電感三點(diǎn)式振蕩電路設(shè)計(jì)探討

● 沈陽工程學(xué)院 張 倩

在廣播、通信和電視系統(tǒng)中，都需要高頻信號(hào)振蕩器，廣泛應(yīng)用于無線電發(fā)射、超聲波焊接和核磁共振等設(shè)備中。振蕩器是一種波形產(chǎn)生電路，能將直流能量轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電信號(hào)輸出。根據(jù)所產(chǎn)生的波形不同，可將振蕩器分成正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。振蕩器的分類方法有很多，按振蕩激勵(lì)的方式可分為自激型振蕩器、他激型振蕩器；按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容式振蕩器、電感電容式振蕩器等；按照選頻網(wǎng)絡(luò)所采用元件的不同，可分為L(zhǎng)C振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型。

本文應(yīng)用Multisim軟件對(duì)由LC振蕩電路構(gòu)成的電感三點(diǎn)式振蕩電路進(jìn)行了原理分析和仿真設(shè)計(jì)。

1 振蕩電路仿真設(shè)計(jì)

電感三點(diǎn)式振蕩器是指LC回路的3個(gè)端點(diǎn)與晶體管的3個(gè)電極分別連接而組成的一種振蕩器,是一種廣泛應(yīng)用的振蕩電路，其工作頻率可達(dá)到幾百兆赫。電感三點(diǎn)式正弦振蕩電路框圖如圖1所示。振蕩電路主要由放大器、LC選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)等部分組成。振蕩的建立，需要滿足振蕩的建立條件，包括振幅平衡條件和相位平衡條件。需要采用穩(wěn)幅措施，才能使由正反饋產(chǎn)生的輸出基本上恒定，即振蕩的平衡條件。

圖1 電感三點(diǎn)式正弦振蕩電路框圖

電感三點(diǎn)式正弦振蕩電路輸出波形從三極管T的集電極取出，電感L1、電感L2和電容C2構(gòu)成LC選頻網(wǎng)絡(luò)。三極管T用來放大輸入端交流信號(hào)，R1、R2是以分壓的形式為BJT提供基極偏壓，使三極管獲得穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)，構(gòu)成共射極放大電路，其中C1、C3為交流旁路電容。Multisim電感三點(diǎn)式正弦振蕩電路圖如圖2所示。這種LC并聯(lián)諧振電路中的電感，有首端、中間端和尾端。反饋電壓取自電感L2上末端電壓，形成正反饋網(wǎng)絡(luò)。電源Ec接通后，由于電路中存在噪聲和某種擾動(dòng)，經(jīng)過放大與選頻循環(huán)往復(fù)，振蕩就逐步建立起來了。三極管的各級(jí)電流從零逐漸增大到某一數(shù)值，LC振蕩電路會(huì)進(jìn)行選頻，從而在回路兩端會(huì)感生出正弦波輸出信號(hào)，然后電壓經(jīng)過互感耦合正反饋到晶體管的基極回路，在進(jìn)行放大、選頻、反饋、再放大，使小的振蕩信號(hào)增長(zhǎng)起來，這時(shí)振蕩已經(jīng)建立。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)選用放大倍數(shù)較大的三極管。

圖2 Multisim電感三點(diǎn)式正弦振蕩電路

2 LC諧振的建立與保持

電感三點(diǎn)式振蕩電路中有一個(gè)LC諧振回路，用來產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)，一般在1MHz以上，具有選頻作用。當(dāng)LC諧振回路的固有頻率與某一諧振頻率相等時(shí)，電路發(fā)生諧振。雖然脈動(dòng)的信號(hào)很微小，通過電路放大及正反饋使振蕩幅度不斷增大。振蕩器只有在某一頻率時(shí)才能滿足振蕩條件，于是得到單一頻率的振蕩信號(hào)輸出。振蕩頻率近似為：

其中M為L(zhǎng)1、L2的互感系數(shù)。

電感三點(diǎn)式起振需要滿足的起振條件，即要滿足A（jω）F（jω）＞1，振幅條件和相位條件。 振幅條件，由于 AV較大，只要適當(dāng)選取L2/L1的比值，就可實(shí)現(xiàn)起振。相位條件，三極管T的集電極輸出相位與基極輸入相位相反，又由于電感中間點(diǎn)交流接地，所以L2電感下端與L1上端相位相反，即基極輸入和反饋回來信號(hào)的相位相同，構(gòu)成正反饋。為了使振蕩穩(wěn)定下來電路需要滿足平衡條件，即A(jω)F(jω)=1。當(dāng)輸出增大到一定程度時(shí)，導(dǎo)致晶體管即將進(jìn)入非線性飽和區(qū)域，在發(fā)射級(jí)e上產(chǎn)生自給射級(jí)偏壓形成負(fù)反饋，使放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)下移，最后達(dá)到平衡，此時(shí)振蕩幅度不再增大。一個(gè)實(shí)際的振蕩電路，在反饋系數(shù)確定后，其振幅增加的主要是靠提高振蕩管的靜態(tài)電流值和選擇合適的β晶體管。

3 波形與結(jié)果

用示波器測(cè)量電感三點(diǎn)式振蕩器產(chǎn)生的正弦波波形，頻率高、失真度低、電壓穩(wěn)定，符合正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)要求，正弦振蕩電路輸出波形如圖3所示。

調(diào)整LC選頻回路的電容和電感值，可以改變振蕩電路的輸出信號(hào)頻率，調(diào)整放大電路基本參數(shù)可以改變輸出信號(hào)振幅。當(dāng)帶負(fù)載工作后，波形基本無失真，說明該電路具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，設(shè)計(jì)合理，仿真結(jié)果正確?？梢耘c信號(hào)處理電路配合，作為信號(hào)發(fā)生裝置應(yīng)用于電子通信設(shè)備中。

圖3 正弦振蕩電路輸出波形

智能電氣量測(cè)與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1 實(shí)驗(yàn)室組建的必要性

智能電氣量測(cè)與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成立于2017年8月，在為解決當(dāng)前能源安全和可持續(xù)發(fā)展面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，進(jìn)行智能電氣量測(cè)前沿理論研究、新技術(shù)新產(chǎn)品研發(fā)十分必要和緊迫的時(shí)代背景下而建立。它為特高壓入湘、智能化變電站、分布式能源、電動(dòng)汽車的發(fā)展提供重要技術(shù)支撐。

2 實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)條件

實(shí)驗(yàn)室由國(guó)網(wǎng)湖南供電服務(wù)中心（計(jì)量中心）和湖南大學(xué)聯(lián)合組建。占地42畝，建筑面積2.5萬平方米，實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資2.4億元。具有完善的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，擁有電磁兼容、氣候影響、電氣性能等全方位、全覆蓋的高水平實(shí)驗(yàn)室。建成國(guó)內(nèi)首條模塊檢測(cè)流水線、國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)首個(gè)微型斷路器試驗(yàn)室、華中地區(qū)第二大電波暗室、省內(nèi)首個(gè)RFID電子標(biāo)簽檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室等一批特色實(shí)驗(yàn)室。研發(fā)了國(guó)際領(lǐng)先的全自動(dòng)智能檢定與倉(cāng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)室取得了一批領(lǐng)先的科技成果。承擔(dān)了《基于云平臺(tái)和RFID實(shí)現(xiàn)閉環(huán)模式下智能表全壽命周期管理關(guān)鍵技術(shù)研究及成套設(shè)備研制》等國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研項(xiàng)目134項(xiàng)。出版國(guó)內(nèi)首部電子表著作《電能計(jì)量技能考核培訓(xùn)教材》等專著16部、發(fā)表SCI、EI等科技論文200余篇、主持或參與編寫《電能表檢測(cè)抽樣要求》等標(biāo)準(zhǔn)27項(xiàng)、申請(qǐng)《電能表用內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)可靠性評(píng)估試驗(yàn)方法》等國(guó)家專利89項(xiàng)。榮獲國(guó)家級(jí)、省部級(jí)等各層級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)47項(xiàng)。

3 實(shí)驗(yàn)室研究任務(wù)與目標(biāo)

實(shí)驗(yàn)室將“智能電能計(jì)量技術(shù)、智能檢定檢測(cè)技術(shù)、計(jì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與智能診斷技術(shù)、用電信息獲取及互動(dòng)技術(shù)”等4個(gè)新興交叉學(xué)科前沿作為重點(diǎn)研究方向。通過以上4個(gè)方向的研究，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展總體目標(biāo)：建成一個(gè)硬件設(shè)施齊全、科研實(shí)力雄厚、研究成果優(yōu)異、技術(shù)轉(zhuǎn)化有力的開放型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；將實(shí)驗(yàn)室打造成湖南省重要的自主創(chuàng)新研發(fā)平臺(tái)、科研成果轉(zhuǎn)化平臺(tái)、人才培養(yǎng)聚集平臺(tái)、學(xué)術(shù)交流開發(fā)平臺(tái)。