高频课设报告 - 通信电子线路课程设计——电容三点式正弦波振荡器

目录

一课程设计目的 (2)

二课程设计题目 (2)

三课程设计内容 (3)

仿真设计部分 (3)

设计方案的选择 (3)

振荡器的原理概述 (4)

方案对比与选择 (6)

电路设计方案 (8)

元器件的选择 (9)

电路仿真 (10)

元器件清单 (11)

系统制作和调试 (13)

系统结构 (13)

系统制作 (16)

调试分析 (16)

四课后总结和体会 (16)

参考文献 (17)

一课程设计目的

《高频电子线路》课程是电子信息专业继《电路理论》、《电子线路(线性部分)》之后必修的主要技术基础课，同时也是一门工程性和实践性都很强的课程。课程设计是在课程内容学习结束，学生基本掌握了该课程的基本理论和方法后，通过完成特定电子电路的设计、安装和调试，培养学生灵活运用所学理论知识分析、解决实际问题的能力，具有一定的独立进行资料查阅、电路方案设计及组织实验的能力。通过设计，进一步培养学生的动手能力。

二课程设计题目

1、模块电路设计（采用Multisim软件仿真设计电路）

1）采用晶体三极管或集成电路，场效应管构成一个正弦波振荡器；

2）额定电源电压，电流1～3mA;

输出中心频率 6 MHz （具一定的变化范围）；

2、高频电路制作、调试

LC高频振荡器的制作和调试

三课程设计内容

仿真设计部分

设计方案的选择

电容反馈式振荡电路的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2-0所示。由图可见，除晶体管外还有三个电抗元件X1、X2、X3，它们构成了决定振荡器频率的并联谐振回路，同时构成了正反馈所需的网络，为此根据振荡器组成原则，三端式振荡器有两种基本电路，如图2-0所示。图2-0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，称电容反馈振荡器

电容反馈式振荡电路的设计及原理分析

V f

图2-2电容反馈式振荡电路设计框图

振荡器的原理概述

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。 电感三点式振荡器的电感线圈对高次谐波呈现高阻抗所以反馈带中高次谐波分量较多输出波形较差。本次设计要求我们采用的是电容三点式振荡电路，由于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。

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 一般形式的三点式振荡器

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be Z ?

、ce Z ?

与bc Z ?

的性质必须相反振荡器才能起振。

设：be Z ?

、ce Z ?

、bc

Z ?为纯电抗元件

f

be eb V

V V ?

??

==-

be eb v ce

ce

V V X eb F V V X ce ?

?

?

?

??

?

==

=-

负号表示产生180o 相移，与Vbe 和Vce 间的180o 相移合成为360o 相移，满足正反馈条件。

为此，Xce 与Xeb 必为同名电抗，而Xcb 须是Xce 与Xeb 的异名电抗。

电容三点式的原理示意图如下图所示：

图 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时，电路发生谐振。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，此时振荡幅度不在增大。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

f 为：

0f =

反馈系数F 为：

12

/F C C ≈

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

co

I =—4mA 。

电容三点式的优点是：1)振荡波形好；2）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：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。

方案对比与选择

改进型的电容三点式分为两种：克拉泼振荡器、西勒振荡器。

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 克拉泼振荡器电路

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C5。电路的振荡频率为：

01/2f π=

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：

振荡频率可改变不会影响反馈系数； 振荡幅度比较稳定；

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—；为此，克拉泼振荡器适合与做固定频率振荡器。

西勒振荡器：

电容三点式改进型“西勒振荡器”如下图所示：

图 西勒振荡器电路

电路的特点是在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。电路的振荡频率为：

f=

西勒振荡电路有以下特点：

1 .振荡幅度比较稳定；

2 .振荡频率可以较高；频率覆盖率较大，可达—，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：

AF>

1

该电路相位起振条件：

?n

?

π

+

A=

F2

振幅平衡条件：

AF=

1

相位平衡条件：

?n

?

π

+

F2

A=

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。

电路设计方案

电路选择：

根据上述对比可知，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C5完成，C5的改变并不影响接入系数p ，因而波段内输出较平稳。而C5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。

电路原理图设计： 电路原理图如下图所示：

图 改进型电容三点式振荡电路原理图 电路结构：

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。

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极，来提高电路的带负载能力。缓冲极不具有放大作用，只是原倍数的将信号输出给下一级。

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CQ

I 大约在—4mA

之间选取，故本实验电路中：

选择

CQ

I =

CQ

V = ， =40

则 3CC CEQ

e c CQ

V V R R K I -+=

=Ω

为提高电路的稳定性e

R 值适当增大，取

e

R =1K Ω，则

c

R =2K Ω

又

EQ CQ E V I R ==

*1K=

/2/400.05BQ CQ I I mA mA

β===

取流过Rb2的电流为10BQ

I ，则

20.7 4.4EQ b BQ

V R K I +=

=Ω

，取4K Ω

可取

1

b R =5K Ω，这样额定电流是2mA,满足任务要求。

元器件的选择

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：0f =

当LC 振荡时，

f =6MHz L=10μH

本电路中，回路谐振频率0

f 主要由C4和C5决定，即

4522

1

704C C pf f L π+=

=

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 。

电路仿真

在Multisim软件中绘制改进型电容三点式正弦波振荡器的电路图，并更改好各元件数值连接好虚拟示波器，如下图所示：

图

图三点式振荡器输出波形

如上图4-2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。

图加载100 负载后的波形输出和频率

上图为通过缓冲器后加载100Ω负载的波形输出，大体保持了原有波形，波形的失真应与缓冲器有关，单一的射极跟随器无法完整的保持波形不变。

分析可见，缓冲级为射极跟随器，该电路输入阻抗高，可减小放大器从前级所取的信号电流；而输出电阻低，可减小负载变动对前级的影响。

可由图可知加载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。

元器件清单

系统制作和调试 系统结构

1．放大电路选用共基电路

共基放大电路与共射放大电路相比，高频特性好，所以，本设计选用共基电路。

高频放大和振荡电路选用DG 3、DC 3系列的高频小功率三极管，属硅NPN 型。本题中的振荡三极管1VT 选用C DG 63，其MHz f T 150=，V BV CEO 20=，

60=β。

2．振荡管1VT 静态工作点的设计 （1）估算电阻3R 、4R 的方法

通常选mA I EQ 4~1=，则有CQ

CEQ

CC I U V R R -=

+43、CQ

C

CC I U V R -=

3， （2）估算电阻1R 、RP 、2R 的方法（取BQ R I I 101=）。

因为V R I V U U CQ EQ BQ 6.06.04+=+=，又()21R I I U BQ R BQ -=，且

β/CQ BQ I I =，所以，BQ

BQ I U R 102≈

。因为CC BQ V R RP R R U 2

12

++=

，所以，

???

? ??-=+121BQ CC U V R RP R 。

（3）估算电容b C 的方法

b C 作基极交流接地，一般应满足()()

20~10//21R RP R X C +=

，当()2

1//R RP R +较大

时，C X 取几～几十欧姆。 3．主振回路的设计

（1）电路形式：采用西勒振荡电路，容易起振、波形好、稳定度<510-,能满足设计要求。

（2）估算电容L 、3C 、4C 的方法

MHz f 10=时，H L μ10>；MHz f 100=时，H L μ1>。

设L ，则由∑

=

LC f π210，得L

f C 20)2(1

π=

∑。（43C C C +≈∑）

（3）估算电容1C 、2C 的方法

选31C C >>、32C C >>（如果3C 取几十皮法，则1C 、2C 可以取几百皮法至几千皮法），且2/1~8/1/21==C C F 。

4．缓冲放大电路的设计

在振荡管1VT 和负载之间，接入一个缓冲放大电路，可选择由固定分压与自给偏压相结合，具有稳定工作点偏置电路的射极跟随器。隔离级晶体管2VT 也选用C DG 63三极管。

（1）估算偏置电阻7R 、8R 、9R 的方法（取mA I mA I o EQ 12max =>=）

射极跟随器的电源电压CC V 取值略大于最大输出电压m ax o U 与饱和电压之

CES U 和，考虑到mA I o 1max =非常小，所以，V V CC 6=足够了。

CEQ U 设置在

2

CC

V （负载线的中点）处，能取出最大输出振幅，所以，V V

U CC CEQ

32==。所以， EQ

CEQ CC I U V R -=

9，

()β+=1/EQ BQ I I ，V U U EQ BQ 6.0+= 取流过7R 的电流为BQ I 10，则有BQ

BQ

CC I U V R 107-=，BQ

BQ I U R 98=

。

（2）估算高频耦合电容5C 、6C 的方法

由高频耦合电容C 形成的高通滤波器的截至频率应满足：

()10~521

L C f CR f =

=π。在输入耦合时，R 为源电阻与输入电阻之和；在输出耦合时，R 为输出电阻与负载电阻之和；振荡回路的下限频率

20

f f L =

。若振荡频

率选为MHz 10，可选取F

C C μ02.065==。

5．电源退耦电路的设计

在电源上并联小容量的电容

8

C 和大容量的电容

7

C ，能在很宽的频率范围内

降低电源对地的阻抗。小容量的电容8C要配置在电路的近邻，减小电容引线长度，降低引线本身阻抗；而大容量的电容7C不存在该问题。

系统制作

调试分析

振荡频率:输出电压：

采用西勒振荡电路，因为西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器的相同，由于改变频率主要通过C4完成的，C4的改变并不影响接入系数p，所以波段内输出较平稳。而且C4改变，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大，可达~。

四课后总结和体会

对于电路的设计过程起初以为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、《高频电子线路》王卫东电子工业出版社

2、《基于Multisim2001的电子电路计算机仿真设计与分析》黄智伟电子工业出版社

3、《Multisim 9在电工电子技术中的应用》董玉冰清华大学出版社