正弦波振荡器总结分析

正弦波振荡器总结模块参数要求：设计制作20MHZ石英晶体振荡器、30MHZ克拉泼（串联改进型电容三点式振荡器）震荡器，40MHZ西勒（并联改进型电容三点式振荡器）震荡器频率，工作电压+5V。模块完成情况：设计制作了20MHZ石英晶体振荡器、24.1MHZ--38.7MHZ克拉泼震荡器、38.9MHZ--40.5MHZ西勒震荡器。模块涉及的理论知识：振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路，它无需外加激励信号。为了使振荡器在接通直流电源后能够自动起振，要求反馈电压在相位上与放大器输入电压同相在幅度上则要求UfUi，即nFA2n=0，1，2，…10FA式中，A0为振荡器起振时放大器工作于甲类状态时的电压放大倍数。振荡建立起来之后，振荡幅度会无限制地增长下去吗？不会的，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。1AF综上所述，为了确保振荡器能够起振，设计的电路参数必须满足A0F1的条件。而后，随着振荡幅度的不断增大，A0就向A过渡，直到AF=1时，振荡达到平衡状态。显然，A0F越大于1，振荡器越容易起振，并且振荡幅度也较大。但A0F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A0F的值稍大于1。当振荡器受到外部因素的扰动（如电源电压波动、温度变化、噪声干扰等），将引起放大器和回路的参数发生变化破坏原来的平衡状态。如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器越来越偏离原来的平衡状态，从而导致振荡器停振或突变到新的平衡状态，则表明原来的平衡状态是不稳定的。反之，如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能够产生回到原平衡点的趋势，并且在原平衡点附近建立新的平衡状态，则表明原平衡状态是稳定的。一个振荡器除了它的输出信号要满足一定的幅度和频率外，还必须保证输出信号的幅度和频率的稳定，而频率稳定度更为重要。评价振荡器频率的主要指标有两个，即准确度和稳定度。LC振荡器振荡频率主要取决于谐振回路的参数，也与其它电路元器件参数有关。因此，任何能够引起这些参数变化的因素，都将导致振荡频率的不稳定。这些因素有外界的和电路本身的两个方面。其中，外界因素包括：温度变化、电源电压变化、负载阻抗变化、机械振动、湿度和气压的变化、外界磁场感应等。这些外界因素的影响，一是改变振荡回路元件参数和品质因数；二是改变晶体管及其它电路元件参数，而使振荡频率发生变化的。因此要提高振荡频率的稳外界因素定度可以从两方面入手：一是尽可能减小外界因素的变化；二是尽可能提高振荡电路本身抵御外界因素变化影响的能力。设计考虑：1．振荡器电路选择LC振荡器一般工作在几百千赫兹至几百兆赫兹范围。振荡器线路主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择。在短波范围，电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以采用。在中、短波收音机中，为简化电路常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。2．晶体管选择从稳频的角度出发，应选择fT较高的晶体管，这样晶体管内部相移较小。通常选择fT(3～10)fmax。同时希望电流放大系数β大些，这既容易振荡，也便于减小晶体管和回路之间的耦合。3．直流馈电线路的选择为保证振荡器起振的振幅条件，起始工作点应设置在线性放大区；从稳频出发，稳定状态应在截止区，而不应在饱和区，否则回路的有载品质因数QL将降低。所以,通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路应采用自偏压。4．振荡回路元件选择从稳频出发,振荡回路中电容C应尽可能大，但C过大，不利于波段工作；电感L也应尽可能大，但L大后，体积大，分布电容大，L过小，回路的品质因数过小，因此应合理地选择回路的L、C。在短波范围，C一般取几十至几百pF，L一般取0.1至几十μH。5．反馈回路元件选择由前述可知,为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振，在静态工作点通常应按下式选择5~3||0FgyFAf当静态工作点确定后，yf的值就一定，对于小功率晶体管可以近似为mVIgyCQmf26反馈系数的大小应在下列范围选择F=0.01-0.5克拉泼振荡器：图2.4.1(a)为克拉泼振荡器原理电路，(b)为其交流等效电路。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，C3C2。图2.4.1克拉泼振荡器先不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量CΣ为C1、C2和C3的串联，即43211111CCCCC(2-9)于是，振荡频率为402121LCLCf(2-10)(a)原理电路(b)交流等效电路VTC1C2LC3ReRb2CbRb1RcVCCLC3C1C2CieCoeVTCcb使式(2-10)成立的条件是C1和C2都要选得比较大，由此可见，C1、C2对振荡频率的影响显著减小，那么与C1、C2并接的晶体管极间电容的影响也就很小了，提高了振荡频率的稳定度。西勒振荡器：4332141111CCCCCCC所以振荡频率4302121CCLLCfL为谐振放大器电路的电感线圈的电感量；C为谐路的总电容。在LC谐振回路中，电感L（H）/电容C（F）=105~106，可达到较好的效果。并联晶体振荡：模拟电子技术基础(第三版)书中P408页上有振荡电路图8.1.29如图2所示,是并联型石英晶体振荡电路,该并联型石英晶体振荡电路中,石英晶体必须等效为电感,否则振荡电路就无意义了,图2的等效电路如图3所示.则振荡电路的振荡频率为图2.4.2西勒振荡器VTLReCbRb1RcVCCLC3C1C2CbeCceVTC4(a)原理电路(b)交流等效电路C4C3C1C2Rb2所以,并联型石英晶体振荡电路的振荡频率为设计制作过程：克拉泼振荡器：克拉泼振荡器由上理论知识可知：当要求输出波形非线性失真很小时，应使A0F的值稍大于1。因此使用50K的可调电阻RES1，调节RES1，致使三极管静态工作点发生变化，影响三极管的放大倍数A0。C1、C2的选择较为重要，并非是比例合适就可以。经试验：C1、C2过大、过小时，放大器的电压增益都会降低，振幅下降，甚至会停振。最终选择C1=110pF，C2=1000pF，反馈系数F=110/1000（未考虑三极管节电容）。由于设定振荡频率为30MHZ左右，因此电感L=1uH（可调），电容C=20pF（可调）。振荡器输出波形有些失真，这是因为其含有多次谐波，为使输出波形较理想，输出我使用谐振放大器。振荡器输出加了谐振放大器，跟随器或者谐振放大器的输入阻抗不可过小，应尽量大一些，否则会影响振荡器的工作。调板过程总，我修改谐振放大器发射极电阻R7，不接谐振放大器发射极电阻放大倍数最大。西勒振荡器：西勒振荡器设计思路与方法与克拉泼振荡器一样，在此不重复。并联晶体振荡：同理，可以使用50K的可调电阻RES1，调节RES1，致使三极管静态工作点发生变化，影响三极管的放大倍数A0。使用20MHZ无源晶振，调节CL6，可以微调振荡电路的振荡频率，使振荡频率刚好达到20MHZ。频率稳定，但可能由于电路参数设计问题，波形不理想，输出失真比较大。克拉泼振荡器：参数测量：振荡频率一级输出幅度Vp-p（未接二级）一级输出幅度Vp-p（以接二级）二级输出幅度Vp-p放大倍数24.1MHZ0.304Vp-p0.192Vp-p3.18Vp-p16.830MHZ0.224Vp-p0.128Vp-p2.008Vp-p15.638.7MHZ0.200Vp-p0.120Vp-p2.420Vp-p20.2由表可知，频率可调范围为34.1MHZ-38.7MHZ，不同频率，其最佳工作点电压不一样。所以在调节频率过程中，要调节电阻RES1，使放大器工作在最佳的状态，达到最好的效果。如若不调节电阻RP1，达到一定频率时，有可能使振荡器停振。测试图：克拉泼24.1MHZ时输出克拉泼30MHZ时输出克拉泼38.7MHZ时输出西勒振荡器：参数测量：振荡频率一级输出幅度mVp-p（未接二级）一级输出幅度Vp-p（以接二级）二级输出幅度Vp-p放大倍数38.9MHZ56mVp-p示波器无法检测（太杂）0.532Vp-p无法求40MHZ56mVp-p示波器无法检测（太杂）0.408Vp-p无法求40.5MHZ48mVp-p示波器无法检测（太杂）0.104Vp-p无法求从表格可以看出，振荡频率范围21.5MHZ-32.2MHZ，各静态工作点电压基本一样。由此可知，西勒振荡器效果比克拉泼差了许多。在调节频率过程中，仍需调节电阻RES2，使放大器工作在最佳的状态，达到最好的效果。可能参数设计有问题修改L、C的参数，对调节提高振荡器的频率效果不大。测试图：西勒39.0MHZ时输出西勒40.0MHZ时输出西勒40.6MHZ时输出并联晶体振荡振荡频率一级输出幅度Vp-p（未接二级）一级输出幅度Vp-p（以接二级）二级输出幅度Vp-p放大倍数20.0MHZ0.320Vp-p0.248Vp-p2.720Vp-p10.97(严重失真)20.0MHZ未测到0.168Vp-p2.520Vp-p15从表格可以看出，并联晶体振荡并不是频率一样放大倍数就一样大，输出越大的，并不一定是你想要的。需调节电阻RES1，使放大器工作在最佳的状态，达到最好的效果。测试图：并联晶体振荡20.0MHZ输出总结以及心得体会：本次设计花费一周多，快两周的时间，虽然波形已经出来了，但是还有许多地方还需要改进，但是时间已经不应许了。如一级幅度并不是很大，加了二级之后一级的振荡幅值也下降了许多，这是因为二级输入电阻变成了一级的输出电阻，与一级输出电阻相连分压。尤其是西勒加了二级之后看到的就是十几毫伏的杂波了，只有放大输出才能看到好的波形。带负载能力差，加上负载，波形就会变得很小很乱，需要在以后的实践中加一个缓冲级，以提高带负载能力。电感的制作很重要，我绕电感的技术不行，要1uH的电感，我绕了几个都不好，波形差（最后我拿焊台上别人绕好的电感用，效果好很多）。克拉泼、西勒的二级发射级段，已过测试发现发射级电阻越小越好，太大容易失真变形。最重要的是我切身认识的画图很重要，本次设计失败了四、五块板，但是原理图是一样的，参数也一样，究其原因只是PCB不同而已，今后要加强自己画板的能力。