高频振荡器课程设计

高频电子线路课程设计说明书题目：振荡器的设计学生姓名：学号：院（系）：专业：电子信息工程指导教师：***2015年1月5日目录1 选题背景 (3)2 课程设计目的 (3)3 课程设计题目描述和要求 (3)3.1 课程设计题目描述 (3)3.2 课程设计要求 (4)4 课程设计报告内容 (4)4.1 设计方案的论证： (4)4.2 元器件参数的计算 (12)4.3 仿真结果与分析 (14)4.4 仿真注意事项 (20)5 结论 (21)附录 (23)参考文献 (26)振荡器设计1 选题背景振荡器（Oscillator）是一种能量转换装置。

它的能量来源一般是直流形式（振荡器电路的直流供电电源）。

经过振荡器转换后，此直流能量转换为一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出。

这种电能的“转换”过程被称作“振荡”(Oscillation）。

振荡器的作用是产生特定的输出信号，因此也常常被称为信号发生器（signal creator）。

振荡器的类型繁多，按照振荡过程是否依赖于外部激励信号的参与，可以分为他激振荡器和自激振荡器；按照波形分类有正弦波振荡器和非正弦波振荡器；按照振荡器振荡频率的高低，可以分为低频振荡器、高频振荡器、超高频振荡器等；按照振荡器的选频元件分类，则有RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器等。

晶体振荡器作为电子设备的重要器件，对电子设备的总体性能指标起着非常重要的作用。

本文介绍高频高精度正弦波振荡器的研制，高频高精度振荡器具有体积小、中心频率稳定、输出幅度稳定、频率稳定度高、非线性失真小的特点。

振荡器是一种能自动的将直流能量转换成有一定波形的振荡器信号能量的转换电路。

它与放大器的区别在于无需外加激励信号就能产生具有一定频率，一定波形和一定振幅的交流信号。

振荡器输出的信号频率、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。

振荡器在现代科学技术领域中有着广泛的应用。

例如，在无线电通信、广播、电视设备中用来产生所需的载波信号和本地振荡信号；在电子测量和自动控制系统中用来产生各种频段的正弦波信号等。

正弦波振荡器主要有决定振荡频率的选频网路和维持振荡的正反馈放大器组成，这就是正反馈振荡器。

高频正弦波振荡器可分为LC振荡器、石英晶体振荡器等。

正弦波振荡器的主要性能指标是振荡频率的准确度和稳定度、振荡幅度的大小其稳定性、振荡波形的非线性失真、振荡器的输出功率和效率。

2 课程设计目的设计一个石英晶体震荡器和一个电容式三端震荡器。

设计采用正弦波发生电路,正弦波发生电路通常称为正弦波振荡器。

不需要外加任何输入信号就能根据要求而输出特定频率的正弦波信号。

3 课程设计题目描述和要求3.1 课程设计题目描述本次设计采用正弦波发生电路,正弦波发生电路通常称为正弦波振荡器。

是模拟电子电路的一种重要形式。

特点是不需要外加任何输入信号就能根据要求而输出特定频率的正弦波信号。

这种特点称为“自激振荡”。

波形发生电路是非常典型的正反馈放大电路。

与放大器一样,震荡器也是一种能量转换器,但不同的是振荡器无需外部激励就能自动地将直流电源提供的功率转换为指定的频率和振幅的交流信号功率输出。

振荡器一般由晶体管等有源器件和具有某种选频能力的无源网络组成。

3.2 课程设计要求设计要求：1）设计一个晶振振荡器主要技术指标：晶振频率为20MHz ，输出信号幅度≥5V（峰-峰值），可调 2)设计一个电容三点式振荡器主要技术指标：振荡频率为15—20MHz ，输出信号幅度≥5V（峰-峰值），可调；频稳度优于10-44 课程设计报告内容4.1 设计方案的论证： 4.1.1 产生自激振荡的条件1）平衡条件反馈振荡器的原理框图如图，先通过输入一个正弦波信号，产生一个输出信号，此时，以极快的速度使输出信号，通过反馈网络送到输入端，且使反馈信号与原输入信号“一模一样”，同时切断原输入信号，由于放大器本身不能识别此时的输入究竟来自信号源，还是来自本身的输出，既然切换前后的输入信号“一模一样”，放大器就一视同仁地给予放大，形成：输出→反馈→输入→放大→输出→反馈→……；这是一个循环往复的过程，放大器就构成了一个“自给自足”的自激振荡器。

上述假设指出：只有反馈到输入端的信号与原输入信号“一模一样”。

才能产生自激振荡，“一模一样”就是自激振荡的条件——亦称平衡条件。

因为是正弦波，而描述正弦波的三要素是：振幅、频率和相位。

振幅相等；相位相同（若相位总相同，则频率和初相一定都相等）因为自激振荡是一个正反馈放大器，故可用反馈的概念来描述振荡条件。

现以单调谐谐振放大器为例来看K （j ω）与F （j ω）的意义，若U 0=U C ，U i =U b ,则：K (jω)=U 0U i=Uc U b=I cU b U cI c=−Y (j ω)Z L（4-1）式中，Z L 为放大器的负载阻抗Z L =−U c I c=R L e jφL（4-2）Y f (j )为晶体管的正向转移导纳。

Yf (jω)=Ic U b=Y f ejφf（4-3） |T(jω)|=KF =1 （4-4）此式要成立，则必有K (jω)F(jω)=1T(jω)=K (jω)F(jω)=1 振幅平衡条件 φT =φf +φL +φF ′=2n π n=0,1,2,… 相位平衡条件图4-1 反馈型振荡器原理框图K （S ）2）起振条件在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压X ì的产生原因有两种：一是在电路接通电源时取得。

因为接通电源时，电路各处都存在瞬变过程，在输人端的瞬变电压即可作为起始输人电压；二是放大器中存在各种微小的电扰动和噪声电压。

这两种原因所取得的起始电压包含着极为丰富的各种频率分量）它们中总会有符合相位条件的某个频率成分，最终成为自激信号的最初来源。

至于振幅条件更容易满足，由于开环放大倍数A是无穷大，很容易满足起振条件KF≥l的要求。

为了保证电路在指定的频率上振荡起来，常常为这种自激振荡器安排一个谐振在指定频率上的选频回路，使电路更容易在指定的频率上满足产生自激振荡的条件。

放大器获得起始瞬时榆入电压了X ì后，接着产生输出信号电压和正反馈电压，并且经过放大器的选频后，指定频率的输出电压幅度增大了，反馈电压的幅度也增大，经过电路的正反馈、放大、再反溃、再放大的循环过程，使振荡电压由小到大逐渐建立起来。

起振的最初来源是振荡器在接通电源不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等，例如：在加电时晶体管电流由零突然增加，突变的电流包含有很宽的频谱分量，在他们通过负载电路时，由谐振回路的性质即只有频率等于回路谐振频率的分量可以产生较大的输出电压，而其他频率成分不会产生压降，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较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入，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，输出电压的振幅U0较小，经过不断放大，反馈循环，输出幅度U0逐渐增大，否则输出信号幅度过小，没任何价值。

为了使振荡过程中输出幅度不增加，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。

T(jω)=>1（4-5）称为自激振荡的起振条件也可写为|T(jω)|=YR L F>1（4-6）φT=φf+φL+φF′=2nπ n=0,1,2,…（4-7）上式分别为起振的振幅条件和相位条件，其中起振的相位条件即为正反馈条件。

3）稳定条件处于平衡状态的振荡器应考虑其工作稳定性，这是因为振荡器在工作过程不可避免地要受到外界各种因素的影响，如温度改变，电源电压的波动等等，这些变化将使放大器放大器啊倍数和反馈系数改变，破坏了原来的平衡状态，对振荡器的正常工作将会产生影响。

如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能在原平衡点附近建立起新的平衡状态，而且当外界因素消失后，振荡器能自动回到原来平衡状态，则原来平衡点是稳定的；否则平衡点为不稳定。

振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。

要使振荡稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。

具体来说既是，在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益的模值T应减小，形成减幅振荡，从而阻止振幅的增大，达到新的平衡，并保证新平衡点在原平衡点附近，否则，若振幅增大,T 也增大, 则振幅将持续增大,远离元原平衡点,不能形成新的平衡,振荡器不稳定；而当不稳定因素使振幅减小时，T应增大，形成增幅振荡，阻止振幅的减小，再远平衡点附近建立起新的平衡，否则振荡器将是不稳定的。

因此振幅稳定条件为∂T∂U i u i=u iA<0（4-8）由于反馈网络为线性网络，即反馈系数大小F不随输入信号改变，故振荡器条件又可写为∂K∂U i u i=u iA<0（4-9）式中K为放大器增益大小。

由于放大器的非线性，只要电路设计合理，振幅稳定一般很容易满足。

若振荡器采用自偏压电路，并工作到截止状态，其|∂K/∂U i|大，振荡稳定性好。

再解释振荡器的相位稳定性前，我们必须清楚，一个正弦信号的相位φ和它的频率W之间的关系W=dφdt（4-10）φ=∫w dt（4-11）可见，相位的变化必然要引起频率的变化，频率的变化也必然要引起相位的变化。

设振荡器原在w=w1时处于相位平衡状态，即有φL(w1)+φf+φF′=0,U b′的相位超前原输入信号U b b b荡周期要缩短，振荡频率要提高，比如提高到W2,W2>W1。

当外界因素消失后显然W2处不满足相位平衡条件，这时，φf+φF′不变，但由于W2>W1，φL要下降，即这时U b′相对于U b的幅角φL(w1)+φf+φF′<0（4-12）这表示U b′落后于U b，导致振荡周期增长，振荡频率降低，即又恢复到原来的振荡频率w1。

上述相位稳定是靠w增加，φL降低来实现的，即并联振荡回路的相位特性保证了相位稳定。

因此相位稳定条件为∂φL∂w w=w1<0（4-13）回路Q值越高，|∂φL∂w|值越大，其相位稳定性越好。

4.1.2 电容反馈式三端振荡器基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器,即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路,如图I.3根据谐振回路的性质,谐振时回路应呈纯电阻性,因而一般情况下,回路Q 值很高,因此回路电流远大于晶体管的基极电流İb 、集电极电流İc 以及发射极电流İe,故由图有U b=jXI U c=−jXI F =−X 2X 1（4-14）因此X1、X2三端式振荡器有两种基本电路,如图所示。

图(a)中X1和端式振荡器的组成原则,反馈网络是由电容元件完成的,称为电容反馈振荡器,也称为考必兹(Colpitts)振荡器。

图(b)为电感反馈振荡器,也称为哈特雷(Hartley)振荡器。