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电子线路设计课程设计说明书格式

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2020年4月19日
文档仅供参考

中北大学
课 程 设 计 说 明 书

学生姓名:
崔妮 
学 号：

学 院:
电子与计算机科学技术学院 
专 业:
 微电子学
题 目:
电压控制LC振荡器

指导教师： 苏淑靖 职称: 副教授

年 12 月 26 日

目录
1、课程设计目的
2、课程设计内容和要求：
2.1、设计内容
2.2、设计要求
3、 设计方案
3.1、设计思路
3.2、工作原理及硬件框图
3.3、硬件电路原理图
3.4、PCB版图设计
4、课程设计总结
5、参考文献

1、课程设计目的
1）综合运用所学的理论知识，掌握一般电子线路分析和设计的基本方法和步骤；
2）培养一定的独立分析问题、解决问题的能力；
3）实践利用PROTEL99SE软件绘制电子线路原理图；
4）实践利用multisim软件仿真电子线路原理图；
5）学会说明书的规范整理和书写。
2、课程设计内容和要求：
2.1、设计内容
电压控制LC振荡器
2.2、设计要求：
1． 振荡器输出为正旋波，波形无明显失真
2． 输出频率范围：15MHZ~35MHZ。
3． 输出电压峰峰值：Vpp=1V+0.1V
3、 设计方案
3.1、设计思路
剖析
本课题要求设计并制作一个电压控制的LC 正弦波振荡器，即用电压控制LC类型的振荡器,并实现输出电压的峰峰值恒定在1V±0.1V并能用示波器显示输出电压的峰峰值。根据以上要求可知，该设计除具有压控LC 振荡电路外还要有频率合成、幅度控制和示波器显示输出波形和频率。由于输出频率范围很宽，LC 振荡电路还需要根据频率范围分段切换来实现对15MHz～35MHz 频率范围的覆盖。本设计经过改变变容二极管两端的电压改变输出频率。
本课题要求设计一个电压控制LC振荡器，振荡器输出波形为无失真的正弦波。设计中采用分立元件组成电压控制LC振荡器，采用西勒振荡电路实现振荡效果，采用滑动变阻器改变输入电压，采用电压反馈电路使输出电压幅值稳定在1V±0.1V。
3.1.1 电压控制LC振荡器的设计与比较
人们一般把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。
(1)、振荡器的比较
在各种振荡电路中，LC振荡电路是比较常见的一种。LC正弦波振荡电路可分为变压器反馈式、电感三点式和电容三点式。
常见的LC振荡电路有以下几种：
方案一：变压器反馈式 。调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较稳定。调发电路只能解决起始振荡条件和振荡频率的问题，不能决定振幅的大小。调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，幅度较大谐波成分较小。互感耦合振荡器在调整反馈（改变耦合系数）时，基本上不影响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器，而且灵活性较差。一般应用于中、短波波段。变压器反馈式振荡器的优点是易于起振，且频率调节方便，但缺点是输出波形不太好，一般超外差收音机中的本机振荡器多采用这种振荡电路。
方案二：采用电感三点式振荡。由于两个电感之间有互感存在，因此很容易起振。另外，改变谐振回路的电容，可方便地调节振荡频率，由于反馈信号取自电感两端压降，而电感对高次谐波呈现高阻抗，故不能抑制高次谐波的反馈，因此振荡器输出信号中的高次谐波成分较大，信号波形较差。电感反馈式振荡电路中N1和N2之间耦合紧密，振幅大，当C采用可变电容时，能够获得调节范围较宽的振荡频率，最高振荡频率可达几十兆赫兹，由于反馈电压取自电感，对高频信号具有较大的电抗，输出电压波形中常含有高次谐波。因此，电感反馈式振荡电路常见在对波形要求不高的设备中，如高频加热器，接收机的本机振荡器等。
方案三：采用电容三点式振荡器。电容三点式振电路的基极和发射极之间接有电容 ，反馈信号取自电容两端，它对谐波的阻抗很小，谐波电压小，因而使集电路电流中的谐波分量和回路的谐波电压都较小。反馈信号取自电容两端，由于电容对高次谐波呈现较小的容抗，因而反馈信号中高次谐波分量小，故振荡输出波形好，而且电容三点式振荡器的频率稳定，适于较高工作频率。电容三点式振荡器的反馈电压取自电容C2，且由于电容对高次谐波呈现的阻抗很小，因而反馈电压中谐波分量小，输出波形较好。而且电容C1和C2的容量能够选得较小，振荡频率可达100MHz以上。
考虑到本设计中要求频带较宽，输出波形好，因此选择方案三，采用电容三点式振荡器作为本设计振荡器类型。
(2)、压控LC 振荡模块
方案一：采用高稳定度适用于产生固定频率场合的克拉泼（Clapp）经典振荡电路。
方案二：采用高稳定度的西勒（Seiler）经典振荡电路，如图2—2所示。

图1西勒振荡电路
以上两种方案中，方案一采用克拉泼电路，该电路振荡频率较为稳定，但该
振荡的频率覆盖系数（即高端频率与低端频率之比）不可能做得很高，一般约为1.2～1.3，若要覆盖15～35MHz，至少要分3～4 段。而且该振荡在一个较宽的波段内输出幅度不均匀，频率升高后不易起振。因此该方案不予采纳。而方案二采用西勒电路，克服了克拉波振荡器的缺点在电感上并接一个可调电容调节振荡频率，该电路较易起振，振荡频率也较为稳定，当参数设计得当时，覆盖范围可达1.6～1.8，因此只需2～3 段即可覆盖设计要求的15～35MHz 的频率范围。故采纳方案二的设计。
这种电路的特点是：振荡频率由C3、C4决定，但反馈系数由C1、C2决定，解决了基本三点式振荡设计中存在的改变振荡频率会引起反馈系数改变的矛盾。本设计选用变容二极管取代C4实现本系统的核心模块—VCO电路，西勒振荡电路的原理图如图2—2所示。
3.1.2 功率放大器的设计和比较
高频功率放大器有多种形式，有甲类（=）、乙类（=）、丙类（＜）、丁类。理论上说导通角越小即导通时间越短，电路工作的效率越高，但为还原初始信号所需的后级电路也越复杂。
甲类互补放大器和乙类放大器适用于线性放大，多用于宽带功率放大，可是效率较低，理论最大值分别为50％和78.5％；丙类、丁类适用于固定频率的放大电路中在放大等幅信号时，放大器一般工作在丙类状态，而放大高频调幅信号时一般工作在乙类状态，丙类放大器的效率高，且具有选频作用的谐振网络能滤去谐波，从严重失真的电流波形中得到不失真的电压输出。
放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率，它一般工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时能够工作在乙类。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，能够采用谐振回路作负载，故一般工作在丙类，经过谐振回路的选频功能，能够滤除放大器集。电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。因而工作在丙类状态，其谐振网络主要是用来从失真的电流脉冲中选出基波、滤除谐波，从而得到不失真的输出信号。
根据实际要求该放大器属于选择频率段的放大器，丁类在规定时间内较难设计制作，由于丙类放大器效率较高且容易制作和调试，且具有选频作用的谐振网络能滤去谐波，从严重失真的电流波形中得到不失真的电压输出。因此我们选择了丙类谐振放大器作为本设计的功率放大器。
3.1.3 LC振荡器控制信号的实现比较
方案一：采用VCO,函数发生器，如ICL8038。它经过改变外加控制电压，改变芯片內的电容充电电流，从而能够输出一定频率的正弦波。可是其输出的频率较低，而且频率的稳定度差，频率的难以控制检测。
方案二：采用锁相环路技术，利用锁相环，使振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需的频率上，从而产生稳定的VCO控制电压，这样大大提高了控制信号的稳定性。但锁相环路技术是利用误差信号电压去消除频率误差的自动控制电路。
方案三：采用普通电压源，经过滑动变阻器改变LC振荡器的输入电压来实现对LC输出频率的控制，这种方案能够实现较小的频率间隔。
因此，根据本课题设计要求，方案三比较适用，更方便了本设计电路的制作和调试。
3.2、工作原理及硬件框图
本设计主要经过振荡器电路产生一定的振荡频率，选用西勒振荡器达到输出为不失真的正弦波，其稳定度优于10-3。电路经过输入电压控制振荡频率，经过改变输入电压来控制变容二极管两端的电压，使频率随着电压的变化而变化。振荡电路输出的电压经过耦合电容连接到放大电路中，放大后的电压使其输出值控制在1V左右，从而达到本设计的设计指标。
振荡电路
放大电路
变容二极管
耦合电容
输出
输入电压

3.3、硬件电路原理图
电路原理说明：该压控振荡器由西勒振荡器组成，其中由R1、R2、R3及晶体三极管Q1等组成振荡电路，由C3、C4、C5、Rp1、L2及变容二极管等元器件组成振荡器的选频网络，完成频率选择。经过调节可变电阻Rp1来改变电压的大小，从而改变变容二极管两端的电压，使输出频率发生改变，达到设计目标中电压控制LC振荡器的指标。耦合电容C6隔离前后极电路，使晶体三极管的静态工作点不受后极电路的影响，工作在放大状态。

图2—1 压控LC振荡器电路原理图
3.3 功率放大电路的设计
本设计采用高频功率放大器，在其设计中首先要考虑的是晶体三极管的选择。一般在选择过程中晶体管的极限参数将是选择的主要依据。这些参数包括：集电极最大允许电流，反向击穿电压，二次击穿，集电极最大允许损耗功率，晶体管的安全工作区等等。根据本设计的工作频率和输出电压的要求，本设计选用共发射极电路作为放大电路，设计中晶体三极管工作在放大状态。电路图如图3—4所示。

图2—2功率放大电路的设计
设计中电路采用两级放大实现，利用三极管9018将压控振荡器输出的电压进行放大，前一级电路工作在甲类状态，在频率改变的情况下，电压负反馈使输出电压稳定在1V±0.1V。后一级电路能够进一步提高放大器的工作效率。后级的三极管3DA5109工作在丙类状态，能够提高功率放大器的功率。T1为中介耦合变压器，能把Q1的功率完全的传输到工作在丙类的Q2上。为了防止失真过大，输出端采用并联谐振电路。当负载为容性时，采用串联谐振回路。这样能够使输出功率和效率都到达最大值。在该电路中，能够保持输出电压稳定在1V±0.1V。
为了稳定静态工作点，设计中射极放大电路采用分压式偏置电路。
3.4测试
1）输出波形的测试
用示波器测试电路观察产生的波形是否符合设计的要求。经过调节示波器，使得波形的产生更加符合设计标准。在测量波形的时候，要注意的是波形的产生，若测得波形的图像不符合我们所要的标准，可经过调节示波器或者调节电阻电容值来改变波形输出的大小及波形的变化范围。如图4-1所示是本设计的仿真波形图，输出为无失真正弦波波形。
2）输出电压峰峰值的测试
根据示波器的测试数据及其波形，来测试输出电压的峰峰值是否达到设计目标，也可用数字式万用表测量输出电压。经过调节频率或者改变电阻电容的阻值，来判断电压的稳定度是否在1V左右
3）测量数据结果
经过测量电压、频率和波形，从而产生本系统中与要求相符合的数据。测量的数据中，电源电压的测量值在1V左右，频率的测量范围也在15～35MHz左右。在测量时，因为电容、电阻和晶体管的参数影响，最后测得的值，在一定程度上出现了误差。
电压峰－峰值测试：
调节LC振荡频率从15～35MHz变化，用示波器观测输出电压的峰峰值，得到数据如表所示。
振荡频率(MHz)
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
电压峰峰值(V)
1.10
1.09
1.08
1.10
1.09
1.06
1.03
1.05
1.10
1.09
1.00
振荡频率(MHz)
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
电压峰峰值(V)
1.01
0.99
1.02
1.00
1.00
1.01
1.00
1.02
0.98
0.98
0.91

3.4、PCB版图设计

4、课程设计总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.
回顾起此次课程设计，我感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，能够说得是苦多于甜，可是能够学到很多很多的的东西，同时不但能够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。经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
在这次设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤指导下，终于顺利完成。在此我表示衷心的感谢！
5、参考文献
1、毕满清主编．电子技术实验与课程设计.第3版.北京：机械工业出版社， 。
2、陈晓文主编．电子线路课程设计.第1版.北京：电子工业出版社， 。
3、林春方. 高频电子线路.北京:电子工业出版社, 。
4、稻叶保.振荡电路的设计与应用.北京：科学出版社， 。

变容二极管实质上就是一个结电容随外加反向偏压变化范围比较大的PN结晶体二级管。根据理论分析，谐振回路频率为：
（2-1）
因此变容二极管使谐振回路频率最大变化比为
(2-2)
要求振荡输出频率范围15MHz~35MHz,因此
（2-3）
则变容二极管电容覆盖系数
（2-4）
由上述计算，选取变容二极管I321实现该频段的频率输出.
为了提高输出波形的稳定性并展宽频率范围，我们实际采用的是改进型的电容三点式振荡电路——西勒振荡电路。我们选用小功率高频管3DG4E，其fT=200兆赫，选hfe=50至100左右的管子。
电路工作于临界状态时，集电极电流2.4mA
0.2=0.2×12=2.4V
故可计算出射极电阻值1KΩ
我们取下偏置电阻=9×1000=9KΩ（实际为9.1 KΩ）
那么上偏电阻26.1 KΩ
取耦合电容0.047μF，
谐振时C =100pF，电感可按下列经验公式计算
得0.4μH
集电极电路中扼流圈的电感值应远大于电感L之值，这里选用1毫亨的扼流圈。
取反馈系数F=1，则C6 = C7=（1+F）C =（1+1）×100 = 200pF
由于本题目要求振荡器的输出频率为15MHz~35MHz，而且频率变化范围要达到20MHz，如果用普通LC型压控振荡器（VCO）在满足相位噪声以及输出幅度平稳压控曲线非线性较小的情况下，覆盖只能做到10MHz的量级，难以再展宽，这是因为宽覆盖与低相位、噪声等要求均存在矛盾。为了解决这一矛盾，我们采用波段开关转换的办法，以实现频率覆盖20MHz的要求。
变容二极管是一种频率变化范围较大的二极管，当变容二极管上反向偏压越大，结电容越小，反之亦然。由于结电容是随反向偏压变化的，因此它相当于可变电容器。它的主要优点是能够获得较大的频移，线路简单，而且几乎不需要用调制功率。
当谐振从最高fmax变化到最低值fmin时，谐振回路频率覆盖系数 按上图中调谐回路覆盖系数可写为
接题目要求，fmax=35MHz，fmin=15MHz，所需要的变容二极管覆盖系数为=5.4