频率可调的反馈型正弦波振荡器设计

裴俊峰PEI Jun-feng

（中国传媒大学，北京100024）

0 引言

振荡器的作用是产生一定频率的交流信号，在电子技术领域中是最基本的电子线路。LC 正弦波振荡电路有三种基本形式：变压器反馈式、电感三点式和电容三点式。张倩等人对电感三点式振荡电路设计进行了探讨[1]。分析了电路设计的原理。吕紫薇和赵楠等人分析了电容三点式正弦波振荡器的设计方案[2]，设计出频率固定的正弦波振荡器。然而以上在实际应用中固定频率不能随被激励谐振器频率变化而变化，并不能满足灵活性的需求。本文根据反馈振荡器的原理，在电容三点式振荡电路的基础上，通过在三点式电容选频回路中并联可变电容的方式来实现正弦振荡器的频率可调，使振荡器的应用范围更广泛更实用。

1 原理及电路设计

1.1 闭环自激原理

闭环自激原理如图1 所示，系统分为两大部分：系统为放大电路部分，系统反馈网络部分。

图1 闭环框图

当系统导通后，电路会产生丰富的频率噪声，而通过选频网络将频率为谐振频率的信号进行放大输出，在正反馈过程晶体管的非线性特性，幅值不会无限制地增大，当x0的正反馈幅值增加到一定量，电路的放大倍数的数值将会减小。电路会处于一种动态的平衡。此时，环路的输出量X˙0通过电路的反馈网络所产生的反馈量将作为放大电路的输入量，同时输入量又通过放大电路维持着输出量，写成表达式为：

平衡条件为：

式（1）式（2）式写成模与相角的形式为

式（3）为幅值平衡条件，式（4）称为相位平衡条件。为了满足输出量在导通后由小到大至平衡在一定幅值的过程，电路的起振条件为

1.2 频率固定电容式振荡电路设计

图2 电容式反馈振荡电路

根据闭环自激原理和起振条件，设计如图2 所示电路。电路包含了起放大作用的晶体管、选频网络、反馈网络和非线性元件—晶体管四个部分[3]，由L、C1、C2所构成的选频网络品质因数Q 远大于1 时，谐振频率为

设c2、c3的电流分别为I˙c2、I˙c3则反馈系数：

电压放大倍数：

在不加负载的情况下，集电极等效负载为：

其中β 为电流放大系数、γbe为晶体管的内阻。

2 元器件选择及电路仿真

2.1 固定频率振荡器电路的元器件选择

电路一般选用具有放大电压倍数大的三极管，晶体管的特性频率fT＞（3-10）f0，其中f0为选频频率。反馈系数F一般选0.1-0.5 之间[4]。ICQ一般选1-5mA[5]。而小功率振荡器的静态工作点应远离饱和区，靠近截止区[6]。经过计算，本设计选择ICQ=2mA、F=0.2、VCC=6V、R1=30kΩ、R2=6kΩ、R3=4.5kΩ、R4=1kΩ、C1=680pF、C2=110pF、C3=680pF、C4=100pF、L1=10uH。如图3 所示。

图3 固定频率振荡器设计及器件选择

2.2 固定频率设计电路仿真

对固定频率电路进行时域仿真结果如图4 所示。

图4 固定频率振荡器时域仿真结果

由仿真结果可以分析：在闭环自激电路中包含各种频段的噪声信号，这些噪声信号中，包含所需要的谐振频率信号所设计电路加6V 直流电压让三极管处于放大状态，满足谐振器的起振条件，LC 组成的选频网络对谐振信号的选频和三极管处于放大状态对微弱的谐振信号的放大。由于三极管本身的特性使得谐振信号不能无限放大，最终达到稳定状态实现谐振器的闭环自激振荡。

3 可变频率振荡器设计电路和仿真

由频率公式（6）知：若改变频率f0，则需要通过改变电感L 或者C2、C3 来实现。但是谐振式制作成后再拆卸改变电感不现实，如果想通过改变电容来调节振荡频率，则会影响起振条件，且设备一旦制成再改变不够经济实用[5]。

如图5 所示在固定频率的基础上，又设计出在频率变化范围不大情况下可变选频的电路。把电容C2 改为100pF,在电感L 上并联一个0-60pF 的可变电容器C5C，电容调节幅度设置为1%，调节幅度从0-100%电容实现从0 到60pF的调节。而频率实现从3.94MHz 到5.04MHz 的选频。

分别选取几组进仿真结果如图6、图7、图8 所示。

仿真分析：当可变电容C5 幅值增加到10%即并联电容增加6pF 时，由Multisim 软件中的频率计读出频率为4.889MHz，由示波器观察输出稳定的4.889MHz 的正弦波。当可变电容C5 幅值分别增加到55%和100%时，频率依次变为4.335MHz 和3.944MHz，在高频的情况下输出波形好。

图5 可变频率振荡器设计图

图6 电容调节幅度为10%时仿真结果形图

图7 电容调节幅度为55%时仿真结果

图8 电容调节幅度为100%时仿真结果

4 总结

经过仿真可知：基于电容三点式正弦波振荡电路通过合理的元器件选择可实现自激振荡。同时该电路可输出波形稳定振荡频率为4.84MHz 的正弦波。并在此基础上设计出在选频回路的电感L 上并联一个电容值为0-60pF的可变电容器，当可变电容器容值从0 增加到60pF 的过程正弦波振荡器即实现输出频率从3.94-5.04MHz 的变化。另一方面该设计用到的电感，电容，电阻以及起放大作用的三极管都是电子电路中比较常见的元器件，易于购买，兼顾了实用和经济的考虑。可操作性强，性价比高。通过将可变电容的容值变化改变为5pF，滑动步进值每次改变为百分之一，通过示波器示数计算，理论上可使频率范围精确到更低赫兹，目前频率改变的精度还不够高，改变精度是下一步需要攻克的地方。