LC正弦波振荡器设计(新版)

1中北大学课程设计说明书学生姓名：宋可为学号：15学院：信息商务学院专业：电子信息工程题目：电子综合应用实践：LC正弦波振荡器的设计指导教师：职称:讲师2011年1月7日韩建宁2中北大学课程设计任务书10/11学年第一学期学院：信息商务学院专业：电子信息工程学生姓名：宋可为学号：15课程设计题目：电子综合应用实践：LC正弦波振荡器的设计起迄日期：2010年12月27日～2011年1月7日课程设计地点：201，503，1号楼教室指导教师：韩建宁系主任：王浩全下达任务书日期:2010年12月27日3课程设计任务书1．设计目的：掌握LC正弦波振荡器的基本设计方法。通过该设计，可以巩固所学的LC振荡器工作原理等电子技术知识，促进学生所掌握的理论知识向实践应用的转变，从而达到培养学生电子综合应用实践能力的目的。2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：使用电感、电容等器件设计一个LC正弦波振荡器，包括方案设计、电路设计和仿真验证。同组成员合作完成。具体设计要求：（1）振荡频率of10MHz±10KHz；（2）频率稳定度Δf/fo≤10-4；（3）输出幅度Uo≥0.3V(峰-峰值)。3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：4（1）查阅相关文献资料，了解LC正弦波振荡器的相关知识；（2）确定设计方案、绘制电路原理图；（3）仿真验证；（4）撰写课程设计说明书。5课程设计任务书4．主要参考文献：[1]《电子线路设计·实验·测试》，第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社[2]《高频电子线路实验与课程设计》，杨翠娥主编，哈尔滨工程大学出版社[3]《高频电路设计与制作》，何中庸译，科学出版社[4]《通信电子线路》，第三版，高如云主编，西安电子科技大学出版社[5]《模拟电子技术》。胡宴如主编，高等教育出版社[6]《电子技术基础实验与课程设计指导》，第二版，高吉祥，主编，电子工业出版社5．设计成果形式及要求：提供课程设计说明书一份；设计原理图。6．工作计划及进度：2010年12月27日~2010年12月29日：查阅资料；2010年12月30日~2011年1月4日：设计方案；2011年1月5日~2011年1月6日：完成实验；撰写课程设计说明书；2011年1月7日：答辩6系主任审查意见：签字：年月日7目录第一章设计任务............................................................8一.设计目的.................................................................8二.设计要求和步骤...........................................................8三.方案设计及选择............................................................81.振荡器的选择.............................................................82.信号输出波形的仿真选择...................................................8第二章单元电路设计与参数计算..............................................9一.LC三点式振荡组成原理图.................................................10二．起振条件................................................................12三．频率稳定度.............................................................13四.LC振荡模块设计.........................................................14第三章总原理图及元器件清单.................................................15一．总原理图..............................................................15二.元件清单..............................................................17第四章调试步骤.............................................................18一.按设计电路安装元器件.................................................19二.测试点选择............................................................20三.调试..................................................................20四.实验结果与分析.......................................................20五.频率稳定度............................................................20第五章供参考选择的元器件..................................................21第六章设计心得和体会.......................................................22第七章参考文献.............................................................238第一章设计任务一设计目的(1).熟悉LC正弦波振荡器的工作原理，以及示波器的原理及用法。（2）.掌握LC正弦波振荡器的基本设计方法。(3).理解LC正弦波振荡回路并掌握LC振荡器的设计，装载，调试，及其主要性能参数的测试方法和如何选择电路的测试点。(4).了解外界因素、元件参数对振荡器工作稳定性及频率稳定度的影响情，以便提高振荡器的性能。二设计要求和步骤(1).设计一个LC正弦波频振荡器。(2).利用三端式振荡器原理产生正弦波信号，采用的具体电路不限。要求给出所选电路的优点和缺点并通过测量值进行证明。也可以进行不同三端式振荡器的性能比较。(3).了解电路分布参数的影响及如何正确选择电路的静态工作点。（4）.电路的基本原理，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，常用作载波振荡、本振混频振荡等。其典型形式为“三点式”振荡电路，其电路简单、频率稳定度高，它的工作原理是在正反馈的基础上，将直流电源提供的能量变成正弦交流输出。（5）选择所需的方案，画出有关的电路原理图。三方案设计与选择1.振荡器的选择LC振荡器的电路种类比较多，根据不同的反馈方式，又可分为互感反馈振荡器，电感反馈三点式振荡器，电容反馈三点式振荡器，其中互感反馈易于起振，但稳定性差，适用于低频，而电容反馈三点式振荡器稳定性好，输出波形理想，振荡频率可以做得较高。所以选择电容反馈三点式振荡器是不容置疑的，而电容反馈三点式振荡器又分为考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器。LC振荡器是一种能量转换器，由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络9及反馈网络组成，其框图如图1所示.。图1振荡器框图2.信号输出波形的仿真选择方案一：三种振荡器输出信号波形全部用Multisim仿真软件得出；方案二：考毕兹振荡器的输出波形由仿真软件得出，其余两种振荡器由计算得出频率，画出相应的波形。经比较用仿真软件得出的波形比较直观简单而且准确，即选择方案一。第二章单元电路设计与参数计算一LC三点式振荡组成原理图其振荡频率f=LC21。当1X和2X为容性，3X为感性时称为电容反馈振荡器，其中C=2121CCCC；当1X和2X为感性，3X为容性时称为电容反馈振荡器，其中L=1L+2L.二．起振条件X1，X2必须是同性质的电抗，X3必须是异性质电抗，并且必须满足下面的关系：放大电路选频网络正反馈网络输出10X3=—（X1+X2）根据起振条件，可以推导出三极管的跨导gm应满足下面的不等式：fu10ugifmk/ggkg＋＋上式中：fuk=X2/X1——反馈系数g1——为三极管b—e间的输入电导g0——为三极管c—e间的输出电导1g——为三极管c—e间的负载电导和回路损耗电导之和。上式表明，起振时gm与fuk、g0、g1、1g等有关。若管子参数和负载确定后，fuk大小应合适，否则不易满足起振条件。另外，还必须考虑到频率稳定度和振荡幅度等要求。三．频率稳定度频率稳定度是表示在一定时间范围内或一定的温度、电压等变化范围内振荡频率的相对变化程度。若频率相对变化越小，就表明振荡频率稳定度越高，否则稳定度就差。由上述讨论知道，因为振荡回路元件是决定频率的主要因素，所以要提高频率稳定度，就是要设法提高振荡回路的标准性。因此除了采用高稳定和高Q(因为Q值越大相频特性曲线在0f附近的斜率越大，选频特性就越好)的回路电容及电感外，还可以采用负温度系数元件实现温度补偿，或采用部分接入，以减小管子极间电容和分布电容对振荡回路频率的影响。由分析和实验知道，LC谐振回路的标准性和Q值都不高，频率稳定度不高于410数量级，而石英晶体标准性Q值都很高，接入系数也很小。频率稳定度可达610数量级。四.LC振荡模块设计LC振荡电路采用三点式振荡，电容反馈三点式振荡器又分为考毕兹振荡器，克11拉波振荡器，西勒振荡器。方案一：考毕兹振荡器R15.1kR227kR33kR41kR55.1kL110uHC1100pFC2100pFC31nFC40.1uFC51nFC610nFC710nFL2300mHV112V703068Q22N2222A214图2考毕兹振荡器图3考毕兹振荡器输出信号波形12理论计算振荡器的频率为f21212)(21CCCCL7MHz观察到的振荡波形如图3所示，从波形看出其震荡极不稳定，测试其波形频率为f9101551=6.5MHz调解C1C2改变频率时，反馈系数也改变。方案二：克拉泼振荡器克拉泼振荡器其振荡频率为f=LC21，式中C=3211111CCC，此电路的频率稳定度较好，但在振荡范围较宽时，输出幅度不均匀，且频率升高后不易起振，其主要用于固定频率或波段范围较窄的场合。电容三点式改进型“克拉泼振荡器”如图4所示。R124kR256kR33kR41kR55.1kC1100pFL110uHL2300uHC41nFC51nFC610nFC710nFC2100pF40C330pF-VARKey=C50%6Q12N2222A132V212V507图4克拉泼振荡器克拉泼振荡器的频率为13f=3221CL（C1C3,C2C3）电路中C3为可变电容，调整它即可在一定范围内调整期振荡频率。输出信号的幅值、频率等用时时监测法测试，调整C3观测震荡信号的波形和频率变化。观察到的振荡波形如图5所示：图5克拉泼振荡器输出信号波形方案三：西勒振荡器西勒振荡器其振荡频率为f=LC21，式中C=3211111CCC+4C，这种振荡器较易起振，振荡频率也较为稳定，波形失真较小，当参数设置得当时，其频率覆盖系数14较大。电容三点式的改进型“西勒振荡器”如图6所示。R124kR256kR33kR41kR55.1kC1100pFL110uHL2300uHC41nFC51nFC610nFC710nFC2100pFC330pF-VARKey=A50%Q12N2222