高频振荡器课程设计高频电子线路课程设计说明书.docx

高频电子线路 课程设计说明书题目： 振荡器的设计学生姓名： 学 号： 院 （系）： 专 业： 电子信息工程 指导教师： 周丽丽 2015年1月5日目 录1 选题背景12 课程设计目的13 课程设计题目描述和要求13.1 课程设计题目描述13.2 课程设计要求14 课程设计报告内容24.1 设计方案的论证：24.2 元器件参数的计算104.3 仿真结果与分析124.4 仿真注意事项185 结论19附录21参考文献24振荡器设计1 选题背景振荡器（Oscillator）是一种能量转换装置。它的能量来源一般是直流形式（振荡器电路的直流供电电源）。经过振荡器转换后，此直流能量转换为一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出。这种电能的“转换”过程被称作“振荡”(Oscillation）。振荡器的作用是产生特定的输出信号，因此也常常被称为信号发生器（signal creator）。振荡器的类型繁多，按照振荡过程是否依赖于外部激励信号的参与，可以分为他激振荡器和自激振荡器；按照波形分类有正弦波振荡器和非正弦波振荡器；按照振荡器振荡频率的高低，可以分为低频振荡器、高频振荡器、超高频振荡器等；按照振荡器的选频元件分类，则有RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器等。晶体振荡器作为电子设备的重要器件，对电子设备的总体性能指标起着非常重要的作用。本文介绍高频高精度正弦波振荡器的研制，高频高精度振荡器具有体积小、中心频率稳定、输出幅度稳定、频率稳定度高、非线性失真小的特点。振荡器是一种能自动的将直流能量转换成有一定波形的振荡器信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于无需外加激励信号就能产生具有一定频率，一定波形和一定振幅的交流信号。振荡器输出的信号频率、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。振荡器在现代科学技术领域中有着广泛的应用。例如，在无线电通信、广播、电视设备中用来产生所需的载波信号和本地振荡信号；在电子测量和自动控制系统中用来产生各种频段的正弦波信号等。正弦波振荡器主要有决定振荡频率的选频网路和维持振荡的正反馈放大器组成，这就是正反馈振荡器。高频正弦波振荡器可分为LC振荡器、石英晶体振荡器等。正弦波振荡器的主要性能指标是振荡频率的准确度和稳定度、振荡幅度的大小其稳定性、振荡波形的非线性失真、振荡器的输出功率和效率。2 课程设计目的设计一个石英晶体震荡器和一个电容式三端震荡器。设计采用正弦波发生电路,正弦波发生电路通常称为正弦波振荡器。不需要外加任何输入信号就能根据要求而输出特定频率的正弦波信号。3 课程设计题目描述和要求3.1 课程设计题目描述本次设计采用正弦波发生电路,正弦波发生电路通常称为正弦波振荡器。是模拟电子电路的一种重要形式。特点是不需要外加任何输入信号就能根据要求而输出特定频率的正弦波信号。这种特点称为“自激振荡”。波形发生电路是非常典型的正反馈放大电路。与放大器一样,震荡器也是一种能量转换器,但不同的是振荡器无需外部激励就能自动地将直流电源提供的功率转换为指定的频率和振幅的交流信号功率输出。振荡器一般由晶体管等有源器件和具有某种选频能力的无源网络组成。3.2 课程设计要求设计要求：1）设计一个晶振振荡器 主要技术指标：晶振频率为20MHz，输出信号幅度5V（峰-峰值），可调 2)设计一个电容三点式振荡器 主要技术指标：振荡频率为1520MHz，输出信号幅度5V（峰-峰值），可调；频稳度优于10-4K（S）4 课程设计报告内容4.1 设计方案的论证：图4-1 反馈型振荡器原理框图4.1.1 产生自激振荡的条件1）平衡条件反馈振荡器的原理框图如图，先通过输入一个正弦波信号，产生一个输出信号，此时，以极快的速度使输出信号，通过反馈网络送到输入端，且使反馈信号与原输入信号“一模一样”，同时切断原输入信号，由于放大器本身不能识别此时的输入究竟来自信号源，还是来自本身的输出，既然切换前后的输入信号“一模一样”，放大器就一视同仁地给予放大，形成：输出反馈输入放大输出反馈；这是一个循环往复的过程，放大器就构成了一个“自给自足”的自激振荡器。上述假设指出：只有反馈到输入端的信号与原输入信号“一模一样”。才能产生自激振荡，“一模一样”就是自激振荡的条件亦称平衡条件。因为是正弦波，而描述正弦波的三要素是：振幅、频率和相位。振幅相等；相位相同（若相位总相同，则频率和初相一定都相等）因为自激振荡是一个正反馈放大器，故可用反馈的概念来描述振荡条件。现以单调谐谐振放大器为例来看K（j）与F（j）的意义，若U0=UC，Ui=Ub,则：Kj=U0Ui=UcUb=IcUbUcIc=-Y(j)ZL（4-1）式中，ZL为放大器的负载阻抗ZL=-UcIc=RLejL（4-2）Yf(j)为晶体管的正向转移导纳。Yfj=IcUb=Yfejf （4-3）T(j)=KF=1 （4-4）此式要成立，则必有KjF(j)=1T(j)=KjF(j)=1 振幅平衡条件T=f+L+F=2n n=0,1,2, 相位平衡条件2）起振条件在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压Xi的产生原因有两种：一是在电路接通电源时取得。因为接通电源时，电路各处都存在瞬变过程，在输人端的瞬变电压即可作为起始输人电压；二是放大器中存在各种微小的电扰动和噪声电压。这两种原因所取得的起始电压包含着极为丰富的各种频率分量）它们中总会有符合相位条件的某个频率成分，最终成为自激信号的最初来源。至于振幅条件更容易满足，由于开环放大倍数A是无穷大，很容易满足起振条件KFl的要求。为了保证电路在指定的频率上振荡起来，常常为这种自激振荡器安排一个谐振在指定频率上的选频回路，使电路更容易在指定的频率上满足产生自激振荡的条件。放大器获得起始瞬时榆入电压了Xi后，接着产生输出信号电压和正反馈电压，并且经过放大器的选频后，指定频率的输出电压幅度增大了，反馈电压的幅度也增大，经过电路的正反馈、放大、再反溃、再放大的循环过程，使振荡电压由小到大逐渐建立起来。起振的最初来源是振荡器在接通电源不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等，例如：在加电时晶体管电流由零突然增加，突变的电流包含有很宽的频谱分量，在他们通过负载电路时，由谐振回路的性质即只有频率等于回路谐振频率的分量可以产生较大的输出电压，而其他频率成分不会产生压降，因此负载回路上只有频率为回路谐振频率的成分产生压降，该压降通过反馈网络产生较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入，进行放大，反馈,不断地循环下去，谐振负载上将得到频率等于回路谐振频率的输出信号。在振荡开始时由于激励信号较弱，输出电压的振幅U0较小，经过不断放大，反馈循环，输出幅度U0逐渐增大，否则输出信号幅度过小，没任何价值。为了使振荡过程中输出幅度不增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡。T(j)=1（4-5）称为自激振荡的起振条件也可写为T(j)=YRLF1 （4-6）T=f+L+F=2n n=0,1,2,（4-7）上式分别为起振的振幅条件和相位条件，其中起振的相位条件即为正反馈条件。3）稳定条件处于平衡状态的振荡器应考虑其工作稳定性，这是因为振荡器在工作过程不可避免地要受到外界各种因素的影响，如温度改变，电源电压的波动等等，这些变化将使放大器放大器啊倍数和反馈系数改变，破坏了原来的平衡状态，对振荡器的正常工作将会产生影响。如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能在原平衡点附近建立起新的平衡状态，而且当外界因素消失后，振荡器能自动回到原来平衡状态，则原来平衡点是稳定的；否则平衡点为不稳定。振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。要使振荡稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说既是，在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益的模值T应减小，形成减幅振荡，从而阻止振幅的增大，达到新的平衡，并保证新平衡点在原平衡点附近，否则，若振幅增大,T也增大, 则振幅将持续增大,远离元原平衡点,不能形成新的平衡,振荡器不稳定；而当不稳定因素使振幅减小时，T应增大，形成增幅振荡，阻止振幅的减小，再远平衡点附近建立起新的平衡，否则振荡器将是不稳定的。因此振幅稳定条件为TUi u i = u iA0（4-8）由于反馈网络为线性网络，即反馈系数大小F不随输入信号改变，故振荡器条件又可写为KUi u i = u iAW1。当外界因素消失后显然W2处不满足相位平衡条件，这时，f+F不变，但由于W2W1，L要下降，即这时Ub相对于Ub 的幅角Lw1+f+F0（4-12）这表示Ub落后于Ub ，导致振荡周期增长，振荡频率降低，即又恢复到原来的振荡频率w1。上述相位稳定是靠w增加，L降低来实现的，即并联振荡回路的相位特性保证了相位稳定。因此相位稳定条件为Lw w = w10（4-13）回路Q值越高，Lw值越大，其相位稳定性越好。4.1.2 电容反馈式三端振荡器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,如图根据谐振回路的性质,谐振时回路应呈纯电阻性,因而一般情况下,回路Q值很高,因此回路电流远大于晶体管的基极电流İb、集电极电流İc以及发射极电流İe,故由图有Ub=jXIUc=-jXI图4-3 三端式振荡器的组成F=-X2X1 （4-14）因此X1、X2应为同性质的电抗元件。即构成原则为：射同余异三端式振荡器有两种基本电路,如图所示。图(a)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,称为电容反馈振荡器,也称为考必兹(Colpitts)振荡器。图(b)为电感反馈振荡器,也称为哈特雷(Hartley)振荡器。图4-4 两种基本的三端式振荡器（a）电容反馈振荡器；（b）电感反馈振荡器1）三端电容反馈振荡器 图(a)是一电容反馈振荡器的实际电路,将 视为开路，将 视为短路图，则是其交流等效电路如图(b)。图4-5 电容反馈振荡电路（a）实际电路；（b）交流等效电路振荡频率：高Q时 f=f0=12LCC=C1C2C2+C2（4-15）与电感三端震荡电路想比，电容三端振荡器的优点是输出波形较好，这是因为集电极和基极电流可通过对谐波为低阻抗的电容支路回到发射极，所以高次谐波的反馈减弱，输出的谐波分量减少，波形更加接近于正弦波。其次，该电路中的不稳定电容（分布电容、器件的结电容等）都是与该电路并联的，因此适当的加大回路电容量，就可以减弱不稳定因素对振荡器的影响，从而提高了频率稳定度。最后，当工作频率较高时，甚至可以只利用器件的输入和输出电容作为回路电容。因而本电路适用于较高的工作频率。这种电路的缺点是:调或来改变震荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令与为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。2）改进型电容三点式(a)(b)图4-6 克拉泼振荡器电路（a）实际电路；（b）交流等效电路 (1)如图是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路它的特点是在前述的电容三点式振荡谐振回路电感支路中增加了一个电容C3，其取值比较小，要求C3C1，C3C3,C4，C1/C2=0.10.5的条件，故取C1=40pF则C2=60pF。4.2.2 串联石英晶体振荡器的计算1）确定三极管静态工作点如图是要设计的电路及其交流等效电路正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。振荡器主电路的静态工作点主要由R1、R2、Re决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路。图4-12 一种串联型晶体振荡器根据上述原则，由附录三极管2n3904的参数的选取ICQ=2mA，VCEQ=6V， =100；则有Rc=UCC-UCEQICQ=12-62=3K因：UEQ=ICQRe 则：UEQ=2mA3K=6V因： IBQ=ICQ 则：I BQ=2mA/100=0.02mA一般取流过Rb2的电流为510I BQ ,若取10I BQ因：R2=UBQ10IBQUBQ=UEQ+0.7则 R2=6.7V10*IBQ=6.7V10*0.0.2mA=33.5K因：R1=VCC-UBQUBQ R2则：R1=12V-6.7V6.7V33.5K26.4K2)交流参数的确定对于振荡器，当电路接为串联型振荡器时，晶体起到短路电阻的作用，输出频率应为20MHZ；主要频率由石英晶体决定，谐振回路只起微调的作用。由于没有20MHZ的石英晶体所以所以选25MHZ的石英晶体通过谐振电路来微调到20MHZ。本电路中，则回路的谐振频率 主要由C1、C2、L微调，即f=12LC=12L(C1C2)有L*C1C2=14*2*20*106=6.3310-17=63.310-610-12有为了计算简便取6410-610-12则取C3C4=8pF，L=8H本应去取C1=C2=8pF，L=8H但为了微调频则取C1=8pF，C2=10pF，L=10H4.2.2 克拉泼振荡器的计算它的特点是在前述的电容三点式振荡谐振回路电感支路中增加了一个电容C7，其取值比较小，要求C7C4，C7C5。先不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量C为C4、C5和C7的串联震荡回路的总电容为：C=11C5 +1C4 +1C7 C7所以可以得到振荡频率为：f0=12LC有LC7=1 2f02 =1(23.1420106)2 可取L=10H,取C4=C5=100pF, C2=C3=10nF4.3 仿真结果与分析4.3.1软件简介Multisim是一个专门用于电子线路设计与仿真的EDA工具软件，它是加拿大IIT公司（Interactive Image Technologise Ltd.）推出的继EWB之后的版本。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。学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。Multisim软件特点:1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。2)丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库， 包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。3)丰富的测试仪器：除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是：所有仪器均可多台同时调用。4)完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。5)强大的仿真能力：Multisim既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF)电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。4.3.2 西勒振荡器的仿真以下为Multisim对西勒振荡器的仿真：图14-13 西勒振荡器仿真图1）仿真结果图4-14 示波器波形图4-15 频率计读数图4-16 测量探针读数2）仿真分析仿真结果达到了预期效果（主要技术指标：振荡频率15-20MHz,输出信号幅度5(峰峰值)，可调；频率稳定度优于10-4）输出幅度可以通过调节负载上的滑动变阻器来改变。4.3.3 串联石英晶体自激振荡器的仿真以下为Multisim对晶体振荡器的仿真图4-17 晶体振荡器仿真图1）仿真结果图4-18 示波器波形图4-19 频率计读数图4-20 测量探针读数2）仿真分析仿真结果达到了预期效果（主要技术指标：晶振频率为20MHz，输出信号幅度5V(峰峰值)，可调）输出幅度可以通过调节负载上的滑动变阻器来改变。4.3.4 克拉泼振荡器的仿真以下为Multisim对克拉泼振荡器的仿真：图4-21克拉泼振荡器的仿真图1）仿真结果图4-22 示波器波形图4-23频率计读数图4-24 测量探针读数2）仿真分析随着C7的逐渐增大，振荡波逐渐稳定。当C7较小时，如，震荡波不太稳定，且太小时将不再起振。当C7较大时，震荡波比较稳定。因此，C7不能太小，一般应较大些。4.4 仿真注意事项4.4.1 间歇振荡防止方法：起振时KF不要太大外，主要方法是适当选取偏压电路中Cb、Ce的值。图4-21 间歇振荡时Ub与Eb的波形4.4.2 频率拖曳现象频率拖曳是在紧耦合的振荡器中，当变化一个回路的谐振频率时，振荡频率具有非单值的变化。防止方法：减小两回路的耦合。图4-22 变压器反馈振荡器(a)实际电路; (b)耦合回路的等效电路4.4.3 振荡器的频率占据现象在一般LC振荡器中,若从外部引入一频率为fs的信号,当fs接近振荡器原来的振荡频率f1时,会发生占据现象。4.4.4 寄生振荡在高频放大器或振荡器中,由于某种原因,会产生不需要的振荡信号,这种振荡称为寄生振荡。产生寄生振荡的形式和原因是各种各样的,有单级和多级振荡,有工作频率附近的振荡或者是远离工作频率的低频或超高频振荡。图4-23 低频寄生振荡的等效电路和波形5 结论这次课程设计历时两个星期左右，通过学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，理论知识还不够扎实。这次的课程设计也让我看到了个人力量的渺小，我认为一个人工作是很艰难的工作，自己犯了错误是很难发现的，只有等到做完在同学们检查以后才知道还有许多不足之处。我需要团队，需要合作，需要帮助。刚开始的时候，按照老师给的任务书，去找了资料，后来又积极的查询了相关资料，自己就动手开始一星期的设计。在课程设计中一个人知识的有限性往往是导致最终设计的片面，甚至是失败。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。在这个过程中，我也曾经因为无从下手，对设计问题的迷茫而失落过，也曾经为成功的画了一个原理图而热情高涨过。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程设计，可是平心而论，也耗费了我不少的心血，这就让我不得不佩服技术编书方面前辈，让我意识到老一辈对我们社会的付出是艰辛的。这次课程设计，做实体部分，我们在电子市场收获颇丰，看到了好多曾经学过的芯片和电子器件，在购买电子元器件时，让我们更加意识到理论上的薄弱部分，以及整体布局的熟悉程度。通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，和自己的这一星期一起面对，和同学们一起忙碌的日子，让我们相互帮助，多少人间欢乐在这里洒下。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！最后，我要感谢我的高频老师，谢谢老师这一学期来对我的教导。附录：(源程序清单)表1 西勒元器件西勒振荡器元器件名称型号数量备注电阻10K1电阻43K1电阻2K1电阻1K1电阻5.1K1三极管2N39041电位器500K1电位器5001电容4pF2电容40pF1电容60pF1电容10nF2电感8uH1开关1表2 串联石英晶体振荡器元器件串联石英晶体振荡器元器件名称型号数量备注电阻10K1电阻43K1电阻3K1电阻5.1K1电位器501电位器200K1三极管2N39041电位器100K1电容10pF1电容8pF1电容10nF2电容80nF1石英晶体15MHz1电感10uH1开关1表3 克拉泼振荡器元器件西勒振荡器元器件名称型号数量备注电阻1k1电阻24k1电阻5.1k1电阻56k1电阻3k1三极管2N39041电容1nF1电容1F1电容10nF1电容10pF1电容10nF1电容100pF2电感10H1电感300H1开关附图：图1 西勒振荡器实物图图2 串联石英晶体振荡器参 考 文 献1曾素琼.高频振荡器设计及其稳定度对比实验研究J.电子质量,2012,10:64-67+74.2张春香,盛蓓,涂小华.一种改进的数控振荡器设计及其FPGA实现J.江西化工,2012,04:86-88.3易鸿.一种低功耗低相位噪声的压控振荡器设计J.陕西理工学院学报(自然科学版),2014,06:25-29.4丁昊宇.宽频带CMOS压控振荡器设计D.西安电子科技大学,2014.5唐小宇.120MHz低相位噪声晶体振荡器设计和实现D.电子科技大学,2013.6郑金汪,陈华,倪侃,郭桂良,张润曦,刘生有,来强涛,阎跃鹏.低增益变化宽线性范围低噪声压控振荡器设计J.微电子学与计算机,2014,06:84-90.7孙兵锋,阎世栋,陈涛,侯林山,钟达,梅刚华.小型化10 MHz恒温晶体振荡器设计J.波谱学杂志,2014,03:389-396.8梁爽,曹娟.低相位噪声压控振荡器的设计及仿真J.微电子学与计算机,2014,07:177-180.9李研,崔跃飞.调频式电涡流传感器振荡器的设计J.无线互联科技,2013,02:100.10刘超,李昌红,于臻,冯纯益,张军,于奇.一种低电源电压灵敏度RC振荡器的设计J.微电子学,2012,01:30-33.1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. MOTOROLA单片机MC68H