高频电容三点式正弦波振荡器课程设计报告

目录摘要 (I)1 绪论 (1)2.1 反馈振荡器的原理 (2)2.1.1 原理分析 (2)2.1.2 平衡条件 (3)2.1.3 起振条件 (3)2.1.4 稳定条件 (4)2.2 电容三点式振荡器 (4)3 设计思路及方案 (6)3.1 总体思路 (6)3.2 设计原理 (6)3.3 单元设计 (7)3.3.1 电容三点式振荡单元 (7)4 电路仿真与实现 (10)4.1 基于NI.Multisim.V10.0.1软件的电路仿真 (10)5 心得体会 (14)摘要在社会信息化程度越来越高的背景下，通讯工具在我们的生活中扮演了越来越重要的角色。

高频信号发生器主要用来向各种电子设备和电路提供高频能量或高频标准信号，以便测试各种电子设备和电路的电气特性。

高频信号发生器主要是产生高频正弦振荡波，故电路主要是由高频振荡电路构成。

振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。

所以，振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路，也是从事电子技术工作人员必须要熟练掌握的基本电路。

本次课设要求制作高频电容三点式正选拨振荡器，采用晶体三极管或集成电路，场效应管构成正弦波振荡器，达到任务书所要求的目标。

并介绍了设计步骤，比较了各种设计方法的优缺点，总结了不同振荡器的性能特征。

使用实验要求的电源和频率计进行验证，实现了设计目标。

关键字：通信高频信号电容正弦波振荡器1 绪论在社会信息化程度越来越高的背景下，通讯工具在我们的生活中扮演了越来越重要的角色。

振荡器简单地说就是一个频率源，一般用在锁相环中能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。

详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。

一般分为正反馈和负阻型两种。

所谓“振荡”，其涵义就暗指交流，振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。

能够完成从直流电能到交流电能的转化，这样的装置就可以称为“振荡器”。

一个振荡器必须包括三部分：放大器、正反馈电路和选频网络。

放大器能对振荡器输入所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。

正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使震荡维持下去。

选频网络则只允许某特定频率能通过，使振荡器产生单一频率的输出。

电容三点式振荡器（也叫考毕兹振荡器）：自激振荡器的一种。

图1.1中的L、C1、C2组成谐振回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。

反馈信号从电容器C2两端取得，送回放大器的基极b上，而且也是将LC回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，故将这种电路成为电容三点式振荡器。

由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。

因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。

这种电路的优点是输出波形好、振荡频率可达100兆赫以上。

缺点是调节频率时需同时调CC1、CC2不方便。

适宜于作固定的振荡器。

图1.1 电容三点式振荡器2 电容三点式振荡器2.1 反馈振荡器的原理2.1.1 原理分析反馈振荡器的原理框图如图2.1所示，由图可见，反馈振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路，放大器通常是以某种选频网络（如振荡回路）作为负载，是一调谐放大器，反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。

为了能产生自激振荡，必须有正反馈，即反馈到输入端的信号和放大器输入端的信号相位相同。

【3】图2.1 反馈振荡器原理框图对于图2.1，设放大器的电压放大倍数为K(s)，反馈网络的电压反馈系数为F(s ），闭环电压放大倍数为u K (s)，则)s ()s ()s (S O U U U K =)s ()s ()s (I O U U K = )s ()s ()s (O I U U F ‘= )s ()s (s 'i I S U U U +=）（ 得)s (1)s ()s ()s (1)s ()s (T K F K K K U -=-= 其中)s ()s ()s ()s ('I U F K T ==称为反馈系统的环路增益。

用s=jw 代入，就得到稳态下的传输系数和环路增益。

由上式可知，若在某一频率1ωω=上T （j 1ω）等于1，)j (ωU K 将趋于无穷大，这表明即使没有外加信号，也可以维持振荡输出。

因此自激振荡的条件就是环路增益为1。

即1)()j ()j (==ωωωj F K T2.1.2 平衡条件振荡器的平衡条件可表示为1j )j ()j (==）（ωωωF K T也可以表示为1|)j (|==KF T ωπϕϕϕn F K T 2=+= n=0,1,2，……2.1.3 起振条件振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等，其包含有很宽的频谱分量，在他们通过负载回路时，由谐振回路性质即只有频率等于回路谐振频率的分量才可以产生较大的输出，其他频率分量则不会产生压降，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出较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入端，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，输出电压振幅较小，经过不断放大、反馈循环，输出幅度不断增大，否则输出信号幅值过小，无任何意义。

为了使振荡过程中输出幅度不断增加，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，可得1)j (φωT称为自激振荡的起振条件，也可写为1|)j (|'f φF R Y T L =ωπϕϕϕϕn F L T 2'f =++= n=0,1,2，……2.1.4 稳定条件振荡电路中不可避免地要受到电源电压、环境温度、湿度等因数变化的影响，这将引起振荡电压幅度及其相移的起伏波动，从而破坏已维持的平衡条件。

因此，振荡器还必须满足稳定条件，才能保证所处的平衡状态是稳定的。

振幅稳定条件为1iπIAIUUUT=∂∂相位稳定条件为1lπωωωϕ=∂∂2.2 电容三点式振荡器电容三点式振荡器（也叫考毕兹振荡器），自激振荡器的一种。

图中的L、C1、C2组成谐振回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。

反馈信号从电容器C2两端取得，送回放大器的基极b上，而且也是将LC回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，故将这种电路成为电容三点式振荡器。

由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。

因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。

【3】图2.2 电容三点式振荡器图2.3 电容三点式交流通路电容三点式振荡器适合产生几十兆赫以上的信号，常用来作射频振荡器。

.图2.3是LC振荡回路的等效电路图，从图上可以看到，电路的振荡频率由L、C、C1、C2决定，基极有一个大电容（1000~2000pF），起交流接地的作用。

由于电感和电容的数值都比较小，所以有些情况下三极管的极间电容、电感线圈的匝间电容都不能忽略。

它们对总电容的贡献量大约几个皮法。

设三极管的极间电容以及电感线圈的匝间电容以及其它分布电容的总等效电容为C0，则02121C C C C C C C A +++= A LC T π2=在L C 谐振回路Q 值足够高的条件下，电路的振荡频率为 LC π21f 0=图2.2所画出的分析起振条件的小信号等效电路如图2.4所示图2.4 分析起振条件的小信号等效电路由图2.4分析可知，振荡器的起振条件为：e l c l ng g ng g n +=+1)(1g m φ 式中0//1e L l R R g =ee r g 1= 0e R 为LC 振荡回路的等效谐振电阻 电路的反馈系数为211f k C C C n +==由上式看出，由于晶体管输入电阻e r 对回路的负载作用，反馈系数k 并不是越大越容易起振，反馈系数太大会使增益A 降低，且会降低回路的有载 Q 值， 使回路的选择性变差，振荡波形产生失真，频率稳定性降低；所以，在晶体管参数一定的情况下，可以调节负载和反馈系数，保证电路起振。

K的取值一般在 0.1—0.5 之间。

为了提高振荡器的频率稳定性，实际中更多的采用能够减小晶体管与回路之间耦合的改进型电容反馈振荡器。

3 设计思路及方案3.1 总体思路本次课程设计的电容反馈三点式振荡器是自激振荡器的一种，振荡器是不需要外加信号激励，自身将直流电能转换为交流电的装置。

凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。

由学过的知识知道，构成一个振荡器必须具备下列一些最基本的条件：（1）任何一个振荡回路，包含两个或两个以上储能元件。

在这两个储能元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。

接收和释放能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。

（2）电路中必须要有一个能量来源，可以补充由振荡回路电阻所产生的损耗。

在电容三点式振荡器中，这些能量来源就是直流电源。

（3）必须要有一个控制设备，可以使电源在对应时刻补充电路的能量损失，以维持等幅震荡。

这是由有源器件（电子管，晶体管或集成管）和正反馈电路完成的。

【4】3.2 设计原理振荡器起振条件为AF>1，振荡器平衡条件为:AF=1它说明在平衡状态时其闭环增益等于1，在起振时A>1/F当振幅增大到一定的程度后，由于晶体管工作状态有放大区进入饱和区，放大倍数A迅速下降，直至 AF=1此时开始谐振。

假设由于某种因素使AF<1,此时振幅就会自动衰减，使A与1/F逐渐相等。

振荡器的平衡条件包括两个方面的容：振幅稳定和相位稳定。

在平衡点，若K曲线斜率小于0，则满足振荡器的振幅稳定条件。

过K曲线的斜率为正，则不满足稳定条件。

对于相位稳定条件来说，它和频率稳定实质上是一回事，因为振荡的角频率就是相位的变化率，所以当振荡器的相位发生变化时，频率也发生了变化。

LC振荡器由基本放大器、选频网络和正反馈网络三个部分组成。

为了维持震荡，放大器的环路增益应该等于1，即AF=1，因为在谐振频率上振荡器的反馈系数为C1/C2，所以维持振荡所需的电压增益应该是A=C2/C1电容三点式振荡器的谐振频率为f0=1/2π[L(C1C2/C1+C2)]1/2在实验中可通过测量周期T来测定谐振频率，即f=1/T放大器的电压增益可通过测量峰值输出电压Vop和输入电压Vip来确定，即A=Vop /Vip3.3 单元设计3.3.1 电容三点式振荡单元该单元由放大器、反馈网络和选频网络组成，放大单元由2N2222A三极管构成放大电路，将反馈信号放大，反馈网络起正反馈，将信号反馈到放大单元输入，进一步放大，选频网络根据自身参数，在复杂的频谱中选取与自身谐振频率相同的频率将其反馈，所以此信号得以不断放大最终由输出端输出。

其单元电路图如图3.1所示图3.1 电容三点式单元电路2N2222三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例，当基极电压有一个微小的变化时，基极电流也随之有一小的变化，受基极电流的控制，集电极电流会有一个很大的变化，即基极电流控制集电极电流的变化。