射频频率源的综合设计论文

频率源设计实验（论文）

题目：基于电路基础的频率源设计实验

学 院：机电学院 专 业：武器系统与工程 专业班级：02131201 学 号：1120120238 学生姓名：陈汉 指导教师：孔昭德

起止时间：2014.9.29—2015.1.19

设计（论文）任务及评语

院（系）：机电学院 学号 1120120238 姓名 陈汉 专业班级 02131201 设计（论文）题目 基于电路基础的频率源设计 实 验 的 目 的 及 意 义 设计 通过复习三极管放大电路的基础知识，并在此基础上了解了自激振荡电路的原理。再通过自己分析计算，掌握了设计一个简单频率源的完整方法。亲自焊接电路板也锻炼了动手操作能力。理论与实践的结合也让我认识到了严谨的工作态度对于从事科研工作的重要性。最后几周的电路组装和调试也让我积累了一些实际操作的经验，极大锻炼了分析和解决实际电路问题的能力，这一切对我来说都是从无到有，收获很大。 晶体三极管振荡电路设计要求： （论文）?输出频率在10MHZ-30MHZ之间 任务 ?输出为正弦振荡波形，输出电压峰峰值 ?输出波形的频稳度要求在之间

目录

摘要.............................................................................1 基本原理简介............................................................ 1 自激振荡原理.....................................................1 自激振荡的建立和形成.....................................4 RC串并联式正弦振荡器....................................5 实际工作叙述.............................................................7 数据收集....................................................................10 心得体会....................................................................12

摘要

本文通过正弦信号发生器的基本原理介绍，实际工作过程的分步介绍（方案选择，电路类型，原理框图，选择器件，设计计算，电路原理图，安装调试等）以及数据收集和心得体会，全面展示了自己在孔老师的《基于电路基础的频率源设计》这一实验课中的实践成果以及感悟。

实验基本原理简介

由于输出的是最简单的正弦波，再此只对正弦波振荡电路的原理做出简介。不需要外加激励信号，电路就能产生输出信号的电路称为信号发生电路或波形振荡器。其中能产生正弦波输出信号的电路称为正弦波发生电路或正弦振荡器。 一、自激振荡原理

信号发生电路能产生各种波形的输出信号，都是基于自激振荡原理。自激振荡原理的方框图如图1所示：

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图1（X为电量：电压或电流）

它是由基本放大器A和正反馈网络F组成的闭合正反馈环路。 A和F分别为基本放大器和反馈网络的正向传输函数，即：

?

图1中的 + 为相加器， 因此图1的输出：

A?X0?XdF?XfX0???f??Xd?Xi?X2

X0?AXd?A(Xi?Xf)?AXi?AFXo

由于自激振荡是一种没有输入（ X i ? 0 ）,仍有一定大小输出（ X o ? 非零值）的电路，因此，由式（3）必须有： 即：

1、自激振荡器是由放大器A和反馈网络F组成的闭合环路，其 能形成自激振荡须满足： AF ? 1 相位条件是产生自激振荡的必要条件，即反馈信号 必须与放大器A的输入信号 同相（正反馈），幅度条件则是自激产生的充分条件，两者缺一不可。 2、环路增益函数T

由A 和 F组成的闭合环路，若在环路中的某一处断开，分别作为环路的输入和输出，它们的比值就是环路增益函数，即：

????????A?Xo?Xi1?AF??1?AF?0AF?1T?XoXi???由于是闭合环路，原则上在哪处断开都可以。

X对于图1所示的方框图，由于 ?i ? 0 ，若取相加处为环路的起始?和终点，则有： T?

Xf??F?XoXo??A?FXdA3

所以自激振荡条件又可用环路增益函数表示： 或

式（6）（7）说明：当反馈网络的输出 X f 从相位和幅度大小上

?X完全等同于放大器输入 d 时，自激振荡形成，电路有输出 X 。

0?T?1T?1?T?2n??3、正弦波发生电路的输出是单一频率的正弦波，因此由图1电路实现正弦振荡的条件是满足式（5）或式（7）的频率应该是唯一的所以闭合环路中的反馈网络F通常为具有选频特性的。选频特性的Q值越高，则电路产生的正弦波越纯、越好。利用式（5）或式（7），我们可以分析求解出正弦波发生电路的振荡频率和起振条件。 二、自激振荡的建立和形成

1、由闭合环路组成的自激振荡器，其振荡产生的起始信号来自于电路中的各种起伏和外来扰动，例如电路接通电源瞬间的电冲击、电子器件的噪声电压等等，这些电信号中含丰富的频率成分，经选频网络 选出某频率的信号输送至放大器A放大后，经F网络反馈后再放大，……，反复循环直至电路的输出Xo由小至大。最后建立和形成稳定的波形输出。

2、为使振荡器的输出稳定在一定的幅度，放大器A必须为具有非线形传输特性的，如图3(a)所示。一般，反馈网络的传输特性为线形的，如图3(b)。

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三、RC串并联式正弦振荡器

又称文氏电桥振荡器，如图6(a)所示，其中A放大器由同相运放电路组成，图6(b)，因此： AVoR2v?V?(1?) dR1

F网络由RC串并联网络组成，由于运放的输入阻抗Ri很大，输出阻抗Ro很小，其对F网络的影响可以忽略不计，从图6(c)有： RFVf?1?j?RC v?VoR?1

j?C?R1?j?RC

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由式（5）或式（7）的自激振荡条件：T=AF=1有

所以上式分母中的虚部必须为零，即

AvFv?AvR13R?j(?RC?)?C2?111?振荡频率???RC??00RC?C2上式的实部为1，即

Av?R?1?起振条件Av?33RR2对图6（b）同相运放， A v ? 1 ? 须满足 R2?2R1R1以上分析表明:

1? ，由具有选频特性的RC串①文氏电桥振荡器的振荡频率 ? 0 RC联网络决定。

②图6文氏电桥振荡器的起振条件为 A 3 ，即要求放大器的电v ?压增益大于等于3，略大于3的原因是由于电路中的各种损耗，致使幅度下降而给予补偿。但A比3大得多了会导致输出正弦波形变差。

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实际工作叙述

方案确定： RC串并联式正弦振荡器

电路类型： 采用分压式偏置电路

原理框图：

选择器件：

稳压块选用7812配合接地的电阻和电容 自激振荡电路选用三极管2N914与电阻组装 选频网络用经典的RLC振荡电路 射极跟随器同样用2N914改装而成

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设计计算：

由于原来计算草稿纸不慎丢失，现只能将大概过程简述。 对于如图所示的电路有经验公式

I1?(5~10)IBQUEQ?REIEQ?0.2VCC或UEQ?1~3V选β=60，

VCE?VCEQ?10vIC?ICEQ?20mA

工作电压12v-20v。经过放大电路的一些基本计算，可以得到

RB1?26.7k?RB2?10.3k?RC?1k?RE?1.2k?

选频网络：选12MHz为输出频率，电感用10uH，结合经验公式可以计算得到各个电容值

C2?150pFC3?510pF C4?15.6pF为了方便调整，将C4拆分成10pF固定电容与50pF可调电容并联。

射极跟随器：计算方法与静态工作点的计算类似，考虑到标称值，最后选 RB?R7?R8?180K??27K?R9?2.2K?

最后为了优化电路，在自激振荡电路部分加上C1?0.22uF 耦合电容C6?10pF。

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为了优化波形，将C7?2.2pF与R10?1.0k?串联后在R9外并联。

电路原理图如下

元器件清单

三极管：2N914两个 电阻：

1k(2个) 10k 1.2k 180k 27k 2.2k 300 电容：

150p 510p 9.1p 2.2p 2000p 9100p 0.22u 0.01u 30u

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电感：10uH

可变元件： 50kΩ电位器 5-20pF 可调电容 稳压块： 7812

安装调试：根据电路原理图和原器件清单，选好需要的器件后开始在电路板上焊接。两周以后完成焊接，开始调试。由于第一次焊接电路板，没有操作经验，将导线全部焊在背面，导致短路现象频频发生，工艺太差导致焊锡溢出也是导致短路的原因之一。由于对电路板本身的结构不熟悉，导致后来又发现许多错焊和漏焊，这都是由于不熟悉焊接的操作流程浪费了大量时间。最后在反复检查觉得电路没有问题的情况下，依旧没能得到输出的波形，静态工作点正确。后来在课代表的帮助下更换了起振电路的三极管和配套的电阻，又调整了C3和C4，确定电路连接无误的情况下，依旧只得到了静态工作点，没有输出波形。考虑到有几门考试将近，只能遗憾放弃继续调试。现将仿真软件中的电路作为真实电路进行后续的数据测量，以完成数据测量和结果分析。

数据收集

点击运行后，频率计数计与示波器显示如下

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波形稍有变形，原因应为射随器的参数存在偏差，图示已经为仔细调整后波形最接近正弦波的一组参数。R9已经由计算中的2.2kΩ调整到22k。

在振荡电路的b极接入电流表，可以同时打开示波器观察，通过

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调整电位器可以得到基极电流与输出波形峰峰值之间的关系。

心得体会

在这一个学期的实验课中，从对基本原理的一无所知到最后组装出了自己的电路板，虽然最后的成果算不得成功，但是收获仍然是巨大的。首先要感谢老师认真负责的讲解以及对我的耐心鼓励，还要感谢课代表同学有问必答的辅导和帮助。除了收获了电工方面的知识和焊电路板的方法，最重要的是学到了科研工作者执着严谨的工作态度，学到了坚持的重要，这才让我看到了不一样的风景，才能成长起来。最后祝老师工作顺利，身体健康，春节快乐！

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