高频正弦波振荡器的设计

福建农林大学东方学院课程设计报告课程名称：数字信号处理课程设计课程设计题目：高频正弦波振荡器设计与仿真姓名：系：计算机系专业：电子信息工程年级：学号：指导教师：职称：2015年12月30日第1页高频正弦波振荡器的设计目录目录..............................................................1摘要：............................................................2一、设计要求......................................................3二、总体方案设计..................................................3三、工作原理说明..................................................31、振荡器概念.................................................32、静态工作点的确定...........................................43、振荡器的起振检查...........................................44、高频功率放大器.............................................55、电路设计原理框图如图1所示。...............................5四、电路设计......................................................61、正弦波振荡器的设计.........................................62、高频功率放大器的设计.......................................9五、性能的测试...................................................111振荡器振荡频率为2MHz.......................................112振荡器振荡频率为4MHz.......................................113高频功率放大器电路..........................................124输出功率....................................................13六、结论、性价比.................................................13七、课设体会及合理化建议.........................................14八、参考文献.....................................................14第2页摘要：本次课程设计通过对课本知识的运用，简单介绍了高频正弦波振荡器的设计方法，主要应用LC振荡电路产生正弦波，再经高频功率放大器进行功率放大，并用仿真软件进行仿真，以及对其性能进行测试，经过反复的调试最终得到满足课题要求的电路。关键词：正弦波；振荡器；高频功率放大器。第3页一、设计要求设计要求：1.选择合适的高频正弦波振荡器形式；2.从理论上分析振荡器的各个参数及起振条件；3.设计高频振荡器，选取电路各元件参数，使其满足起振条件及振幅条件。主要技术指标：电源电压12V，工作频率2M-4MHz，输出电压1V，频率稳定度较高。二、总体方案设计该课程设计主要涉及了振荡器的相关内容还有高频功率放大器的内容，正弦波振荡器非常具有实用价值，通过该课题的研究，可以加深对振荡器以及丙类高频功率放大器的了解。三、工作原理说明1、振荡器概念振荡器主要分为RC，LC振荡器和晶体振荡器。其中电容器和电感器组成的LC回路，通过电场能和磁场能的相互转换产程自由振荡。要维持振荡还要有具有正反馈的放大电路，LC振荡器又分为变压器耦合式和三点式振荡器，现在很多应用石英晶体的石英晶体振荡器，还有用集成运放组成的LC振荡器。振荡器的作用主要是将直流电变交流电.它有很多用途.在无线电广播和通信设备中产生电磁波.在微机中产生时钟信号.在稳压电路中产生高频交流电.。题目要求产生高频正弦波，所以选用电容三点式电路，进一步考虑从而选用并联改进型电容三点式振荡器（西勒电路），因为它具有输出波形不易失第4页真，作为可变0f振荡器使用非常方便，而且幅度平稳，频率稳定性高，最高振荡频率可达百兆至千兆等特点。2、静态工作点的确定静态工作点的确定直接影响着电路的工作状态和振荡波形的好坏。由于振荡幅度稳定下来后，电路必然工作到非线性区，也就是说，可能进入截止区，也可能进入饱和区，静态工作点偏高，易进入饱和区．实践证明：当晶体管进入饱和区后，晶体管的输出阻抗将急剧下降(由原来的线性工作区几十千欧或几百千欧下降为几百欧姆)，使谐振回路Q值大为降低，不仅使振荡波形严重失真，而且频率稳定度大为降低，甚至停振，为了避免上述情况发生，一般小功率振荡器将静态工作点设计得远离饱合区而靠近截止区，所以，c取1～4mA之间(可调整风确定)。3、振荡器的起振检查(1)用三用表检查由于本振荡电路采用基极自给偏置，起始工作点在晶体管的放大区，故发射极应有正向偏置，接通电源后，调节电位器R，使振荡管的静态电流lco=(1～4)nlA(可用测发射极电压Ve来得知，Ico的大小)若Vb—Ve0V可判定电路已起振，工作在丙类状态，而且振荡很强。若Vb—Ve=0.4V，可断定已起振，工作在甲乙类状态，振荡比较强。若Vb—Ve=0.4-0.8V，工作状态可能在甲类，但不能判定是否起振，需进一步检查。(2)用高频毫伏表检查用高频毫伏表接在振荡器的输出端，有读数即有高频电压输出，则起振，否则未起振。(3)用示波器检查用示波器接于振荡器的输出端，如有高频振荡波形显示，说明起振，否则未起振。在实验室条件下，可应用示波器检查起振，因为示波器不但能判定是否起第5页振，还能观察波形结构，是否有失真及间歇振荡现象，以致还可判断是否有寄生振荡产生。若用上述方法检查时，发现振荡器未起振，可从两方面着手解决：(1)检查是否过小，难以满足起振条件。(2)调整反馈系数的大小。4、高频功率放大器高频功率放大器的主要作用是用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器,将直流电源供给的能量转换为大功率高频能量输出,它主要应用于各种无线电发射机中。信号的放大实质是能量的转换，是将电源提供的直流电能转换为交流信号电能。大功率的放大器，消耗功率大，所以效率的高低就变得非常重要，这不仅表现在放大器输出相同功率时，高频率工作可以节约直流电源的电能，还在于采用相同器件的条件下高效率工作可以输出更大的功率，所以该电路选用丙类高频放大器。5、电路设计原理框图如图1所示。图1正弦波振荡器原理框图振荡电路将直流转换为交流正弦波高频功率放大器输出采用互感耦合的方式将正弦波经过高频功率放大器第6页四、电路设计1、正弦波振荡器的设计（1）、正弦波振荡器电路如图2所示。图2正弦波振荡器电路图LC振荡部分是由晶体管组成的电容三点式振荡器，所用改进型电路既西勒电路，1c对交流短路，因此是基极接地（共集）电路。对于振荡电路选择共集组态主要考虑电容5c的改变来调节频率，因为变容二极管加反向偏置电压和调制电压，需要有公共接地点，通常选用共基电路在电路连接上比较方便，晶体管的静态工作点由4321RRRR、、、决定。即第7页cQbQeCQBEBQEQceccQcccQccbbbbQIIRIVVVRRVVIVRRRV212综上所述，可以取振荡器的静态工作点CQI=1.4mA，VVCEQ7.0，设三极管60。得kIVVRRCQCEQCC843为了提高电路的稳定性，3R的值可适当增大，取3R=k5.2，则kR5.54。所以VRIVCQEQ5.33若取流过2R的电流CQBQIII101020.23mA则kIVRBQ1022所以CCBQVVRRR)(212即kVVRRBQCC75121振荡器的静态工作电流通常选在（1~4）mA，CQI偏大可使输出电压幅度增加，但波形失真加重。频率稳定度差，CQI过小会使uoA较小，起振困难。谐振频率的计算，CLf1021，C为5432CCCC、、、总电容，如果选择3C远大于2C，4C远大于2C，则52CCC。根据题目要求振荡器振荡频率变化范围0f=2~4MHz，所以取101LuH，302CpF，5C变化范围是5~30pF.。（2）、频率稳定性第8页频率稳定度a频率稳定度发信机的每个波道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示。工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为Δf，则频率稳定度的定义为频率稳定度式中为K为频率稳定度。稳频措施为一是减少外界因素的变化。二是合理选择元器件。例如，选择fT高且性能稳定可靠的振荡管，不但有利于起振（因在振荡频率上β较高），而且由于极间电容小，相移小，使振荡频率更接近回路的固有谐振频率，有利于提高频率稳定度；选择温度系数小、Q值高的回路电感L（如在高频瓷骨架上用烧渗银法制成的电感）和电容C，一方面使L和C在温度改变时变化很小，振荡频率的变化也很小，另一方面由于Q值高，其频率稳定度也高；采用贴片元器件，可减小分布参数的影响，有利于振荡频率的稳定。电路的相位特性应该满足这样的条件：由某一频率变化所引起的相位变化，两个变化量的符号必须相反，才能使频率趋于稳定。用数学表示为负值0AB写成偏导数形式，则为00AB（3）、振幅稳定性在分析振荡的产生过程中了解到：如果电路的环反馈系数AB1，振幅增大，如果AB1，振幅会衰减；若AB=1，则振幅维持不变。因此，当电路中出现增幅现象时，必定满足振幅条件下的AB1。要使振幅不继续增大而趋于稳定，必须使电路的AB值随振幅的增大而减小，自动调整到AB=1。与此相反，当电路中出现减幅现象时，必定满足在该振幅条件下的AB1。要使振幅不继续减小下去，必须使电路的AB值能随振幅的减小而增大，自动调整到AB=1。这就是说，欲使振荡器的振幅在发生某种变化时能自动趋于稳定，电路的反馈系数AB应具有下述特性：振幅变化使AB值随之变化，AB变化再次造成的振幅变化应与原振幅变化相反。如果用数学式子表示既OUAB=负值第9页写成偏导数的形式为0OUAB2、高频功率放大器的设计高频功率放大器电路如图3所示。图3高频功率放大器电路图（1）、确定放大器的工作状态图中65RR、的作用是得到基极偏压，76CC、是直流供电电源的高频旁路电容，用来使有用信号在供电电源两端产生的电压忽略不计。为了获得较高的效率和最大的输出功率op，选丙类放大器的工作状态为临界状态，60c，所以39.0)60(1，18.0)60(0。集电极输出功率pcmmccmoRUIUp212121VUVUcescc5.10cm；第10页所以谐振电阻25.1105.025.102)(22）（ocesccppUVR；集电极基波电流振幅mARpIpomc2.9521；集电极电流脉冲最大值mAIImccm2.244)60(11；直流分量mAIIcmco2.53)60(0；直流功率mAIVpcoccz4.6382.5312；总效率%3.784.638500zopp；计算线圈砸数比LPRRNN2221所以47.15125.11021NN根据上面所得数据选择可调式耦合线圈，把初级线圈电感设置为10uH，通过调节初级回路中的电容值以到达谐振频率，