电容反馈三点式振荡器

电容反馈三点式振荡器

1、课程设计的目的

本次课程设计我设计的是电容三点式振荡器，而电容三点式振荡器是自激振荡器的一种，因此要先了解一些自激振荡器的知识

自激多谐振荡器也叫无稳态电路两管的集电极各有一个电容分别接到另一管子的基极,起到交流耦合作用,形成正反馈电路,当接通电源的瞬间,某个管子先通,另一只管子截止,这时,导通管子的集电集有输出,集电极的电容将脉冲信号耦合到另一只管子的基极使另一只管子导通.这时原来导通的管子截止.这样两只管子轮流导通和截止,就产生了震荡电流.

由于器件不可能参数完全一致,因此在上电的瞬间两个三极管的状态就发生了变化,这个变化由于正反馈的作用越来越强烈,导致到达一个暂稳态.暂稳态期间另一个三极管经电容逐步充电后导通或者截止,状态发生翻转,到达另一个暂稳态.这样周而复始形成振荡。

构成电容反馈三点式振荡器的最基本电路应该是一个交流电路。因此在设计总电路图之前，我先设计了一个交流电路。

通过课程设计，可以使我们加强对高频电子技术电路的理解，因为在整个设计过程中需要我们判断电路是否可以起振和稳定工作外还必须学会振荡电路的分析和参数计算，电路的设计和调试，同时还要明确这种振荡器的优缺点和使用场合。

在设计过程中我们学会了查寻资料﹑方案比较，以及设计计算等环节。进一步提高分析解决实际问题的能力，创造一个动脑动手﹑独立开展电路实验的机会，锻炼分析﹑解决高频电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强自己的实践能力。为以后的工作打下基础。

2、设计方案论证

2.1设计思路及方法

本次课程设计我设计的是电容反馈三点式振荡器，而电容反馈三点式振荡器是自激振荡器的一种，因此更好进行设计了。振荡器是不需要外加信号激励，自身将直流电能转换为交流电的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。

由我们所学过的知识知道，构成一个振荡器必须具备下列一些最基本的条件：

（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，以维持等幅震荡。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。

对于本次课程设计，所用的最基本原理如下：

（1）振荡器起振条件为AF>1（矢量式），振荡器平衡条件为:AF=1（矢量式），它说明在平衡状态时其闭环增益等于1。在起振时A>1/F，当振幅增大到一定的程度后，由于晶体管工作状态有放大区进入饱和区，放大倍数A迅速下降，直至AF=1（矢量式），此时开始谐振。假设由于某种因素使AF<1,此时振幅就会自动衰减，使A与1/F逐渐相等。

（2）振荡器的平衡条件包括两个方面的内容：振幅稳定和相位稳定。

我们可以假设横坐标是振荡电压，而纵坐标分别是放大倍数K和反馈系数F，假设因为某种情况使电压增长，这时K.F<1，振荡就会自动衰减。反之，若电压减少，出现KF>1的情况，振荡就会自动增强，而又回到平衡点。由此可知结论为：在平衡点，若K曲线斜率小于0，则满足振荡器的振幅稳定条件。过K曲线的斜率为正，则不满足稳定条件。

对于相位稳定条件来说，它和频率稳定实质上是一回事，因为振荡的角频率

就是相位的变化率，所以当振荡器的相位发生变化时，频率也发生了变化。（3）我们知道LC振荡器有基本放大器、选频网络和正反馈网络三个部分组成。为了维持震荡，放大器的环路增益应该等于1，即AF=1，因为在谐振频率上振荡

器的反馈系数为C

1/C

2

，所以维持振荡所需的电压增益应该是

A=C2/C1

电容三点式振荡器的谐振频率为

f0=1/2π[L(C1C2/C1+C2)]1/2

在实验中可通过测量周期T来测定谐振频率，即

f0=1/T

放大器的电压增益可通过测量峰值输出电压Vop和输入电压Vip来确定，即

A=V op/V ip

（4）2N2221A三极管的工作原理

2N2221A三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例，当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。

但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。IC 的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数β)，三极管的放大倍数β一般在几十到几百倍。三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，即要先建立合适的静态工作点，也叫建立偏置，否则会放大失真。

2.2电路方框图及说明：

图1 电路方框图

滤波网络:滤除电源中的交流成分是外加电源中只含有直流成分，因为振荡器所要求的加在电路上的电能是直流电能，而实际电源很难达到纯粹的直流，所以需要加这样一个电路将其中可能的交流成分滤除。

放大网络：放大网络就是通过加在基极的直流电压来控制集电极的电压输出。放大网络对于靠近谐振频率的信号，有较大的增益，对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降。

选频网络：由电感及电容组成的选频网络分为两类，一类是串联谐振回路，另一类是并联谐振回路，回路谐振时，电感线圈中的磁能与电能中的磁能周期性的转换着。电抗元件不消耗外交电动势能量。外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路中的等幅振荡。所以在串联谐振时，回路中电流达到最大值，并联谐振中，负载电压达到最大值。

正反馈网络：反馈，指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程，即将输出量通过恰当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。正反馈使输出起到与输入相似的作用，使统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。正反馈网络是电感反馈三点式振荡网络中比较重要的一个环节。

2.3电路图所需元件

电源 1个

电阻 6个

电容 7个

电感 2个

三极管 1个

示波器 1个

3、设计结果与分析

3.1电路的设计依据及原理图

三点式LC振荡器，特别是电容反馈式三点振荡器，由于反馈主要是通过电容，所以可以削弱高次谐波的反馈，是振荡产生的波形得到改善，且频率稳定度高，又适于较高波段工作。

引起振荡频率不稳定的原因有很多，包括晶体管间存在的电容，谐振回路参数随时间、电源电压、温度的变化而变化，晶体管参数不稳定等，为得到稳定的振荡频率，因此我们在选元器件时，除选用高质量电路元件，采用直流稳压电源及恒温措施外，还应提高振荡回路品质因数Q，因为Q越大，相频特性曲线在f0附近的斜率也大，选频特性也越好。

构成电容反馈三点式振荡器的最基本电路应该是一个交流电路。因此在设计总电路图之前，我先设计了一个交流电路，随后将各个电路元件包括三极管连接起来才能得到最终的总电路图

3.2电路分析

在实验中为了减小晶体管极间电容的影响可采用改进型电容三点式振荡电路，即在谐振回路电感支路中增加一个电容C

6

,其直比较小，要求C6<

1/C总=1/C4+1/C5+1/C6≈1/C6,即C总≈C6

因此振荡频率f

近似为：

f0=1/2π（LC总）1/2≈1/2π（LC6）1/2

经过这样的改变之后，C

4，C

5

对振荡频率的影响显著减小，与 C

4

，C

5

并联相

接的晶体管极间电容影响也减小了。但由于谐振回路接入C

6

，晶体管等小负载会

减小、放大器放大倍数减小、振荡器输出幅度减小，若C

过小，振荡器会因不

6

的时候一定要选择合适的值，不能满足起振条件而停止振荡。因此，在添加C

6

为了减小晶体管极间电容的影响而使振荡器不再振动！

3.3电路图仿真

Multisim是Interactive Image Technologies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。

以前由于做过数电课程设计，虽然对multisim的使用还有一些基础，但并不熟悉，因此在做本次课设之前我又看了好多资料，对于本电路来说，在仿真时需要注意以下方面：（1）仿真软件界面上组建仿真电路，其中需双击图标，将弹出的对话框栏中的Key设置成B，Incremen t栏设置成

可变电容C

4

（2）双击电位器图标，将弹出的对话框中Increment也改为1%暂时断开反馈电，调出虚拟万用表并联在集电极电阻R3两端。开启仿真开关，双击万用表容C

6

图标，调整电位器R6的百分比，是万用表的直流电压在2V左右，即电路的静态工作点I CQ≈2mA左右。

（1）交流电路仿真如下：

图2 交流电路仿真图

（2）总电路图仿真如下：

图3 总电路仿真图3.4仿真结果与分析

图4 仿真结果图

仿真结果如图上图所示，由图可知道，正弦波的周期约为350243.243ns,振幅约为4.2v,在本次仿真的过程中，开始时我将C5的电容值调得过大，并且由于没有接好电容C4，而使结果不能出波形。随后纠正了错误才得到上边的图形在设计过程中，我不会对波形调试，由于显示的波形太小并且把x轴的比例调的太大，导致没有发现图形。随后通过翻阅multisim的一些资料，才知道自己的失误，于是对电路重新进行了调试才得到满意的结果

4、心得体会

对于电路的设计过程我以为电容三点式振荡器的设计很难，设计比较烦琐，有静态工作点的要求，各电阻、电容值的设计，还有好多要求，看起来十分复杂。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，一切都会变得简单。同样，在这次课程设计中也遇到了不少问题，集中体现在word运用极不熟练，尤其是编辑公式时，操作不灵便，编辑好的文档没有及时保存，以至于从头再来，浪费了很多时间。但吃一堑长一智，现在遇到这些问题，及时解决，以后再做这类事情就会多一点经验，就会少出一些类似问题。

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，以求真正领会通信专业里边的各种知识，为将来的工作打下良好的基础。但最后，我终于明白，分数不过是个数字，知识才是自己的。通过这次课程设计，我确实学到了很多东西，多年后我可能已经忘记这次课设最后打了多少分，但这些学到的东西却可以使我受益终生。除了知识技术上的东西，我更锻炼了自己的快速学习能力；我学会了如何快速有效地从图书馆、网络获取自己需要的信息；我尝到了在周围很多同学拷来拷去时孤军奋战的痛苦；我体会了夜以继日完成一个项目时中途过程的艰辛及最终完成后巨大的成就感……我更加深了人生的信心，以后面对任何一个困难的项目，我想我都不会惧怕，并最终能够成功地将其完成。感谢老师，感谢此次课程设计。虽然在其中吃了不少苦头，但我毫不后悔，因为我满载而归。

5、参考资料

[1]谢白美.《电子电路设计试验设计第三版》[M]，科技大学出版社，2006年

[2]博战杰.童辉《AM信号到DSB信号的连续过渡与检波》[J]，吉林大学学报

[3]孙博文等.《分形算法与程序设计》[M],科学出版社,2004年

[4]张玉辉.侯著荣，翟毅华《基于射频识别技术的装备维修器材管理系统的设计》[J]，微计算机信息，2004年

[5]曹才开.《电路分析》[M]，北京清华大学出版社，2008年

[6]刘聘.《高频电子技术》[M]，北京：邮电出版社，2006年

[7]宋数祥.周冬梅《高频电子线路》[M],同济大学出版社，2007年