电容三点式正弦波振荡器的设计

2011~2012 学年 第 二 学期

《 高频电子技术 》 课 程 设 计 报 告

题 目： 电容三点式正弦波振荡器的设计 专 业： 电子信息工程 班 级： 10信息1班 姓 名： 王高登 何庆林 刘慧平 指导教师： 冯锁

电气工程系 2012年 12月 20日

任务书

摘 要

在社会信息化程度越来越高的背景下，通讯工具在我们的生活中扮演了越来越重要的角色。

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，故电路主要是由高频振荡电路构成。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。 所以，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。

本次课设要求制作高频电容三点式正选拨振荡器，采用晶体三极管或集成电路，场效应管构成正弦波振荡器，达到任务书所要求的目标。并介绍了设计步骤，比较了各种设计方法的优缺点，总结了不同振荡器的性能特征。使用实验要求的电源和频率计进行验证，实现了设计目标。

关键字： 高频信号，电容，正弦波，振荡器

目录

第一章 绪论----------------------------------------------------------------5 第二章 电路设计及原理分析--------------------------------------------------6

2.1 电路的设计---------------------------------------------------------6 2.2 电路原理及分析-----------------------------------------------------6 2.3 改进电容式三点电路-------------------------------------------------9 第三章 电路元件和参数的确定-----------------------------------------------12 第四章 实验仿真及结果误差分析---------------------------------------------13 4.1 电路原理图--------------------------------------------------------13 4.2 实验仿真----------------------------------------------------------13 4.3 实验结果及误差分析------------------------------------------------14 第五章 结束语-------------------------------------------------------------15 参考文献------------------------------------------------------------------16 附录：元器件列表----------------------------------------------------------17

第一章 绪论

在模拟电子电路中，常常需要各种各样波形的信号，如正弦波，矩形波，三角波和锯

齿波等。

正弦波振荡器是指不需要输入信号控制就能自动地将直流电转换为特定频率和振幅的正弦交变电压（电流）的电路。它由四部分组成：放大电路，选频网络，反馈网络和稳幅电路。

正弦波振荡器可分为两大类：一类是利用反馈原理构成的反馈振荡器，它是目前应用最广的一类振荡器；另一类是负阻振荡器，它将负阻抗元件直接连接到谐振回路中，利用负阻器件的负阻抗效应去抵消回路中的损耗，从而产生出正弦波振荡。它广泛的应用于量测，遥控，通讯，自动控制，热处理和超声波电焊等加工设备之中，也作为模拟电子电路的测试信号。

本次课程设计的课题是正弦波振荡器，本课程设计将就电容三点式正弦波振荡器电路的工作原理、参数计算、元件选取、电路调试等做详细的介绍和说明。

第二章 电路设计及原理分析

2.1电路设计

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

电路由放大电路、选频网络、正反馈网络组成。总体设计方案框图如下：

图2-0 三端式振荡器基本电路

2.2 电路原理及分析

电容反馈式电路工作原理及分析图2-2（a）是电容三点式电路一种常见形式,（ｂ）是其高频等效电路。图中Ｃ1、Ｃ3是回路电容, Ｌ1是回路电感, Ｃ2和Ｃ5分别是高频旁路电容和耦合电容。一般来说, 旁路电容和耦合电容的电容值至少要比回路电容值大一个数量级以上。有些电路里还接有高频扼流圈, 其作用是为直流提供通路而又不影响谐振回路工作特性。对于高频振荡信号, 旁路电容和耦合电容可近似为短路, 高频扼流圈可近似为开路。

（a） (b)

图 2-2 电容三点式振荡电路

由于电容三点式电路已满足反馈振荡器的相位条件, 只要再满足振幅起振条件就可以正常工作。因为晶体管放大器的增益随输入信号振幅变化的特性与振荡的三个振幅条件一致, 所以只要能起振, 必定满足平衡和稳定条件。

由图2-3（ｂ）可见, 这是一个共基电路。 利用晶体管共基组态简化等效电路可以将电容三点式电路画成如图2-3（ａ）所示的形式, 其中虚线框内是晶体管共基组态简化

'

等效电路。RLRe0||RL。 晶体管输出电容未考虑。

e

e

＋

－

f

(a)

＋

fe U

e

＋

fjBU

(b)

－

(c)

－

图 2-3 交流等效电路

在图2-3（ａ）中的双电容耦合电路里, 可把次级电路元件ｒe、Ｒe、Ｃb′e等效到初级中, 如图2-3（ｂ）所示。其中接入系数

C'2C2Cbe

r1e

n2(re//R1

e)n

2re Uf

1

n

Uf 图2-3（ｂ）又可以进一步等效为图2-3（ｃ）。 其中等效电导G=gL′+g e′, 式中，电纳B=ωC-1／(ωL),

CC1C'2C1C2 C '

1  C 2 C 1  C 2 因为 ' g U 

Um

i

f

GjB

U   ' f  n U f

所以，环路增益

T

U'fngm

UngmiGjBgLge

jC1 \

L振荡角频率  

1

LC

由此可求得振幅起振条件为: ngm

g1

L.ge.

即

g 1 1

m  n ( g L  g e )  n g L  ng e

其中

g  1

L 

R ,g11e

L // R e0 r b e r e

本电路的反馈系数 C F  n 1

C1C'2

等效

F的取值一般为0.125～0.5。

2.3 改进电容式三点电路

从上面分析可知, 电容三点式电路性能较好, 但如何减小晶体管输入输出电容对频率稳定度的影响仍是一个必须解决的问题, 于是出现了改进型的电容三点式电路——克拉泼电路。

图2-4（ａ）是克拉泼电路的实用电路, （ｂ）是其高频等效电路。与电容三点式电路比较, 克拉泼电路的特点是在回路中增加了一个与Ｌ串联的电容Ｃ3。各电容取值必须满足：Ｃ3

这样可使电路的振荡频率近似只与Ｃ3、Ｌ有关。

A

A

B B

（a） (b)

图2-4是克拉泼电路

先不考虑晶体管输入输出电容的影响。 因为Ｃ3远远小于Ｃ1或Ｃ2, 所以Ｃ1、Ｃ2 、Ｃ3三个电容串联后的等效电容

C 1 C 2 C 3 C 3

C 1 C C 2 C 3  C 1 C 3 1  C 3  C 3 2 

C 1 C 2

C

C3

于是, 振荡角频率

11

LCLC 3

 0  

由此可见, 克拉泼电路的振荡频率几乎与Ｃ1、Ｃ2无关。

现在分析晶体管结电容Ｃce、Ｃbe 对振荡频率的影响。由图2-4（ｂ）可以看到, Ｃce

与谐振回路的接入系数

C2C3

c串CCC

n   23  23

23C1(C2串C3)C1 CC 23

C 2 C 3 C 2



和电容三点式电路中Ｃce与谐振回路的接入系数n=C2／(C1+C2)比较, 由于Ｃ3

由于Ｃce的接入系数大大减小, 所以它等效到回路两端的电容值也大大减小, 对振荡频率的影响也大大减小。

同理,Ｃbe对振荡频率的影响也极小。

因此, 克拉泼电路的频率稳定度比电容三点式电路要好。在实际电路中, 根据所需的振荡频率决定Ｌ、Ｃ3的值, 然后取Ｃ1、Ｃ2远大于Ｃ3即可。但是Ｃ3不能取得太小,否则将影响振荡器的起振。

由图2-4（b）可以看到, 晶体管c、b两端与回路Ａ、Ｂ两端之间的接入系数

C31n  1 C C C

1C212

C1 C  C 3 C ( C  C )

12312

所以, Ａ、Ｂ两端的等效电阻RL′=RL//Re0, 折算到ｃ、ｂ两端后为:

2



 12'

n1RLR'LR'LRL

121 C3(C1C2)

共基电路的等效负载, ＲL″越小, 则共基电路的电压增益越小, 从而环路增益越小, 越不易起振。对于考毕兹电路而言, 共基电路的等效负载就是RL′。所以, 克拉泼电路是用牺牲环路增益的方法来换取回路标准性的提高。

克拉泼电路的缺陷是不适合于作波段振荡器。波段振荡器要求在一段区间内振荡频率可变, 且振荡幅值保持不变。 由于克拉泼电路在改变振荡频率时需调节Ｃ3, ,当Ｃ3改变以后,ＲL″将发生变化, 使环路增益发生变化, 从而使振荡幅值也发生变化。所以克拉泼电路只适宜于作固定频率振荡器或波段复盖系数较小的可变频率振荡器。所谓波段复盖系数是指可以在一定波段范围内连续正常工作的振荡器的最高工作频率与最低工作频率之比。一般克拉泼电路的波段复盖系数为1.2～1.3。

针对克拉泼电路的缺陷, 出现了另一种改进型电容三点式电路——西勒电路。图2-5（a）是其实用电路, （b）是其高频等效电路。

西勒电路是在克拉泼电路基础上, 在电感Ｌ两端并联了一个小电容Ｃ4, 且满足Ｃ1 、Ｃ2远大于Ｃ3 , Ｃ1 、Ｃ2远大于Ｃ4, 所以其回路等效电容

C 1 C 2 C 3

C

C1C2C1C3C2C3

C4C3C4

(a)

(b)

图2-5 西勒电路

所以, 振荡频率

f  

11

C 2  LC 2  L ( C 3  4 )

在西勒电路中, 由于Ｃ4 与Ｌ并联, 所以Ｃ4的大小不影响回路的接入系数, 其共基电

路等效负载R″L仍同式之前所示。 如果使Ｃ3固定, 通过变化Ｃ4来改变振荡频率, 则R″L在振荡频率变化时基本保持不变, 从而使输出振幅稳定。因此, 西勒电路可用作波段振荡器, 其波段覆盖系数为１.６～１.８左右。

第三章 电路元件和参数的确定

1.晶体管的选择

在小功率振荡电路中，选管时主要从振荡频率、频率稳定条件考虑，至于功率要求可不作为重点。选管时应使FT或FMAX比所要求的振荡频率FO高若干倍，一般FT（或FMAX）﹥（3-5）FO为宜。为了保证振荡频率的稳定和电路起振，选用的管子参数要稳定，ICBO要小，管子的B值要足够大，但也无须太大，故选取晶体管2N2712。 2.静态工作点的确定

一般原则是在满足起振条件下应选择较低的工作点即I2较小。这样，当振荡电路起振后，振幅增大，振荡将在截止区进入振幅稳定状态，不致使振荡回路Q值减小，振荡波形好。对于功率为MW级的振荡管，L2一般选在0.5-2左右。 3.振荡回路参数L、C的确定

振荡回路参数L、C的选择主要根据振荡频率、起振条件和振荡波形确定。在给定频率F0的情况下，每一个电感对应一个电容。综合考虑，一般q荡频率在几兆赫以下的LC回路，C值可选几百皮法，振荡频率在几十兆赫时，C值可选为几十皮法。因此，仍然存在对L或C的选择问题。当确定了C后，取得C=1uf，可按下式计算电感L 得出L=10uh

一般情况下，为了取得振荡频率的稳定，C值应取得大些好，这样可以减小晶体管极间电容和引线寄生电容的影响。然而，C值取得过大时，则会使振荡回路的Q值和谐振阻抗降低，使电路的负载能力和振荡振幅减小，波形变坏。

第四章 实验仿真结果及误差分析

4.1电路原理图

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。

NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。此次课程设计中，在对电路各参数计算之后，得到电路图，将电路图中元件在Multisim软件中放置并连接导线，对其进行仿真，其仿真电路图如图4-1所示

图4-1 基于multisim的仿真原理图

4.2 电路仿真

图4 -2就是所设计的电容三点式反馈式正弦波振荡电路。同样让电路在Multisim中仿真，示波器参数调整为：X轴扫描为10us/Div，A通道Y轴幅度为2V/DiV。。打开电源开关，可观察输出信号波形。关闭电源，拖动读数指针，可以测量信号的周期。图4 -2是仿

真后得到的正弦波形。

图4-2 电路仿真结果图

4.3实验结果误差分析

在这次的课程设计中，误差是存在的，计算值和理论值之间是有差距的，它们分别是读数误差，仪器自身误差，系统误差等。

原因：1、由于游标以格为单位，因此读数时选取的幅值最大的点与实际有差别。 2、电阻、电容本身就存在误差，而且正弦振荡器存在系统误差，这些都是无法避免的。

虽然我们无法避免误差，但我们可以尽量减小误差。在读数时要看仔细，认真，按要求操作。选用性能较高的仪器。这样做，可以 将误差尽量减小。

实际上，误差均较小，主要由于电路不稳定以及读数精度造成的。实际测量中发现，即使电路处于稳定状态，频谱仪中的曲线仍有小幅度拨动，仍然存在误差，这是无法避免的。

第五章 结束语

课程设计诚然是一门专业课，给我们很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我们莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我们对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我们掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等，掌握了可调直流稳压电源构造及原理。

在本次课程设计中我们学到了许多书本上没有的知识，比如做任何事情都要仔细人，一个小的差错就可能导致整个工作的前功尽弃，反之，认真可以发现“柳暗花明又一村”的效果。遇到实际问题时，只要认真思考，用所学的知识，一步步的探索，完全可以解决一般的问题，并且通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关模拟电子技术方面的知识。实践出真知，通过亲自动手操作，使我们掌握的知识不再只是纸上谈兵。

回顾起此课程设计，至今仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。 最后衷心感谢老师在课程设计之中给我们的指导，让我们能够完整的完成此次课程设计。

参考文献

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[10] 徐惠民、安德宁． 单片微型计算机原理接口与应用[M]． 第1版． 北京：北京邮 电大学出版社，1996

附录 元器件列表

答辩记录及评分表