LC正弦波振荡器的设计.docx
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LC正弦波振荡器的设计
高频电子线路课程设计报告
题目:
LC正弦波振荡器的设计
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二〇一三年一月八日
摘要：
振荡器（英文：
oscillator）是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。
其构成的电路叫振荡电路，能将直流信号转换为具有一定频率的交流电信号输出。
振荡器的种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。
广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。
三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡
器。
三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合,可以克服互感耦合振
荡器振荡频率低的缺点,是一种广泛应用的振荡电路,其工作频率可达到几百兆赫。
本文将
围绕高频电感三点式正弦波振荡器进行具有具体功能的振荡器的理论分析与设计。
关键词：
高频三点式正弦波振荡器。
1系统方案设计
1.1设计说明及任务要求
1.1.1设计说明
1.1.1.1构成一个振荡器必须具备的条件
1.任何一个振荡回路，包含两个或两个以上储能元件。
在这两个储能元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。
接收和释放能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。
2.电路中必须要有一个能量来源，可以补充由振荡回路电阻所产生的损耗。
在电容三点式振荡器中，这些能量来源就是直流电源。
3.必须要有一个控制设备，可以使电源在对应时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。
这是由有源器件（电子管，晶体管或集成管）和正反馈电路完成的。
1.1.1.2正反馈的观点来决定振荡的条件
利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡,这就是反馈振荡器的基本原理。
反馈振荡器是由主网络和反馈网络组成的一个闭合环路。
其主网络一般由放大器和选频网络组成,反馈网络一般由无源器件组成。
当振荡器接通电源后，即开始有瞬变电流产生。
这瞬变电流所包含的频带极宽，但由于谐振回路的选择性，它只选出了本身谐振频率的信号。
由于正反馈作用，谐振信号越来越强，但它不可能无限制的增长，而是达到一定的数值后，便自动稳定下来，即形成稳定的振荡。
振荡器的平衡条件：
当反馈信号等于放大器的输入信号时，振荡电路的输出电压不再发生变化，电路达到平衡状态。
振荡的平衡条件包括振幅平衡条件和相位平衡条件
初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率0的信号应该被保留，成为等幅振荡输出信号。
然而，一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不能形成一定幅度的输出信号。
因此，起振阶段要求：
1.1.1.3振荡器的平衡条件
上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡可能在在某一状态平衡，但不能说明振荡的平衡状态是否稳定。
已建立的振荡能否维持，还必须看平衡状态是否稳定。
振荡器稳定平衡的概念：
振荡器的稳定平衡是指在外因作用下，振荡器在平衡点附近可重新建立新的平衡状态，一旦外因消失，它即能自动恢复到原来的平衡状态。
稳定条件：
振幅稳定、相位稳定
要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：
当振幅变化时，AF的大小朝反方向变化振幅平衡的稳定条件
1.1.2设计要求
1、基本部分
通过LC正弦波振荡器的设计进一步巩固高频电子线路的相关知识，并在设计制作的过程中运用并熟悉multisim10电子仿真软件，在实践的过程中培养我们发现问题，并利用所学知识或利用一切可以利用的资源解决问题的能力，掌握振荡器的工作原理知识，设计一个LC正弦波振荡器，要求该电路输出稳定的正弦波信号，输出频率范围10M~~100MHZ。
2、发挥部分
（1）输出频率可以改变；
（2）工艺结构精致，具有一定的现场实用价值；
为实现整个设计，在此考虑了两种方案，分别一一介绍如下。
1.2方案1
方案一：
电感反馈式三端振荡器
其振荡频率为f=
式中L=
+
+2M。
优点：
由于L1与L2之间有互感存在，所以比较容易起振。
其次是改变回路电容来调整频率时，基本上不影响电路的反馈系数，比较方便。
主要缺点：
与电容反馈振荡电路相比，其振荡波形不够好。
这是因为反馈支路为感性支路，对高次谐波成高阻抗，故对于LC回路中高次谐波反馈较强，波形失真较大。
其次是当工作频率较高时，由于L1和L2上的分布电容和晶体管的极间电容均并联于L1与L2两端，这样反馈系数F随频率变化而改变。
工作频率越高，分布参数的影响越严重，甚至可能使F减小到满足不了起振条件。
1.3方案2
方案二：
电容反馈式三端振荡器
图是电容三点式振荡器，其主要特点就是在回路电感L两端并联了一个可变电容C4，而C3为固定值的电容器，且满足C1、C2远大于C3，C1、C2远大于C4。
回路的总等效电容为
振荡频率
优点：
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。
基于以上分析，我们决定选用方案二。
2电路设计
2.1工作原理
接通电源后，电路中就产生了噪声，噪声中包含了丰富的频率分量。
输入端的各噪声分量经过晶体管放大后，到达输出负载回路。
由于LC振荡回路的Q值很高，带宽很窄，因而只有振荡频率与LC回路固有频率相同或接近的噪声分量，才能在回路两端产生较大的正弦波电压V0,，其余的噪声分量都被滤除。
V0通过反馈网络将其中一部分输出反馈到晶体管基极回路，这就是其实的激励信号Vi。
尽管这个起始信号比较微弱，但是由于不端对它放大——选频——反馈——再放大，循环往复，一个与LC回路固有频率相同的自激振荡信号，便由小到大产生。
又由于晶体管的非线性，随着振荡幅度的增大，放大器会由最初的甲类工作状态转向甲乙类甚至乙类、丙类工作状态，放大电路的增益逐渐下降，最终达到稳定振荡。
2.2设计内容
2.2.1原理图
图2.2.1
2.2.2参数计算
对于一般小功率自动稳幅LC振荡器，静态工作点要远离饱和区，靠近截止区，以得到较大的输出阻抗。
一般根据具体电路和电源电压大小集电极电流一般取1～4mA,在实际偏置参数选定时，在可能条件下发射极偏置电阻尽可能取大一好。
此处特取ICQ≈2mA，UCEQ≈6V
故R3+R4=（Vcc-UCEQ）/ICQ=（12-6）/2=3KΩ取R4=1KΩ，R3=2KΩ
参数选择主要是根据满足振荡频率，满足起振条件并有足够的振荡幅度和规定的频率稳定性等因素加以考虑。
若以频稳性角度出发回路电容应取大一些，有利于减少并联在回路上的管子极间电容等变化的影响。
但C不能过大，C过大，L会变小，Q值会变低，振荡幅度也会变小。
为了解决频稳和振幅的矛盾，通常用部分接入。
前已讨论反馈系数F=C1/C2不能过大或过小，适宜1/8~1/2.由于
因UEQ≈2×1=2V所以UBQ≈2.7V
所以R1/（R2+R1）≈2.7，有R2≈0.3R1
若R2取5KΩ，R1则取15KΩ
有
先令L=1uH,又有
且f的取值范围10M——100MHz,得（C3+C4）min=63.4PF,（C3+C4）max=254PF,取C3=50PF，则C4min=13.4PF,C4max=204PF,则取C4=240PF的可变电容。
因要满足C1,C2>>C3,C4;C1/C2=1/8~1/2
取C1=200PF,C2=510PF
Cb的确定：
Cb提供交流等效通路，即Cb交流等效分析短路，故Cb取0.01μF。
2.2.2注意事项
另外需要注意的是：
西勒电路中C3的大小对电路的性能有很大的影响，因为频率调节是靠改变C4实现的，所以C3不能选择太大，否则频率就主要由C3和L决定，因而限制了频率的可调范围。
同时，C3过大也不利于消除C0和Ci对频率稳定的影响。
反之，C3选择过小，介入系数P就会降低，振荡幅度就会比较小。
因此在设计时应特别注意C3的取值。
3系统测试
3.1振荡器正常工作
如图3-1所示。
图3-1
3.2实现输出频率可变功能
如图3-2所示。
图3-2
4结论
本次设计要求是设计一个LC正弦波振荡器，根据现在所掌握的相关知识，有两大类可以选择：
一是采用电感反馈式三端振荡器；二是采用电容反馈三段式振荡器。
但是由于电感反馈式三端振荡器输出波形失真比较大，所以倾向于选择电容反馈式三端振荡器，并行了改进，得出最终方案。
根据正振荡器的原理在mutisim10仿真软件上画出了其原理图，并根据设计要求，适当选择了元器件，然后计算出各元器件的参数，随后进行仿真调试，得出最终波形数据。
经检测，符合设计要求。
5参考文献
【1】张肃文.《高频电子线路》第五版—北京：
高等教育出版社2009.5
【2】王连英.《基于multisim10的电子仿真实验与设计》—北京：
北京邮电大学出版社2009.8
【3】郭云林、陈松.《通信电子电路设计》—武汉：
华中科技大学出版社2010.1
6附录
6.1元器件明细表
①NPN一个；
②1uH电感一个
③1k、3k、5k、15k电阻各一个；
④50pF、200pF、510pF、电容各一个；
⑤排针若干。
6.2.1AltiumDesigner原理图设计
图6-1设计总图
6.2.2PCB制作
图6-2PCB图
6.2.3成品展示
图6-3成品图
6.3电路使用说明
本设计成品
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