LC调频振荡器说明书.doc

通信电子线路课程设计说明书

LC调频振荡器

院 、 部： 电气与信息工程学院
学生姓名： 陈超
指导教师： 张松华 职称 副教授
学 号： 11401340322
专 业： 通信工程
完成时间： 2013年12月09日

摘 要

LC正弦波振荡器是各种接收机和发射机中一种常见的电路，在无线电通信、广播、电视设备中用来产生所需要的载波和本机振荡信号。其典型形式为“三点式”振荡电路，电路简单、频率稳定度较高，其工作原理是建立在正反馈基础上将直流电源提供的能量变成正弦交流输出。克拉泼振荡器是改进型“电容三点式”振荡器，其减小了晶体管极间电容对谐振的影响，其振荡频率更加稳定。
直接调频:调频电路是发射机中常见的一种电路，调频分为直接调频和间接调频，本设计直接调频，直接调频是用调制电压去控制LC回路参数，其特点是：振荡调制同时进行，故频率稳定性较差，但其频偏大，电路简单。常用的是变容二极管直接调频电路和电抗管调频。
LC调频振荡器是LC振荡器和调频电路的连接,常用于发射机中，通过调制信号对高频振荡信频率的调制，实现了频谱的非线性变换。
关键词：克拉泼振荡器；调频电路；LC调频振荡器；Multisim仿真

ABSTRACT

目 录

1 课程设计任务书 5
1.1 设计任务 5
1.2 主要技术指标 5
1.3 设计思想 5
2 概论 6
2.1 设计目的 6
2.2 LC振荡电路的实现方法 6
2.3 调频电路实现方法 7
3 各部分设计及原理分析 8
3.1 LC振荡器电路的设计 8
3.2 调频电路的设计 9
3.3 LC调频振荡器电路的设计 10
3.3.1 总设计思路 10
3.3.2 电路原理图 11
4 元件参数的确定 11
4.1 LC振荡器电路参数的确立 11
4.1.1 设置静态工作点 11
4.1.2 确定振荡回路元件值 11
4.2 调频电路参数的确定 12
5 仿真与调试 13
5.1 电路仿真 13
5.1.1 仿真电路 13
5.1.2 仿真图形及结果 13
5.2 实物电路调试 15
结束语 17
致 谢 18
参考文献 18
附录 19

2 概 论

1.1 设计目的
1、通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《高频电子线路》中所学的理论知识和实验技能，掌握常用电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力。
2、掌握电子电路分析和设计的基本方法。根据设计任务和指标初选电路；调查研究和设计计算确定电路方案；选择元件、安装电路、调试改进；分析实验结果、写出设计总结报告。
3、通过严格的科学训练和设计实践，逐步树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，并逐步建立正确的生产观、经济观和全局观，能对实验结果独立地进行分析，进而做出恰当的评价。
1.2 设计任务
设计一个LC调频振荡器
1.3 主要技术指标
（1）主振频率=10；
（2）频率稳定度；
（3）输出电压；
（4）最大频偏；
（5）调制灵敏度；

2 设计方案

2.1 设计思想
LC调频振荡器的设计，是根据LC调频振荡器的中心频率、频率稳定度 /、输出电压Uo、最大频偏、调制灵敏度等性能指标要求，正确地确定出LC正弦波振荡器、变容二极管调频电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。
LC调频振荡器的设计可以分两个方向进行：
1）LC正弦波振荡器的确定
根据给定的技术指标：中心频率=10，频率稳定度确定LC振荡电路的形式为电容三点式的克拉泼电路。本设计采用2N2222和LC设计的振荡电路。
2）变容二极管调频电路的确定
根据频率稳定度/、最大频偏选择线路，采用直接调频，再确定变容二极管的接入系数，确定调制信号电压。
2.2 LC振荡器电路的实现方法
1）平衡条件
振荡建立起来之后，振荡幅度不会无限制地增长下去，因为随着振荡幅度的增长，放大器的动态范围就会延伸到非线性区，放大器的增益将随之下降，振荡幅度越大，增益下降越多，最后当反馈电压正好等于原输入电压时，振荡幅度不再增大而进入平衡状态。平衡条件是研究振荡器的理论基础，利用振幅平衡条件可以确定振荡幅度，利用相位平衡条件可以确定振荡频率。式（2-1）、（2-2）即为相位平衡条件和振幅平衡条件：
(n=0，1，2，...) （2-1）
T=︱A0F︱=1 （2-2）

2）起振条件
为了确保振荡器能够起振，设计的电路参数必须满足︱AoF︱>1的条件。而后，随着振荡幅度的不断增大，Ao就向A过渡，直到AF=1时，振荡达到平衡状态。显然，AoF越大于1，振荡器越容易起振，并且振荡幅度也较大。但AoF过大，放大管进入非线性区的程度就会加深，那么也就会引起放大管输出电流波形的严重失真。所以当要求输出波形非线性失真很小时，应使AoF的值稍大于1。式（2-3）和（2-4）分别称为振荡器起振的相位条件和振幅条件：
(n=0，1，2，...) （2-3）
（2-4）
2.3 调频电路的实现方法
实现调频的方法有两大类，即直接调频与间接调频。
1）直接调频法
直接调频就是用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其与调制信号成线性规律变化。在LC正弦振荡器中，由于振荡频率近似等于振荡回路谐振频率，在振荡回路中接入可控电抗元件，用调制信号去控制可变电抗元件的电抗值，从而使振荡频率随调制信号变化，实现直接调频。直接调频优点是频偏较大，但中心频率不易稳定。其组成框图如图1：
可控电抗元件
克拉泼振荡器

调制电压

图1 直接调频电路组成框图

2）间接调频法
先将调制信号进行积分，然后用它对载波进行调相，从而获得调频信号，称为间接调频法。间接调频实现的原理框图如图2所示：

图2 间接调频电路组成框图
我们主要技术要求是：频偏尽量大，并且与调制信号保持良好的线性关系；中心频率的稳定性尽量高；寄生调幅尽量小；调制灵敏度尽量高。根据题目要求，其频率稳定度/≤，最大频偏，我们决定采用直接调频法来设计电路。

3 原理图设计

3.1 LC振荡器电路的设计
LC正弦波振荡器的作用是产生高频正弦波。在本设计中用于产生10MHz的正弦振荡信号。如图3所示，由晶体管Q1及LC谐振回路组成改进型“电容三点式”振荡器即克拉泼振荡电路，它被结为共基组态。

图3 LC正弦波振荡原理图
为基极耦合电容，其静态工作点又RB1,RB2 ,RE及Rc决定，即：
（3-1）
（3-2）
（3-3）
（3-4）
小功率振荡器的静态工作电流一般为1～4mA，偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重,频率稳定性变差。L1、C1与C2、C3组成并联谐振回路，其中C3两端的电压构成振荡器的反馈电压,以满足相位平衡条件。F=C2/C3决定反馈电压的大小，电路起振条件为F>1，当F=1时，振荡器满足相位平衡条件。反馈系数F一般取1/8到1/2。
为减少晶体管的极间电容对回路振荡频率的影响，要求C1<<C2，C1<<C3,则回路振荡频率主要由C1决定,即：
（3-5）
C1越小，振荡频率稳定度越高，放大倍数越小，但如C1过小，振荡器不满足振幅起振条件而停止振荡。
3.2 调频电路的设计
变容二极管通过C4部分接入振荡回路，有利于提高中心频率fo的稳定度，减小调制失真。图4为变容管部分接人振荡回路的等效电路。变容管和C4串联，再和C3并联构成振荡回路总电容C：
（3-6）
式中Cj为变容二极管的结电容。它与外加电压的关系为
（3-7）

图4 变容二极管部分接入的等效电路

3.3 LC调频振荡器电路的设计
3.3.1 总设计思路
LC调频振荡器的工作流程如下：LC调频振荡器一般由LC正弦波振荡器与变容二极管调频电路两大部分组成。其中，LC正弦波振荡器用于产生一定频率和幅度的信号，无须外加输入信号的控制，就能自动将电能转换为所需要的交流能量输出，即自激振荡；将变容二极管通过电容Cc耦合接入LC振荡回路中，而变容二极管电容的改变是由调制信号决定的，从而实现对LC正弦波振荡器频率的调制，实现调频。
LC调频振荡器组成框图，如图5所示：

图5 LC调频振荡器的组成框图
3.3.2 电路原理图
电路原理图如图6示：

图6 电路原理图
调频电路由变容二极管和它的偏置电路组成。其中R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压VQ，它给变容二极管提供反向偏压。VQ=[R2/(R1+R2)]Vcc。电阻R3为隔离电阻，常取R3>>R1，R3>>R2,以减小加入变容二极管偏置电路后对振荡回路Q值的影响。高频扼流圈ZL2与C6给u(t)提供通路，C5起高频滤波作用。

4 电路元件参数确定

4.1 LC振荡器电路参数的确定
4.1.1 设置静态工作点
振荡器的静态工作点取ICQ=2mA，VCEQ=6V，测得晶体管=60。
因RE+RC=(Vcc - VCEQ)/ ICQ，为提高电路的稳定性，RE的值可适当增大，取RE=1kΩ，则RC=2kΩ。因      VEQ=ICQ×RE=2V (4-1)
若取流过RB2的电流 IB2=10IBQ=10ICQ/=0.33Ma (4-2)
则     RB2=VBQ/IB2≈8.2kΩ (4-3)
因 (4-4)
即     RB1=vccRB2/VBQ-RB2=28.2kΩ (4-5)
RB1用24kΩ电阻与22kΩ电位器串联，以便调整静态工作点。
4.1.2 确定振荡回路元器件值
若取C1=50pF，且fo=10MHz，由公式

得 L1=5μH
电容C2、C3由反馈系数F及电路条件C1<<C2，C1<<C3决定，若取C2=510pF，由F=C2/C3= 1/8～1/2，则取C3=3600pF，取耦合电容CB=0.01uF。
4.2 调频电路参数的确定
变容管的静态反偏压U由电阻R1与R2分压决定，
即 VQ={R2/(R1+R2)}Vcc
已知VQ=4V，若取R2=10K，则R1=(Vcc/VQ-1)R2=20K
实验时R1用24kΩ电阻与22kΩ电位器串联，以便调整静态偏压U。
隔离电阻R3应远大于R1、R2，取R3=150kΩ。
低频调制信号U的耦合支路电容C5及电感L2应对U提供通路，一般的频率为几 十赫至几十千赫兹，故取C5=4.7uF，L2=47uH（固定电感）。高频旁路电容C6应 对调制信号U呈现高阻，取C6=5100pF。

5 仿真与调试
5.1 电路仿真
5.1.1 仿真电路
图7 仿真电路

5.1.2 仿真图形及结果
LC振荡器的输出频率fo称为主振频率或载波频率。用数字频率计测量回路的谐振频率fo，高频电压表测量谐振电压Uo，示波器检测振荡波形。起振波形如图8所示。调频测试电路如图9所示，幅值及频率分别如图10和图11所示。

图8 起振波形
图9 LC振荡器波形

图10 输出电压Uo

图11 频率fo

5.2 实物电路调试

图12 实物振荡波形
由波形得振荡波形f=10.31MHz
误差S%=（10.31-10）/10=3.1%

图11 实物调频

数据分析
由图9、图10知频率fo为10MHZ，电Uo为693mV,对比技术指标中心频率fo=10MHZ知符合技术要求指标，所得波形为高频正弦波，符合LC正弦波振荡器所得波形。
主振频率fo的相对稳定性用频率稳定度/表示。我们在仿真图10每隔几分钟读一个频率值，然后取其范围内的最大值max与最小值min，则频率稳定度

求得其频率稳定度大约为（～）/小时，对比课题中给出的频率稳定度为/≤知此电路符合要求。
灵敏度：
SF=d（△f）/d（uΩ）
得灵敏度满足SF≥10KHz/V

误差分析
1)误差计算
fo%=（10.001-10.000）100%/10.000=0.0001%

2)误差原因
由于调频振荡器的工作频率较高，三极管的结点电容、电感、电容的分布及测量仪器对实验结果会有一定的影响。电路中测量仪器的影响，电路参数的可调性大。LC振荡器使用中不可避免地会受到各种外界因数的影响，使得这些参数发生变化导致振荡频率不稳定。

调试中的问题
实验中振荡电路接通电源后，有时不起振，但有时在外界信号强烈触发下会起振，或者在波段振荡器中有时只在某一频段振荡，而在另一频段不振荡。经过讨论分析，知道这些现象无非是没有满足相位平衡条件或振幅平衡条件。如果在全波段内不振荡，首先要看相位平衡条件是否满足。此外，还要在振幅平衡条件所包含的各种因素中找原因，例如：
1、静态工作点选的太小。
2、电源电压过底，使振荡管放大倍数太小。
3、负载太重，振荡管与回路间耦合过紧，回路Q值太低。
5、反馈系数太小，不易满足振幅平衡条件。但反馈系数并非越大越好，应适当选取。

结 束 语

通过近一个月对理论的研究，设计思路的摸索，我们成功做成了LC调频振荡器，无比兴奋。以我们目前掌握的知识显然应对课程设计是很困难的，我们小组收集到很多很好的资料，从设计原理到设计过程、思路都给我们很大的帮助，同时也加深了对理论知识的理解，尤其是振荡与调频电路增进了理解。这次设计，根据课题的技术指标，在进行了数据计算，基本上完成了设计的整体方案。我们团体协作，共同完成了LC调频振荡器的设计任务，总的来说是基本上实现了设计所要求的功能，但一定程度上还是有很多不足之处。这次设计也培养了我们的电路设计基本思路和方法，提高了我们综合运用知识的能力以及分析问题、解决问题的能力，培养我们对专业知识的兴趣，也在一定程度上提高了我们写作论文的能力，从而基本上达到了这次课程设计的目的。我也明白理论和实际是不同的两个环节，就比如，设计出来的电路在理论上是可行的，但是实际做出来的板子可能也会没有波形出现，这就需要调试，调试又要从理论上找准修改的元器件的值，所以在这次理论与实践相结合的设计中，我收获颇多。

致 谢

在此次课程设计中，我要向帮助我们的人们表达最诚挚的谢意。感谢指导老师的悉心指导，帮助我分析思路，开拓视野，解决问题。张老师治学严谨，使我受益终身。其次，我还要感谢我们组的其他成员，在我们共同努力下，完成了此次设计。这是一个快乐的过程，感谢这次设计，我学会了很多。

参 考 文 献

[1] 胡宴如. 高频电子线路【M】.北京：高等教育出版社，1993
[2] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试【M】.武汉：华中科技大学出版社，2003
[3] 康华光. 电子技术基础【M】.高等教育出版社，1979

附 录

附录一 元件清单

三极管
2N2222
变容二极管
BB910
电容
极性电容 ： C5=4.7μF
非极性电容：C1=50pF ，C2=510pF，C3=3600pF， C4=50pF， C6=5100Pf，
=10nF， Cc=51pF

电阻
滑动变阻器： R=22KΩ
电阻：RB1=24 KΩ,=10 KΩ ,=2 KΩ,=1KΩ,=20 KΩ =10 KΩ,=150KΩ
电感
L1=5μH L2=47μH

附录二 PCB图

附录三 原理图

附录四 实物电路板

【本文档内容可以自由复制内容或自由编辑修改内容期待你的好评和关注，我们将会做得更好】

精选范本,供参考！