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1、1. 课程设计的目的32. 课程设计的内容33. 课程设计原理34. 课程设计的步骤或计算55. 课程设计的结果与结论116. 参考文献16一、设计的目的设计一个晶振频率为20MHz，输出信号幅度5V （峰-峰值），可调的晶体振荡器二、设计的内容本次课程设计要求振荡器的输出频率为20Mhz，属于高频范围。所以选择LC振荡器 作为参考对象，再考虑输出频率和振幅的稳定性，最终选择了克拉泼振荡器。通过ORCAD 的设计与仿真，Protel绘制PCB版图，得到了与理论值比较相近的结果，这表明电路的原 理设计是比较成功的，本次课程设计也是比较成功的。三、设计原理1. 振荡器的概述在电子线路中，除了要有对
2、各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有在没有激励 信号的情况下产生周期性振荡信号的电子线路，这种电子线路就是振荡器。振荡器是一种能量转换器，它不需要外部激励就能自动地将直流电源共给的功率转换 为制定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某种具有选频 能力的无源网络组成。振荡器的种类很多，根据工作原理可分为反馈型振荡器和负阻型振荡器，根据所产生 的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器;根据选频网络可分为LC振荡器、晶体振荡 器、RC振荡器等。2. 振荡器的振荡条件反馈型振荡器的原理框图如下:图反馈型振荡器的原理框图如图1,放大器的电压放大倍数为K(s),反馈网络的电压反
3、馈系数为F(s)，则闭环电压放大倍数Ku(s)的表达式为1：( 11)uUs( s)由K(s)=咎(12)Ui( s)F(s)=性(13)Uo( s)Ui(s)=Us(s)+ U l( s)(14)得Ku(忆K(s)=广(15)u1 - K (s) F (s) 1 - T (s)其中 T(s)=K(s)F(s)= (16)Ui(s)称为反馈系统的环路增益。用s=j带入就得到稳态下的传输系数和环路增益。由式(1 一5)可知，若在某一频率二1上T(j)，Ku(j)将趋近于无穷大，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T(j )=K(j )F(j )=1
4、(17)通常称为振荡器的平衡条件。由式(16)还可知|T(j)|1，| U (加)|Ui (j)|,形成增幅振荡。|T(j)|1, | U7(加)|1相位起振条件：中t=中K+甲F=2n兀 n=0,1,2,3稳定条件： 、CT振幅稳定条件：忌lUi=UiA0相位稳定条件：令I Ui=UiA0四、设计的步骤或计算方案的确定方案一：RC桥式振荡电路:图RC桥式振荡电路由图知，在K 0=1/RC时，经RC选频网络传输到运放同相端的电压件与吨同相， 即有甲f=0和甲a+甲f=0。这样，放大电路和由Z1、Z2组成的反馈网络刚好形成正反馈系统， 可以满足相位平衡条件，因而有可能振荡。再考虑振幅振荡条件，所
5、为建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡，将直 流电源的能量变为交流信号输出。对于RC振荡电路来说，直流电源即使能源。那么自激 的因素又是什么呢由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中也包括=0=1/RC这 样一个频率成分。这种微弱的信号经过放大，通过正反馈的选频网络，使输出幅度越来越 大，最后受电路中非线性元件的控制，使振荡幅度自动稳定下来，开始时，Av=1+R f/R1略 大于3，达到稳定平衡状态时，Av =3, &V=1/3(=0=1/RC)。方案二：LC选频放大电路：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
6、，如图所示。In - _| x - x 1 1 I x 3图三端式振荡器的组成根据谐振回路的性质，谐振时回路应呈纯电阻性，因而有X 1 + X 2 + X 3 = 0一般情况下，回路Q值很高，因此回路电流远大于晶体管的基极电流ib 、集电极电 流i c以及发射极电流ie,故由图5 5有U = jX 21U =-jX I c1因此XI、X应为同性质的电抗元件。LC振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反 馈式振荡器三种类型。(1)互感耦合振荡器3互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦合量M，使之满足振幅起振
7、条件很重要。互感耦合振荡器有三种形式：调基电路、调集电路和调发电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射极电路来区分的。RblRb2图调基电路振荡器调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较平衡。由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q值，故在调 基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。图 调集电路振荡器调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成分较小。图 调发电路振荡器由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q值，故在调 基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。互感耦合振荡器在调整反馈（改变M）
8、时，基本上不影响振荡频率。但由于分布电容的 存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段。(2)电感反馈三端式LC振荡(哈特莱电路)+ VCCC图电感反馈式振荡电路哈特莱电路的优点：1L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振。2振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。3而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。电路的缺点：1振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，而电感对高次谐波呈高阻抗，因此 对高次谐波的反馈较强，使波形失真大；2电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这是因为频率太高，L太小且分布参 数的影响太大。(3)电容反馈三端
9、振荡器(考毕兹电路)(310)f1max。同时希望电流放大系数大些，这样即容易振荡，也便于减小晶体管喝回 路之间的耦合。虽然不要求振荡器中晶体管输出多大的功率，但考虑到稳频等因素，晶体 管的管功率应该留有足够的余量。2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 状态应该在截止区而不应该在饱和区，否则回路的有载品质因数Ql将会下降。所以，通常 应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路采用自偏压。对于小功率晶体管，集电极 静态电流约为14mA。3振荡回路元件的选择从稳频出发，振荡回路中电容C应该尽可能大，但C过大不利于波段工作；电感L也 应尽可能
10、大，但L过大后，体积大，分布电容大，L过小回路的品质因数过小。因此应合 理的选择C，L。在短波范围，C 一般取几十至几百皮发，L 一般去至几十微亨。4反馈回路元件的选择为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振，在静态工作点应该选择YfRL F =3 5当静态工作点确定后，Yf的值就一定，对于小功率晶体管课近似认为IYf=gm=繇反馈系数的大小应在下列范围内选择F=根据上述内容，再结合工程上一些元器件的标称值，先确定R1、R2、Rc、Re的值分别为：24K。、56K。、3K。、1K。1根据克拉泼振荡器振荡频率公式：产0=：lc =、:LC3要使振荡器的速出频率f=10MHZ取 L=10 RH
11、C3=100pF五、设计的结果与结论1 .电路图的设计(1)利用ORCAD软件设计出电路图，并对所设计电路工作原理进行分析。调用orcad/capture cis所绘制的电路图如下：图克拉泼振荡器电路图2 .电路的仿真在所绘制的电路图的基础上，进行电路的后处理以后，调用ORCAD/Pspice软件进行电路的模拟。根据电容三点式电路的组成特点我们可以知道输出信号应当是从集电极输出。经过如 下的设置：由上图的设置我们可以看出，以下进行的是时域的分析输出波形为集电极电压随时间 的变化信号。瞟SCHEMATIC - PSpice A/D - cm-scIq-SCHEMATICl zdq (active
12、)图克拉泼振荡器的时域输出波形图从上图我们可以看到在时间轴上输出波形开始时几乎为零，慢慢的变大，最后趋于 稳定，这就是振荡器从起振到最后稳定的一个过程。除了时域我们更关心的是振荡器的输出频率问题，下面经过傅里叶变换，我们可以看到频域波形.1E SCHBMTJCl-zdci - PSp rce A/D - Lcm-zda-SCHFMATTCl-2d(i (active) J里 File EditSzjiijJ a.t Lon It arc Pl ct Toalz-Help 嚼借H曲曲7昌I|孙洞“-=1_山-|- 1逝蝗晒e I皿福蠲目I忡高鄢、二f I豚平卢耳阵殊A竖津段I版图的绘制图克拉泼振
13、荡器的频域输出波形从上图我们可以看处输出的信号中，信号主要集中在10Mhz之间，谐波成分几乎为零，这 :1 和通过公式 E访耳计算出的理论值是很接近的，所以仿真是比较成功的。版图的绘制6利用protel软件，先画出电路原理图，经过电器规则检查无误后，生成PCB版图， 然后经过自动布线，生成如下的PCB:图克拉泼振荡器的PCB版图4.收获、体会和建议为期两周的课程设计结束了，通过这次设计让我更好的掌握了常用元件的识别和测试; 熟悉了元件的结构及掌握了各元件的工作原理和其具体的使用方法。更加深刻地理解课本 知识。在此次做课程设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限和自身的 不足，以及理论
14、和实践的巨大差距。另外通过课设我更进一步地熟悉了晶体管的应用，巩固了模数电和电路方面的知识， 起到了温故知新的作用，此外我还学会了两种电路设计与仿真软件ORCAD和Protel的使用， 这真是一大收获。最重要的是：在这次课程设计中，我对两种电路设计软件ORCAD和Protel的使用经 历了从陌生到熟悉的过程，在这个过程中，通过自己的摸索和与同学们的交流，我攻克了 许多难题一步一步地学会了两种软件的使用，这让我深刻体会了独立思考和与人合作的重 要性，在以后的学习工作中必须要加强这两种能力。六、参考文献1 曾兴雯等，高频电路原理与分析.西安电子科技大学出版社,2 康华光，电子技术基础模拟部分.高等教育出版社，3 张肃文，高频电子线路M.高等教育出版社，贾新章等，电子电路CAD技术-基于.西安电子科技大学出版社，20025 贾新章等,OrCAD/Capture CIS 9实用教程.西安电子科技大学出版社，20006 吉雷,Protel 99从入门到精通.西安电子科技大学出版社，
