1、河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计1课程题目： LC 正弦波振荡器设计学 院：万方科技学院系 别：电气与自动化工程系专业班级：07 电信二班姓 名： 学 号：指导老师：刘小磊2010 年 06 月 20 日河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计2前言“高频电子线路”是电子、信息、通信类等专业的一门专业基础课，主要研究通信系统中发送设备和接收设备的各种高频单元电路的基本组成、功能和原理。该课程是一门工程性和实践性很强的课程，除掌握教材所提供的必要基础知识外，还必须通过实践环节提高应用能力（如 LC 正弦波振荡器的设计与调试和仪器使用等） 。对于本课程，学生应注重基本概念、基本
2、原理、基本分析方法和应用，要求达到：（1）明确高频电子线路的研究对象和典型应用；（2）理解与熟悉高频电路中各单元电路的组成、工作原理及分析方法；（3）能正确使用仪器对单元电路或组合电路进行调试、测试和检修；（4）掌握小型高频整机电路的一般设计方法。LC 正弦波振荡器的设计与调试方法是每个学生都应该掌握的，因为科学技术的发展，振荡器已经与人们的生活息息相关。振荡器的出现给人类带来了远程通讯。石英振荡器的出现带来了数字电信号的实现，电子技术和人类的生活息息相关。一个性能更加优良的振荡器的问世，那么，他的发展前景是解决无线通信的通信质量、计算机速度、网络速度等现实问题以外，还要向噪声低，频率高，不受
3、外界环境变化的影响提高性价比来为人类服务。河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计3目 录 绪论课程设计的意义.4第一章 设计任务书4一. 设计目的.4二. 设计要求和步骤4三.方案设计及选择41.振荡器的选择.42.信号输出波形的仿真选择.4第二章 单元电路设计与参数计算.5一. LC 三点式振荡组成原理图.5二起振条件5三频率稳定度5四. LC 振荡模块设计7第三章 总原理图及元器件清单12一 总原理图12二. 元件清单.14第四章 调试步骤.16一. 按设计电路安装元器件16 二. 测试点选择.16三. 调试.17 四. 实验结果与分析 17五. 频率稳定度.18第五章 供参考选择
4、的元器件.18第六章 设计心得和体会18第七章 参考文献 19河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计4绪论课程设计的意义联系课堂所学知识，增强查阅、收集、整理、 吸收消化资料的能力，为毕业设计做准备。培养一定的独立分析问题、解决问题的能力。 对设计中遇到的问题能通过独立思考、查阅有关资料，寻找解决问题的途径。培养学生综合运用所学理论知识能力，提高学生综合能力。 第一章 设计任务书一 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
5、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，输出频率 7KHz。(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
6、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 方案设计与选择河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计51.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
7、选频作用的无源网络及反馈网络组成，其框图如图 1 所示.。放大电路 选频网络正反馈网络图 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输出河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计6其振荡频率 f= 。当 和 为容性， 为感性时称为电容反馈振荡器，LC211X23X其中 C= ；当 和 为感性， 为容性时称为电容反馈振荡器，其中 21
8、123L= + . L二起振条件X1，X 2必须是同性质的电抗，X 3必须是异性质电抗，并且必须满足下面的关系：X3= （X 1+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： fu10uif k/k上式中： fu= X2/ X1 反馈系数g1 为三极管 be 间的输入电导g0 为三极管 ce 间的输出电导1为三极管 ce 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、 g 0、g 1、 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
9、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(因为河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计7Q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，
10、接入系数也很小。频率稳定度可达6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，克拉波振荡器，西勒振荡器。方案一：考毕兹振荡器R15.1k R227k R33k R41k R55.1k L110uH C1100pF C2100pF C31nF C40.1uF C51nF C610nF C710nF L2300mH V112 V 703068Q22N2222A214图 2 考毕兹振荡器河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计8图 3 考毕兹振荡器输出信号波形理论计算振荡器的频率为f 7MHz21)(CL观察到的振荡波形如图 3 所示，从波
11、形看出其震荡极不稳定，测试其波形频率为f =6.5MHz905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= ，式中 C= ，此电路的频率稳LC21321C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河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计9所示。R124k R256k R33k R41k R55.1k C1100pF L110uH L2300uH C41nF C51nF C610nF C710nF C2100pF 40C330pF-VAR
12、Key = C 50%6Q12N2222A132V212 V 507图 4 克拉泼振荡器克拉泼振荡器的频率为f= （C C ,C C ）321L1323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：河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计10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= ，式中 C= + ，这种振荡LC21321C4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，其频率覆盖系数较大。电容三点式
13、的改进型“西勒振荡器”如图 6 所示。河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计11R124k R256k R33k R41k R55.1k C1100pF L110uH L2300uH C41nF C51nF C610nF C710nF C2100pF C330pF-VARKey = A 50%Q12N2222AV212 V 062314C830pF-VARKey = C 50%507图 6 西勒振荡器其振荡器的频率为f= (C C ,C C )(2136CL1626输出信号的幅值、频率等用实时监测法测试，调整 C6、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 7 所示：河
14、南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计12观图 7 西勒振荡器输出波形基于以上分析，西勒振荡器输出波形较好故选用方案三。第三章 总原理图及元器件清单一 总原理图河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计13R15.1k R227k R33k R41k R55.1k L110uH C1100pF C2100pF C31nF C40.1uF C51nF C610nF C710nF L2300mH V112 V 703068Q22N2222A214图 8 考毕兹振荡器R124k R256k R33k R41k R55.1k C1100pF L110uH L2300uH C41nF C51n
15、F C610nF C710nF C2100pF 40C330pF-VARKey = C 50%6Q12N2222A132V212 V 507图 9 克拉泼振荡器河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计14R124k R256k R33k R41k R55.1k C1100pF L110uH L2300uH C41nF C51nF C610nF C710nF C2100pF C330pF-VARKey = A 50%Q12N2222AV212 V 062314C830pF-VARKey = C 50%507图 10 西勒振荡器 1二 元件清单元件序号 型号 主要参数 数量 备注R1(图 8
16、) 5.1K 1R2（图8）27 K 1R3（图8）3.0 K 1R4（图8）1.0 K 1R5（图8）5.1 K 1C1（图8）100pF 1C2（图8）100 pF 1C3（图 1.0nF 1河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计158）C4（图8）1.0nF 1C5（图8）1.0nF 1C6（图8）10nF 1C7（图8）10nF 1L1（图8）10uH 1L2（图8）300 uH 1Q1 2N2222A 1V1 12V 1R1(图 9) 24 K 1R2（图9）56 K 1R3（图9）3.0 K 1R4（图9）1.0 K 1R5（图9）5.1 K 1C1（图9）100pF 1C
17、2（图9）100pF 1C3（图 30 pF 1 可变河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计169）C4（图9）1.0nF 1C5（图9）1.0nF 1C6（图9）10 nF 1C7（图9）10 nF 1L1（图9）10H 1L2（图9）300H 1Q1（图9）2N2222A 1V1（图9）12V 1R1(图 10) 24 K 1R2（图10）56 K 1R3（图10）3.0 K 1R4（图10）1.0 K 1R5（图10）5.1 K 1C1（图10）100pF 1C2（图 100pF 1河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计1710）C3（图10）30 pF 1C4（图10）
18、1.0nF 1C5（图10）1.0nF 1C6（图10）30pF 1 可变C7（图10）10 nF 1C8（图10）10 nF 1L1（图10）10H 1L2（图10）300H 1Q1（图10）2N2222A 1V1（图10）12V 1. 第四章 调试步骤一 按设计电路安装元器件由于调频振荡器的工作频率较高，晶体管的结电容、引线电感、分布电容及测量仪器对电路的性能影响均不能忽略。因此，在电路装调及测试时应尽量减小这些分布参数的影响。河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计18安装时应合理布局，减小分布参数的影响。电路元件不要排得太松，引线尽量不要平行，否则会在元件或引线之间产生一点的分布
19、参数，引起寄生反馈。多级放大器应排成一条直线，尽量减小未级和前级之间的耦合。地线应尽可能粗，以减小分布电感引起的高频损耗，制印刷电路板时，地线的面积应尽量大。为减小电源内阻形成的寄生反馈，应采用滤波电容(C)及滤波电感（L）组成的（）型或（T）型滤波电路，一般（L）为几十微亨至几百微亨，（C）为几百皮法至几十千皮法。二 测试点选择正确选择测试点，减小仪器对被测电路的影响。在高频情况下，测量仪器的输入阻抗（包含电阻和电容）及连接电缆的分布参数都有可能影响被测电路的谐振频率及谐振回路的 Q 值，为尽量减小这种影响，应正确选择测试点，使仪器的输入阻抗远大于电路测试点的输出阻抗。对于图 2 所示电路，
20、高频电压表接于 C 点，示波器接于 E 点，数字频率计接于 A 点，（C4）的值要小，以减小数字频率计的输入阻抗对谐振回路的影响。所有测量仪器如高频电压表，示波器，扫描仪，数字频率计等的地线及输入电缆的地线都要与被测电路的地线连接好，接线尽量短。三 调试1.一般高频电路的实验板应为印刷电路板，以保证元器件可靠焊接及连接导线固定，使电路的分布参数基本固定。高频电路的调试方法与低频电路的调试方法基本相同，也是先调整静态工作点，然后观测动态波形并测量电路的性能参数。所不同的是按照理论公式计算的电路参数与实际参数可能相差较大，电路的调试要复杂一些。2. 关于起振问题振荡电路接通电源后，有时不起振，或者
21、在外界信号强烈触发下才起振（硬激励），在波段振荡器中有时只在某一频段振荡，而在另一频段不振荡等。所有这些现象无非是没有满足相位平衡条件或振幅平衡条件。如果在全波段内不振荡，首先要看河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计19相位平衡条件是否满足。对三端振荡电路要看是否满足对应的相位平衡判断标准。此外，还要在振幅平衡条件所包含的各种因素中找原因。四 实验结果与分析1.静态工作点选的太小，电源电压过底，使振荡管放大倍数太小。2.负载太重，振荡管与回路间耦合过紧，回路 Q 值太低。3 回路特性阻抗 或介入系数 pce 太小，使回路谐振阻抗 RO 太低。4.反馈系数 kf 太小，不易满足振幅平衡
22、条件。但 kf 并非越大越好，应适当选取。5.有时在某一频段内高频端起振，而低频端不起振，这多半是在用调整回路电容来改变振荡频率的电路中，低端由于 C 增大而 L/C 下降，致使写真阻抗降低所起。反之，有时低端振高端不振，原因可能有：（1）选用晶体管 fT 不够高。（2）管的电流放大倍数 太小。（3）低端已处于起振的临界边缘状态，在高频工作时晶体管输入电容 CBE 的作用使反馈减弱，或者是由于 CBE 的反馈作用显著等。五 频率稳定度小 时/105/30fLC 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 6数
23、量级。第五章 供参考选择的元器件高频信号发生器 QF1055A 1 台数字示波器 TDS210 1 台河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计20频率特性测试仪 BT-3C 1 台数字万用表 M300817 1 台直流稳压电源 HY1711-2 1 台超高频毫伏表 DA22A 1 台第六章 设计心得和体会课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。此次课程设计，使我的动手能力得到进一步的提高。与模拟电子技术课程设计数字电子线路课程设计比，高频电子线路的课程设计具有更大的难度和更强的挑战性。在设计过程
24、中不仅锻炼了我们最基本的高频电子线路的设计能力，更重要的是让我们更深刻的认识了高频电子线路这门课程在实际中的应用。此次课程设计主要针对各种电容反馈三点式电路提出自己的设计方案，并利用仿真软件 Multisim 来实现自己的设计电路图。设计中用到了考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器电路等在高频电子线路课程中学到的知识。由于对所学电路不熟悉，导致在设计的过程中无法画出正确的电路图，算不出电路中元器件的参数，使得在设计过程中绕了许多弯路，做了许多的无用功。但在室友们的帮助下，再加上自己不断的查找相关资料，利用图书馆和网络，最终克服了所有困难。同时也巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所
25、没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的必要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。河南理工大学万方科技学院 高频电子线路课程设计21通过对上述不同振荡器的设计与仿真，了解了各种正弦波振荡器在结构上的利与弊，是我们在选择正弦波振荡器时更加明确那种振荡器更适合。这次技能训练，让我们更好的掌握了各种电路的测试与计算；熟悉了电子仿真的工作原理和其具体的使用方法.更深刻的理解课本知识。总之，从中我学习到了如何对待遇到的困难，增强了对设计电路的思考能力。在这次的设计中，张老
26、师给了我们很大的自由空间，可自己选择题目，这次课程设计培养了我一丝不苟的科学态度，提高了我实践能力。最后要真诚的感谢张老师、李老师和刘老师的指导！第七章 参考文献 1 高频电子线路(第四版). 张肃文，陆兆雄. 北京：高等教育出版社，20002现代电子线路和技术试验简明教程 孙肖子，田根登 北京：高等教育出版社，20043 高频电子线路. 阳昌汉. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，20004 电子技术基础实验与课程设计高吉祥. . 北京：电子工业出版社， 20025 实用电子电路设计与调试.陈梓城.北京：中国电力出版社，20066 电子线路设计指导 李银华. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.
