改进型电容三点式振荡器.docx
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改进型电容三点式振荡器
课程设计任务书
学生姓名：
***专业班级：
***
指导教师：
钟毅工作单位：
信息工程学院
题目：
高频改进型电容三点式正弦波振荡器
初始条件：
具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。
要求完成的主要任务：
1．采用晶体三极管或集成电路，场效应管构成西勒正弦波振荡器；
2．额定电源电压5.0V，电流1～3mA;输出中心频率6MHz
3．频率具一定的变化范围
4．有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压≥1V（D-P）;
5．完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。
时间安排：
1．2011年6月3日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。
2．2011年6月4日至2011年6月9日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。
3.2011年6月10日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
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，本设计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。
西勒振荡器广泛应用于各种电子设备中，特别是在通信系统中起着重要作用。
它是无线电发送设备的心脏部分，也是超外差式接收机的主要部分；各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等，其核心部分都离不开正弦波振荡器；并在自动控制装置和医疗设备等许多技术领域也得到了广泛的应用。
Abstract
Sinewaveoscillator,whichgeneratesstablefrequency,constantamplitudesinewaveoutput.Basedonfrequencystability,thefeedbackfactor,theoutputwaveform,fromthevibrationandotherfactorsintoaccount,thisdesignusesathree-pointoscillatorcapacitoroscillator,oneoftwoSyracuseimprovedoscillator.Theoutputwaveformhasagood,highfrequency,adjustthefrequencychangedoesnotaffectthecapacitivefeedbackfactor,etc.,suitableforwide-bandfrequencytunableapplications.Syracuseoscillatorcontrolactionbytheenergyfromtheamplifier,theoutputsignalsentbacktotheinputsideofthepositivefeedbacknetworkandtodeterminefrequencyoftheoscillationfrequencyofthenetworkofchoice.Butthereisnoinputstimulus,butbyitself,insteadofthepositivefeedbacksignal.Whentheoscillatorispoweredon,thatbegantotransientcurrents,thecontinuouszoomit,selectedfrequency,feedback,andthenamplificationcyclemanytimes,andultimatelytheformationofself-oscillation,aspartoftheoutputsignalbacktotheinputsforinputsignal,whichwillproduceacertainfrequencysinewavesignaloutput.Syracuseoscillatorsarewidelyusedinvariouselectronicdevices,especiallyinthecommunicationsystemplaysanimportantrole.Itistheheartofradiotransmissionequipmentisamajorpartofthesuperheterodynereceiver.avarietyofelectronictestequipmentsuchassignalgenerators,digitalfrequencymeter,etc.,areinseparablefromthecorepartofthesinewaveoscillator.andautomaticcontroldevicesandmedicalequipmentandmanyothertechnologieshavealsobeenwidelyused.
1设计方案选择
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。
1.1设计方案论证
由于极间电容对电容反馈振荡器的回路电抗有很大影响，所以对振荡频率也会有影响。
而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以电容反馈振荡器的频率稳定度不高。
为了提高稳定度，需要对电路改进以减少晶体管极间电容对回路的影响，由此得到两种改进型的电容反馈振荡器，即克拉泼振荡器和西勒振荡器。
克拉泼电路如图1.1.1所示。
图1.1.1克拉泼振荡器原理图
回路的总电容C=
+
+
，可见，回路的总电容主要由C3决定，而极间电容与C1、C2并联，所以极间电容对总电容的影响就很小；并且C1、C2只是回路的一部分，晶体管以部分接入的形式与回路连接，减弱了晶体管与回路之间的耦合。
接入系数为：
P=
C1、C2的取值越大，接入系数P就越大，耦合越弱，因此，克拉泼振荡器的频率稳定度得到了提高。
振荡器的震荡频率为
=
反馈系数的大小为：
克拉泼振荡器主要用于固定频率或波段范围较窄的场合。
这时因为克拉泼振荡器频率的改变是通过调整C3来实现的，而C3的改变，负载将随之改变，放大器的增益也变化，调频率是有可能因为环路增益不足而停振；另外，由于负载电阻的变化，振荡器输出幅度也变化，导致波段范围内输出振幅变化较大。
如图1.1.2所示是西勒振荡器原理图：
图1.1.2西勒振荡器原理图
西勒振荡器的主要特点，就是与电感L并联一可变电容C4,.与克拉泼振荡器一样，图中
，因此晶体管与回路之间耦合较弱，频率稳定度高。
与电感L并联的可变电容C4是用来改变振荡器的工作波段，而电容C3是起到微调频率的作用。
1.2西勒振荡器的参数
由图1.1.2可知，回路的总电容为
+
振荡器的震荡频率为
由于改变频率主要是通过调整C4完成的，C4的改变并不影响接入系数P，所以波段内输出幅度较平稳。
而改变C4，频率变化叫明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大，可达1.6
1.8.西勒振荡器适用于较宽波段工作，在实际中用的较多。
基于以上分析，我们决定选用西勒振荡器。
2系统设计方案
2.1三点式振荡器构成法则
三点式振荡器是有三个电抗元件组成的一种电路，回路的三个电抗元件分别与晶体管的三个极相连，如图2.1所示：
图2.1三点式振荡器原理图
如上图所示，三点式振荡器的构成法则是：
X1与X2的符号相同，X3的符号则相反。
凡是违反这一准则的电路都不能震荡。
2.2电路组成及器件选择
该西勒振荡器由放大器电路、选频网络和反馈网络组成，如附加页1：
系统总原理图，其交流等效电路如图2.2所示。
图2.2总原理图的交流等效电路
该电路振幅起振条件：
>1（2-1）
该电路相位起振条件：
（2-2）
振幅平衡条件：
A
（2-3）
相位平衡条件：
（2-4）
放大器电路由晶体三极管V、高频扼流圈ZL、高频旁置电容
、集电极旁置电阻R1、基极旁置电阻R2、射极旁置电阻R3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V作为能量控制的放大器。
选频网络用来决定震荡频率，本设计采用LC并联谐振回路，由C1、C2、C3、L、C4组成，要求C1>>C3，C2>>C4。
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，C2和
构成正反馈。
2.3系统框图及逻辑功能
设计出能产生频率稳定，幅度不变的正弦波振荡器。
振荡器也是一种能量转换器，它无需外加输入信号，本身就能自动的将直流电能转换成特定频率、波形、幅度的交变电能输出。
本设计属于反馈型振荡器，是在电路中引入正反馈，当正反馈足够强时，放大器就变成了振荡器，通过反馈回路中的选频网络，得到特定频率的正弦波。
这种法案设计出的正弦波振荡器电路简单，在改变C调节频率是不改变接入系数，频率可调。
其系统框图如图2.3所示：
图2.3系统设计框图
3各部分设计及原理分析
3.1放大器的设计及分析
放大器电路采用的是射极偏置放大电路。
其原理图如图3.1所示：
图3.1射极偏置电路
该射极偏置电路让三极管有合适的静态工作点。
从稳频的角度出发，应选择
较高的晶体管，这样晶体管内部相移相对较小。
通常选择
。
同时希望电流放大倍数
大些，这既容易震荡，也便于减小晶体管和回路之间的耦合。
虽然不要求振荡器中的晶体管输出多大功率，但考虑到稳频等因素，晶体管的额定功率也应有足够的余量。
晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路应采用自偏压。
对于小功率晶体管，集电极静态电流约为1
4mA。
如上图3.1，
，
根据要求三极管工作在小电流区，得到如上的参数。
通过调节R6来微调静态工作点。
3.2选频网络的设计及原理
西勒振荡器是对电容三点式振荡器的改进。
设计的电路图如图3.2所示：
图3.2选频网络的电路图
电路中通过调节C5来微调震荡的频率，调节C6来粗调振荡频率。
该选频网络要求是：
C3、C4>>C5，C3、C4>>C6，由于频率
+
故
取C3=C4=100pF，于是得到可变电容和电感的值如上图所示。
3.3缓冲极的设计及原理
由于西勒振荡器的的输出阻抗比较大，带负载的能力不强，所以有必要加一个缓冲级，来提高电路的带负载能力。
缓冲级不具有放大作用，只是原倍数的将信号输出给下一级。
原理图如图3.3所示：
图3.3缓冲级电路图
通过两个晶体三极管的作用，得到了从C9处输入的信号的原倍数放大。
在100Ω的负载处得到了所需的信号，各部分的参数如上图所示。
4总原理图及其仿真和总结
4.1总原理图及其分析
将各部分分立电路有效的连接起来，便得到总原理图，如图4.1所示：
图4.1总原理图
总原理图中通过电路Q1放大器和选频网络组成了西勒振荡器，得到的信号经过缓冲级的处理后得到了一个原倍数的正弦波加在负载R10上，通过仿真，可以得知
满足设计要求。
通过仿真，得到了西勒振荡器加缓冲级前后的仿真图。
4.2仿真电路
在西勒振荡器加缓冲级前得仿真电路如图4.2所示：
图4.2西勒振荡器仿真图
如上图所示，得到了正弦波，说明了电路起振了，并且得到了稳定的波形，但是波形有一定的失真，是由于噪声，温度等的影响，在本实验中可以不加考虑。
在西勒振荡器接缓冲级后，在负载处得到的仿真波形如图4.3所示：
图4.3负载处仿真波形
通过对仿真波形的观察，可以得知，在负载处得到了西勒振荡器的波形，即正弦波，其幅度超过1V。
满足了实验的要求。
4.3实验总结
在这个设计当中，我学会了振荡电路中的一些基础理论知识，在设计电路元件参数的时候首先要考虑电路起振条件和平衡条件，这分别包含振幅条件和相位条件。
正反馈网络是西勒振荡器设计中的一个重要环节，真反馈使输出起到与输入相似的作用是系统偏差不断增大，是系统震荡。
我还明白了普通电容三点式电路与克拉泼振荡器以及西勒振荡器之间的不同和优劣。
5心得体会
对于电路的设计过程起初以为改进型电容三点式振荡器的设计比较烦琐，有静态工作点的要求，各电阻、电容值的设计，看起来较复杂。
后来通过查资料，才了解到先要计算好各电阻的值，再根据各电容的作用，确定电容的值，画出电路图，慢慢变得简单。
同样，在这次课程设计中也遇到了不少问题，首先电路的设计，查阅了不少资料，电容三点式虽然常见，但是要考虑到满足任务书的要求，仍费了一番波折；其次是电路的焊接，在焊完元件后检查了一遍，便开始调试，后来发现焊接过程中有两处线路焊接错误，导致结果没有出来，而一点一点排查的过程是比较痛苦的。
经过这次课程设计，让我对前面的路有了更多的信心，因为在这个过程中，我学到了不少实用的东西，对于高频电子电路有了更深层次的掌握，并且提高了独立解决问题的能力。
虽然这次课程设计中我对电路进行了仿真，进一步熟悉了Multisim软件的使用，对建立文件、绘制电路图、对其进行仿真等一系列过程都更加熟练，并且认真的对电路的每一部分进行了修正，但最后出来的波形还是不很稳定。
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，伍时和，凌玲．模拟电子技术基础．北京：
清华大学出版社，2009.4.．
[2]曾兴雯，刘乃安.高频电路原理与分析.西安：
西安电子科技大学出版社，2006.8.
[3]于洪珍.通信电子电路.北京：
清华大学出版社，2005.8.
[4]陈邦媛．射频通信线路．北京：
科学出版社，2002.4.．
[5]姚福安.电子电路设计与实践.山东：
山东科学技术出版社，2003.12.
[6]姜威.实用电子系统设计基础.北京：
北京理工大学出版社，2008.1.
附录I元件清单
名称
序号
型号参数
数量
电阻
R1
15KΩ
1
电阻
R2
5.1KΩ
1
电阻
R3
3.3KΩ
1
电阻
R4
1KΩ
1
电阻
R5
3.3KΩ
1
电阻
R7
3.3KΩ
1
电阻
R8
100Ω
1
电阻
R9
50Ω
1
电阻
R10
100Ω
1
电阻
R11
25KΩ
1
电容
C1
1nf
1
电容
C2
100nf
1
电容
C3
100pf
1
电容
C4
100pf
1
电容
C8
100pf
1
电容
C9
100nf
1
三极管
Q1
2N2222A
1
三极管
Q2
2N3904
1
三极管
Q3
2N2222A
1
滑动变阻器
R6
5.1KΩ
1
电感
L1
1uH
1
电感
L2
10uH
1
可调电容
C10
30pF
2
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
男
专业、班级
课程设计题目：
高频改进型电容三点式正弦波振荡器
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
升级会员 