LC调频振荡器说明书要点

1第1章方案设计1.1设计任务书1.1.1课程设计的目的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、学会自己分析解决问题的方法，对设计中遇到的问题，能通过独立思考、查询工具书和参考文献来寻找解决方案，掌握电路测试的一般规律；能通过观察、判断、实验、再判断的基本方法解决实验中出现的一般故障。4、掌握普通电子电路的生产流程及安装、布线、焊接等基本技能。5、巩固常用电子仪器的正确使用方法，掌握常用电子器件的测试技能。培养一定的自学能力、独立分析问题的能力和解决问题的能力。6、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。1.1.2课程设计基本要求设计一个LC调频振荡器，主要技术指标为：（1）主振频率of=10ZMH；（2）频率稳定度小时/105/30ff；（3）输出电压mVUO200；（4）最大频偏kHzfm50；（5）调制灵敏度VkHzSFM/10。21.2LC调频振荡器的设计方法LC调频振荡器的设计，是根据LC调频振荡器的中心频率of、频率稳定度f/of、输出电压Uo、最大频偏mf、调制灵敏度FMS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of=10ZMH，频率稳定度小时/105/30ff确定LC振荡电路的形式为电容三点式的克拉泼电路。2）变容二极管调频电路的确定根据频率稳定度f/of、最大频偏mf选择线路，确定变容二极管的接入系数，确定调制信号电压。1.2.1LC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。2）起振条件式（1-1）和（1-2）分别称为振荡器起振的相位条件和振幅条件。为了确保振荡器能够起振，设计的电路参数必须满足AoF1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。nFA2n=0，1，2，...（1-1）10FA（1-2）1.2.2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。31）直接调频法直接调频的基本原理是利用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。如果受控振荡器是产生正弦波的LC振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗和谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。它的主要缺点是会导致FM波的中心频率偏移，频率稳定度差，在许多场合对载频采取自动频率微调电路（AFC）来克服载频的偏移或者对晶体振荡器进行直接调频。2）间接调频法先将调制信号进行积分处理，然后用它控制载波的瞬时相位变化，从而实现间接控制载波的瞬时频率变化的方法，称为间接调频法。间接调频实现的原理框图如图1-1所示。图1-1借助于调相器得到调频波无论是直接调频还是间接调频，其主要技术要求是：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f/of≤小时/1053，最大频偏kHzfm50，由上面分析知：直接调频可获得较大线性频偏，但载频稳定度较差；间接调频方式载频稳定度较高，但获得的线性频偏较小。经过讨论，我们决定采用直接调频法来设计电路。4第2章各部分设计及原理分析2.1LC振荡器电路的设计2.1.1LC振荡器的基本工作原理振荡器根据自身输出的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器，正弦波振荡器在广播通讯、自动控制、仪器仪表、高频加热、超声探伤等领域有着广泛的应用；而非正弦振荡器能产生出矩形波(方波)、三角波、锯齿波等信号，这些信号可以用于测量设备、数字系统、自动控制及计算机设备中。此次设计讨论的就是LC正弦波振荡器。设计其电路原理图如图1-2所示:图1-2LC正弦波振荡原理图2.1.2LC正弦波振荡电路的设计LC正弦波振荡器的作用是产生高频正弦波。如图1-3所示，在图中晶体管T组成电容三点式振荡器的改进型电路即克拉泼电路，它被结为共基组态，BC为基极耦合电容，其静态工作点又RB1,RB2,RE及Rc决定，即：（1-3）CCBBVRRV2B12BQR5（1-4）（1-5）（1-6）小功率振荡器的静态工作电流CQI一般为1到4毫安，CQI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BEV,以满足相位平衡条件。由C2/C3=F决定反馈电压的大小，当VOAF=1时，振荡器满足相位平衡条件，电路起振条件为VOAF1。为减少晶体管的极间电容对回路振荡频率的影响，C2、C3的取值要大。若选C1《C2，C1《C3,则回路振荡频率of主要由C1决定,即：（1-7）若取C1为几十皮法，则C2、C3可取几百到几千皮法。反馈系数F一般取1/8到1/2。2.2调频电路的设计调频电路由变容二极管和它的偏置电路组成。其中R2与R3为变容管提供静态时的反向直流偏置电压VQ。即VQ=[R3/(R2+R3)]Vcc。电阻R1为隔离电阻，常取R1R3，R1R2,以减小加入变容管的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。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1-3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：jcjc1CCCCCC（1-8）式中Cj为变容二极管的结电容。它与外加电压的关系为rDjjVvCC10（1-9）ECQBEBQEQRIVVVCCEQCCCQRVVIERβ/BQCQII11oπ21CLf6LC正弦波振荡变容二极管调频调制信号图1-3变容二极管部分接入的等效电路2.3LC调频振荡器电路的确定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的幅度和信号，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；而变容二极管电容的改变是由调制信号决定的，再将变容二极管通过电容Cc耦合接入LC振荡回路中，用于实现对LC正弦波振荡器频率的调制，即调频。LC调频振荡器是由LC正弦波振荡器和变容二极管调频电路两个部分组成，如图1-4所示。图1-4LC调频振荡器的组成框图7综合以上分析确定电路原理图如图1-5所示。图1-5电路原理图RB2VQRB1C1＋VCCL1CC2C3EBCBRETRCDCcC4AL2C5C6＋DCR3R2R1vLC振荡器调频电路**8第3章元件参数的确定3.1LC振荡器电路模块参数的确定3.1.1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=ICQRE=2V若取流过RB2的电流IB2=10IBQ=10ICQ/=0.33mA则RB2=VBQ/IB2≈8.2kΩ因即1/2B1BQCCBVVRR=28.2kΩRB1用24kΩ电阻与22kΩ电位器串联，以便调整静态工作点。3.1.2计算主振回路元器件值若取C1=50pF，且fo=10MHz，由公式得L1=5μH（实验中可适当调整的圈数或的值）。电容C2、C3由反馈系数F及电路条件C1C2，C1C3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。3.2调频电路模块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。CC2B12RVVRRBQBB11oπ21CLf9第4章电路的调试与检测4.1主振频率的测试4.1.1LC仿真测试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1-6所示。LC仿真测试电路如图1-7所示，测得频率为10MHZ，电压为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。所测结果分别如图1-8、1-9所示.图1-6起振波形图1-7仿真电路图10图1-8LC振荡器波形图1-9频率fo与输出电压Uo114.2频率稳定度的测试主振频率fo的相对稳定性用频率稳定度f/of表示。对于调频电路不仅要满足频偏要求，而且振荡频率of必须保持足够的频率稳定度。测量频率稳定度的方法是，在一定的时间范围（如1小时）内或温度范围内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0minmax0/fffff设计中采用仿真电路测试如图1-7所示，其频率稳定度大约为（310～410）/小时，对比课题中给出的频率稳定度为f/of≤小时/1053知此电路符合要求。4.3设计电路的性能评测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。因此，在电路装调及测试时应尽量减小这些分布参数的影响，安装时应合理布局。4.3.1测试点的确定选择正确的测试点，减小仪器对被测电路参数的影响。在高频情况下，测量仪器的输入阻抗及连接线的分布参数都有可能影响被测电路的谐振频率及谐振回路的Q值，为尽量减小这种影响，应正确选择测试点，使仪器的输入阻抗远大于电路测试点的输出阻抗。对于图1-7所示电路，高频电压表接于C点，示波器接于E点，数字频率计接于A点，C4的值要小，以减小数字频率计的输入阻抗对谐振回路的影响。所有测量仪器如高频电压表、示波器、扫频仪、数字频率计等的地线都要与被测电路的地线连接好，接线应尽量短，保证测量结果的准确性。4.3.2调试方法为了保证元器件可靠焊接及连接导线固定，使电路的分布参数固定，我们决定采用印刷电路板为高频电路的实验板，其调试方法与低频电路的调试基本相同，即先调整静态工作点，再观测动态波形并测量电路的性能参数。4.3.3误差分析1)误差计算fo%=（10.001-10.000）100%/10.000=0.0001%122)误差原因由于电路中测量仪器的影响