幅度不再增大。
于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于是得到单一频率的振荡信号输出。
该振荡器的振荡频率为：
，反馈系数F为：
，若要它产生正弦波，满足F=1/2~1/8,太小或者太大均不容易起振。
一个实际的振荡电路，在F确定后，其振幅增加的主要是靠提高振荡管的静态电流值。
但是如果静态电流值取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真。
严重时，甚至使振荡器停振。
所以在实用中，静态电流值一般取Ico=0.5mA~4mA。
电容三点式的优点是振荡波形好；
电路的频率稳定度高，工作频率可以做得较高，达到几十赫兹到几百赫兹的甚高波段范围。
电路缺点是若调用C1或C2改变振荡回路的工作频率，反馈系数也将改变使振荡器的频率稳定度不高。
2改进型电容三点式振荡电路设计
改进型的电容三点式分为两种：
克拉泼振荡器、西勒振荡器。
2.1克拉泼振荡器
电容三点式改进型克拉泼振荡器如下图所示
图3克拉泼振荡器电路图
电路的特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C5，串联于电感L的支路上。
其作用是增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。
使振荡频率的稳定度得到提高。
因为C5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C3。
电路的振荡频率为：
与基本电容三点式振荡电路相比，在电感L支路上串联一个电容后有以下特点：
1.振荡频率可改变不会影响反馈系数；
2.振荡幅度比较稳定；
3.电路中的C5为可变电容，调整它即可以在一定范围内调整振荡频率。
但是C5不能太小否则会导致停振，所以克拉破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做固定频率振荡器。
2.2西勒振荡器
电容三点式改进型西勒振荡器如下图所示:
图4西勒振荡器电路图
电路的特点是字克拉泼电路的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。
作用是保持了晶体管与振荡回路弱耦合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。
西勒振荡电路有以下特点：
振荡幅度比较稳定；
振荡频率可以较高；
频率覆盖率较大，可达1.6~1.8，因而在一些短波超、短波通信机，电视接收机中用的较多。
该电路振幅起振条件：
该电路相位起振条件：
振幅平衡条件：
相位平衡条件：
放大器电路由晶体三极管2N222、滤波电容、高频旁置电容、集电极旁置电阻R1、基极旁置电阻R2、R3、射极旁置电阻R5组成。
放大器可选用如电子管、晶体管等，本设计采用晶体三极管2N222作为能量控制的放大器。
选频网络用来决定振荡频率，本设计采用LC并联谐振回路，由C2、C3、C4、L、C5组成，要求C2，C3>
>
C4，C5。
反馈网络是将输出信号送回到输入端的电容分压式正反馈网络，C3和晶体管构成正反馈。
3改进型电容三点式电路设计
3.1改进型电路选择
不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路称为振荡器。
按照产生的波形，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性的器件构成的振荡器，在这种电路中，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，有与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
西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器相同。
西勒振荡器的频率改变主要通过改变C4完成，C4的改变并不影响接入系数p，因而波段内输出较平稳。
而C4改变，频率变化较明显，使得西勒振荡器的频率覆盖系数较大。
本次课设选择西勒振荡电路作为正弦波发生电路。
4.2电路原理图设计
电路原理图如下图所示
图5改进型电容三点式振荡器原理图
3.2电路结构
上图中的电路主要由3部分构成：
1.起能量放大作用的三极管放大器；
2.三点式回路组成的正反馈网络；
3.射极跟随器构成的缓冲级。
3.3静态工作点设置
合理选择振荡器的静态工作点对振荡器的起振、工作的稳定性和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至区的地方。
根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8mA~4mA之间选取，故本实验电路中：
选择ICQ=1.5mA,
=0.5V，
=40
则
为提高电路的稳定性
值适当增大，取
=1
，则
=2
又
取流过Rb2的电流为10mA，则
取4
可取
=5
，这样额定电流是2mA,满足任务要求。
4.3.振荡回路元件确定
回路中的电抗元件分为电容C和电感L两部分。
通常满足接入系数C2/C3不能过大或者过小，否则不容易起振，一般适宜1/8~1/2。
振荡器工作频率为：
当f0=6MHz,L=10uH
本电路中，回路谐振频率f0主要C4和C5决定，即
取C4=30pf,C5为100pf可调电容，因为要遵循C2,C3》C4,C5，C2/C3=1/8~1/2的条件，故取C2=120pf，c3=560pf。
4Mutisim10系统仿真和调试
4.1仿真软件介绍
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
4.2系统仿真实现
在Multisim软件中绘制改进型电容三点式
振荡器的电路图，并更改好各元件数值连接好虚拟示波器和频率计，如下图所示：
图6Multisim10绘制的系统电路图
其中起振电路示波器XSC2显示波形如图所示：
图7三点式振荡器的输出波形
由图可见振荡器输出波形比较理想，输出频率接近6MHz。
为满足任务要求加上100Ω的负载，在振荡器后接上射极跟随器以达到放大输出信号和减小输出内阻的目的，使其能够驱动100Ω的负载。
加上100Ω的负载后输出波形如下图所示：
图8加载100Ω负载后的波形输出
5总结
5.1设计小结
由加载100Ω负载的仿真结果，可以看出波形输出器的波形输出大体保持了原有波形，波形基本上为正弦波，基本上无失真，所以波形的失真应与缓冲器有关，可见单一的射极跟随器无法完整的保持波形不变。
由图可知加载100Ω负载后输出电压大于1V，满足任务需求。
且通过调节C5可以改变输出频率，使其输出范围在6MHz左右变化，满足了设计任务的需求。
5.2设计体会
高频电子线路的课程设计看似简单，实际深究起来却相当复杂。
本次选题的三点式看似十分简单，然而缓冲级的设计却有很大的拓展空间。
在这方面，参考资料显得十分重要。
课本上只是简单的介绍西勒振荡器的基本原理，而跟多的任务要求实现需要我们去查阅资料和联系各个知识点。
通过这次设计我对各种元件的识别和测试有了更深的了解，对以前很少接触的电感元件的色环识别也有了一定的认识。
对课本中寥寥页的三点式正弦波振荡器工作原理和相关参数的关系也有了进一步的了解。
在此次课设过程中，我深刻地感受到了自己理论知识的有限和自身的不足，并且学会了对资料的取舍和分析。
在整个课设过程中，同学之间相互经验的借鉴也十分重要，往往也是成功的突破口。
总之，通过这次课设我学习到了如何解决高频线路中的相关困难，更进一步地熟悉了晶体管的应用和具体使用方法，增强了对实验的思考能力，培养了我细心的科学态度和不厌其烦的耐心。
同时本次课设也暴露了我的很多不足，在今后的学习中，我将进一步发扬优点，克服缺点。
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，对于通信工程的我们更是如此，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.模拟电子技术基础.清华大学出版社，2009
[2]谢家奎．电子线路非线性部分．高等教育出版社，2010
[3]熊伟.Mutisim7电路设计及仿真应用.清华大学出版社，2005
[4]黄志伟.基于Multisim2001电子电路计算机仿真设计与分析.电子工业出版社，2004
[5]康华光.电子技术基础模拟部分.高等教育出版社,2005
附录
器件清单
元器件
参数
数量
电容
30pF
1
120pF
瓷片电容
10uF
2
电感
10uH
三极管
2N2222
2N222A.
电阻
1kΩ..
7
30kΩ
100Ω
2kΩ.
4kΩ
5kΩ
560pF
指导教师评语
成绩
评定
指导教师签字：
年月日
答辩小组评语
答辩小组签字：
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