浅析电容三点式正弦波振荡器的设计

2020-07-01曹宝林

装备维修技术 2020年29期

曹宝林

摘要：振荡器作为电子技术领域中最基本的电子元件，在电子线路中发挥着重要作用。本文将依据振荡器的工作原理和技术指标，进行电路设计，选择合适的元器件，设计出高频电容三点式正弦波振荡器。

关键词：反馈振荡器;电容三点式振荡电路;振荡频率

振荡器是用来产生重复电子信号（通常是正弦波或方波）的电子元件[1]，是一种能量转换装置，由它构成的电路就叫振荡电路，按照不同的分类方法它可以分为多种类型，本文将依据振荡器的工作原理和设计原理，设计其中一类即电容三点式正弦波振荡器，并对其进行波形检验，以期助力电子线路的发展。

1 设计目的

1.1掌握并理解LC正弦振荡器的工作原理;

1.2掌握LC正弦振荡器的基本设计思路和方法;

1.3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况，以便提高振荡器的性能。

2 实验仪器及设备

直流稳压电源1台，示波器1台，万用表1块，面包板1块，三极管、电容、电感、电阻等若干。

3 电容三点式正弦波振荡器的工作原理

振荡器是可用来产生重复电子信号（一般是正弦波或方波）的电子元件[1]，是一种能量转换装置，它可以将直流电能转换成为具有一定频率的交流电能，由其构成的电路就被称为振荡电路。按照振荡器的激励方式可以将其分为自激振荡器和他激振荡器;按电路结构可将其分为阻容振荡器、电感电感振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等;按输出波形可将其分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。

振荡器可以分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。按照产生振荡的工作原理，振荡器可分为反馈式振荡器和负阻式振荡器器。所谓反馈式振荡器，就是利用正反馈原理构成的振荡器，它是目前使用最广泛的一类振荡器。负阻式振荡器，则是利用正反馈有负阻特特性的器件所构成的振荡器。

4 电容三点式正弦波振荡器的设计原理

反馈振荡器是由主网络与反馈网络构成的闭合环路，主网络为谐振放大器，一般采用选频网络作为振荡器的负载，而反馈网络则是是由无源器件组成的线性网络。为了能使反馈振荡器产生自激振荡，那么就必须是正反馈，为了产生等幅振荡，还必须满足三个条件起振、平衡、稳定三个必要条件。

当振荡器起振条件为AF>1，振荡器的平衡条件为：AF=1

这说明在平衡状态时其闭合环路的增益等于1;在起振时：A>1/F

而当振幅增大到一定的程度后，晶体管由放大区进入饱和区的工作状态，放大倍数A就会迅速下降，直到AF=1，此时开始谐振。假设存在某种因素使得AF<1，那么此时振幅就会自动衰减，使得A与1/F逐渐相等。具体可以表述为以下：

4.1起振条件

线路刚通电时，由于电流的突变、电路中的固有噪声等原因会使电路存在电扰动，从而使得振动器具有较宽的频谱，且谐振回路的选频功能会使特定的角频率分量在回路中产生较大电压。若电压器的绕向正确，也可使电路为正反馈，刚开始激励信号较弱，输出电压振幅较小，但经过激励信号的不断增强和不断放大，使输出电压振幅不断增大，从而产生振荡，因此起振条件应满足闭合环路增益大于，环路增益相角应为360的整数倍。

4.2平衡条件

为了使振荡器能达到平衡状态，刚开始通电时，输入电压较小，放大器处于小信号状态工作，但此时增益较大，导致输入电压不断增大，但随着输入电压不断增大，增大到了一定程度之后，放大器就会进入大信号的工作状态，而由于非线性，导致环路增益不断减小，最终达到平衡状态。因此振荡器的平衡条件为环路增益模为1，相角应为360的整數倍。

4.3稳定条件

振荡电路中湿度、电源电压在不断发生变化，则会引起回路参数变化等外部干扰因素以及固有噪声等内部干扰因素，这些内外干扰因素都有可能导致振荡电路偏离原来的平衡状态，突变到新的平衡状态甚至是停振，所以振荡器正常运行就必须满足环路增益随着输入电压的增大而降低、回路增益相角随着角度的增大而减小的条件，从而使振荡器可以处在一个稳定的平衡状态。

5 设计步骤

设计一个由分立元件构成的振荡电路，主要需要选择：有源器件、确定振荡器电路形式、确定偏置参数及振荡回路参数。

5.1电路形式的选择

选择原则：主要是根据工作频率及对频率稳定度的要求，要满足（1）振荡频率为f0=5MHZ;（2）频率稳定度为（f-f0）/f0<0.005/小时;（3）输出幅度为U0>0.5V的技术指标下，可选择电容三点式振荡电路。

5.2选有源器件

选择原则：（1）一般我们选用的是具有放大能力的分立三极管，振荡器的振荡管选择主要根据具体的工作频率而定，具体要求晶体管特性频率fT大于工作频率fA三倍及以上，用关系式课表示为：fT（3～10）fA;（2）选择振荡回路参数需要根据振荡频率、起振条件、足够的振荡幅度和规定的频稳度等因素进行综合考虑，C既不能太大也不能太小，经过反复计算，可以选择C1=680pf，C2=2200pf，C3=10000pf，C4=10000pf，L1=10uh[2]。（3）偏置参数选择。选择原则：对于一般小功率自稳幅的振荡器，静态工作点应当远离饱和区，尽可能接近截止区，根据具体电路和电源电压大小，ICQ一般取1～5mA，但在实际确定偏置参数时，在允许的情况下，发射极偏置电阻应当尽可能取大一些，不能太小（一般在1kΩ）。最终选择R1=28k欧姆，R2=6.2k欧姆，R3=1k欧姆，R4=13k欧姆，R5=4.7k欧姆。经计算我们发现VEQ=0.2VCC;IBRB2=（5～10）IBQ （基级静态电流）;ICQ≈IEQ），说明参数选择符合要求。

6 电路调试

6.1加电后首先用万用表测量各级静态工作点，包括VBQ、VEQ、VCEQ、VBEQ、ICQ，并尽量使ICQ接近2mA。

6.2在完成电路设计后，运用mutisium软件对震荡电路产生的波形进行仿真，对其产生的波形进行相应分析。

我们可以看出输出波形存在一定的失真，这是因为谐振回路对振荡频率必须是失谐的，也可以理解为振荡器的频率并不是简单地等于回路的谐振频率，而是稍有偏移。

在仿真的过程中，如果经常遇到不能产生波形，说明电路不起振，这就需要我们去分析、比对、调整电路元件参数，微调偏置电位器，微调偏置电位器使电路起振且幅度最大，如果波形出现失真或者饱和失真，则应及时调整R。的值，消除饱和失真，得到最终结果。

6.3如果振荡器不振荡可以从以下四个方面进行排查检验：a.电路设计是否有误;b.管子是否损坏;c.电感是否开路;d.电路中元件值是否错误或元件没有接地等。

6.4在调整好所有元件和参数的基础上，即使记录下输出波形好、幅度大时的各个工作点的电压值。

6.5用万用表判断振荡器的起振情况，具体的判断方法为：a.看VbVe的大小;b.短路振荡回路元件，测Ve电压的变化是否减小。

7 结语

经过这次电路设计，对于高频电子电路有了更深层次的掌握，并且提高了独立解决问题的能力。在此次设计中对设计电路进行了仿真，因此进一步熟悉了Multisim软件的使用，对建立文件、绘制电路图、对其进行仿真等一系列过程都更加熟练，并且对电路的每一部分都认真地进行了修正和改进。

参考文献：

[1]吴友宇，伍时和，凌玲.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社， 2009.4.