淺析電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)

曹寶林

摘 要：振蕩器作為電子技術(shù)領(lǐng)域中最基本的電子元件，在電子線路中發(fā)揮著重要作用。本文將依據(jù)振蕩器的工作原理和技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，選擇合適的元器件，設(shè)計(jì)出高頻電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器。

關(guān)鍵詞：反饋振蕩器;電容三點(diǎn)式振蕩電路;振蕩頻率

振蕩器是用來產(chǎn)生重復(fù)電子信號（通常是正弦波或方波）的電子元件[1]，是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，由它構(gòu)成的電路就叫振蕩電路，按照不同的分類方法它可以分為多種類型，本文將依據(jù)振蕩器的工作原理和設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)其中一類即電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器，并對其進(jìn)行波形檢驗(yàn)，以期助力電子線路的發(fā)展。

1 設(shè)計(jì)目的

1.1掌握并理解LC正弦振蕩器的工作原理;

1.2掌握LC正弦振蕩器的基本設(shè)計(jì)思路和方法;

1.3了解外界因素，元件參數(shù)對振蕩器工作穩(wěn)定性及頻率穩(wěn)定度的影響情況，以便提高振蕩器的性能。

2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

直流穩(wěn)壓電源1臺(tái)，示波器1臺(tái)，萬用表1塊，面包板1塊，三極管、電容、電感、電阻等若干。

3 電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器的工作原理

振蕩器是可用來產(chǎn)生重復(fù)電子信號（一般是正弦波或方波）的電子元件[1]，是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它可以將直流電能轉(zhuǎn)換成為具有一定頻率的交流電能，由其構(gòu)成的電路就被稱為振蕩電路。按照振蕩器的激勵(lì)方式可以將其分為自激振蕩器和他激振蕩器;按電路結(jié)構(gòu)可將其分為阻容振蕩器、電感電感振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等;按輸出波形可將其分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。

振蕩器可以分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。按照產(chǎn)生振蕩的工作原理，振蕩器可分為反饋式振蕩器和負(fù)阻式振蕩器器。所謂反饋式振蕩器，就是利用正反饋原理構(gòu)成的振蕩器，它是目前使用最廣泛的一類振蕩器。負(fù)阻式振蕩器，則是利用正反饋有負(fù)阻特特性的器件所構(gòu)成的振蕩器。

4 電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)原理

反饋振蕩器是由主網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉合環(huán)路，主網(wǎng)絡(luò)為諧振放大器，一般采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為振蕩器的負(fù)載，而反饋網(wǎng)絡(luò)則是是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。為了能使反饋振蕩器產(chǎn)生自激振蕩，那么就必須是正反饋，為了產(chǎn)生等幅振蕩，還必須滿足三個(gè)條件起振、平衡、穩(wěn)定三個(gè)必要條件。

當(dāng)振蕩器起振條件為AF>1，振蕩器的平衡條件為：AF=1

這說明在平衡狀態(tài)時(shí)其閉合環(huán)路的增益等于1;在起振時(shí)：A>1/F

而當(dāng)振幅增大到一定的程度后，晶體管由放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)的工作狀態(tài)，放大倍數(shù)A就會(huì)迅速下降，直到AF=1，此時(shí)開始諧振。假設(shè)存在某種因素使得AF<1，那么此時(shí)振幅就會(huì)自動(dòng)衰減，使得A與1/F逐漸相等。具體可以表述為以下：

4.1起振條件

線路剛通電時(shí)，由于電流的突變、電路中的固有噪聲等原因會(huì)使電路存在電擾動(dòng)，從而使得振動(dòng)器具有較寬的頻譜，且諧振回路的選頻功能會(huì)使特定的角頻率分量在回路中產(chǎn)生較大電壓。若電壓器的繞向正確，也可使電路為正反饋，剛開始激勵(lì)信號較弱，輸出電壓振幅較小，但經(jīng)過激勵(lì)信號的不斷增強(qiáng)和不斷放大，使輸出電壓振幅不斷增大，從而產(chǎn)生振蕩，因此起振條件應(yīng)滿足閉合環(huán)路增益大于，環(huán)路增益相角應(yīng)為360的整數(shù)倍。

4.2平衡條件

為了使振蕩器能達(dá)到平衡狀態(tài)，剛開始通電時(shí)，輸入電壓較小，放大器處于小信號狀態(tài)工作，但此時(shí)增益較大，導(dǎo)致輸入電壓不斷增大，但隨著輸入電壓不斷增大，增大到了一定程度之后，放大器就會(huì)進(jìn)入大信號的工作狀態(tài)，而由于非線性，導(dǎo)致環(huán)路增益不斷減小，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。因此振蕩器的平衡條件為環(huán)路增益模為1，相角應(yīng)為360的整數(shù)倍。

4.3穩(wěn)定條件

振蕩電路中濕度、電源電壓在不斷發(fā)生變化，則會(huì)引起回路參數(shù)變化等外部干擾因素以及固有噪聲等內(nèi)部干擾因素，這些內(nèi)外干擾因素都有可能導(dǎo)致振蕩電路偏離原來的平衡狀態(tài)，突變到新的平衡狀態(tài)甚至是停振，所以振蕩器正常運(yùn)行就必須滿足環(huán)路增益隨著輸入電壓的增大而降低、回路增益相角隨著角度的增大而減小的條件，從而使振蕩器可以處在一個(gè)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

5 設(shè)計(jì)步驟

設(shè)計(jì)一個(gè)由分立元件構(gòu)成的振蕩電路，主要需要選擇：有源器件、確定振蕩器電路形式、確定偏置參數(shù)及振蕩回路參數(shù)。

5.1電路形式的選擇

選擇原則：主要是根據(jù)工作頻率及對頻率穩(wěn)定度的要求，要滿足（1）振蕩頻率為f0=5MHZ;（2）頻率穩(wěn)定度為（f-f0）/f0<0.005/小時(shí);（3）輸出幅度為U0>0.5V的技術(shù)指標(biāo)下，可選擇電容三點(diǎn)式振蕩電路。

5.2選有源器件

選擇原則：（1）一般我們選用的是具有放大能力的分立三極管，振蕩器的振蕩管選擇主要根據(jù)具體的工作頻率而定，具體要求晶體管特性頻率fT大于工作頻率fA三倍及以上，用關(guān)系式課表示為：fT（3～10）fA;（2）選擇振蕩回路參數(shù)需要根據(jù)振蕩頻率、起振條件、足夠的振蕩幅度和規(guī)定的頻穩(wěn)度等因素進(jìn)行綜合考慮，C既不能太大也不能太小，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算，可以選擇C1=680pf，C2=2200pf，C3=10000pf，C4=10000pf，L1=10uh[2]。（3）偏置參數(shù)選擇。選擇原則：對于一般小功率自穩(wěn)幅的振蕩器，靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離飽和區(qū)，盡可能接近截止區(qū)，根據(jù)具體電路和電源電壓大小，ICQ一般取1～5mA，但在實(shí)際確定偏置參數(shù)時(shí)，在允許的情況下，發(fā)射極偏置電阻應(yīng)當(dāng)盡可能取大一些，不能太小（一般在1kΩ）。最終選擇R1=28k歐姆，R2=6.2k歐姆，R3=1k歐姆，R4=13k歐姆，R5=4.7k歐姆。經(jīng)計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)VEQ=0.2VCC;IBRB2=（5～10）IBQ （基級靜態(tài)電流）;ICQ≈IEQ），說明參數(shù)選擇符合要求。

6 電路調(diào)試

6.1加電后首先用萬用表測量各級靜態(tài)工作點(diǎn)，包括VBQ、VEQ、VCEQ、VBEQ、ICQ，并盡量使ICQ接近2mA。

6.2在完成電路設(shè)計(jì)后，運(yùn)用mutisium軟件對震蕩電路產(chǎn)生的波形進(jìn)行仿真，對其產(chǎn)生的波形進(jìn)行相應(yīng)分析。

我們可以看出輸出波形存在一定的失真，這是因?yàn)橹C振回路對振蕩頻率必須是失諧的，也可以理解為振蕩器的頻率并不是簡單地等于回路的諧振頻率，而是稍有偏移。

在仿真的過程中，如果經(jīng)常遇到不能產(chǎn)生波形，說明電路不起振，這就需要我們?nèi)シ治觥⒈葘?、調(diào)整電路元件參數(shù)，微調(diào)偏置電位器，微調(diào)偏置電位器使電路起振且幅度最大，如果波形出現(xiàn)失真或者飽和失真，則應(yīng)及時(shí)調(diào)整R。的值，消除飽和失真，得到最終結(jié)果。

6.3如果振蕩器不振蕩可以從以下四個(gè)方面進(jìn)行排查檢驗(yàn)：a.電路設(shè)計(jì)是否有誤;b.管子是否損壞;c.電感是否開路;d.電路中元件值是否錯(cuò)誤或元件沒有接地等。

6.4在調(diào)整好所有元件和參數(shù)的基礎(chǔ)上，即使記錄下輸出波形好、幅度大時(shí)的各個(gè)工作點(diǎn)的電壓值。

6.5用萬用表判斷振蕩器的起振情況，具體的判斷方法為：a.看VbVe的大小;b.短路振蕩回路元件，測Ve電壓的變化是否減小。

7 結(jié)語

經(jīng)過這次電路設(shè)計(jì)，對于高頻電子電路有了更深層次的掌握，并且提高了獨(dú)立解決問題的能力。在此次設(shè)計(jì)中對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真，因此進(jìn)一步熟悉了Multisim軟件的使用，對建立文件、繪制電路圖、對其進(jìn)行仿真等一系列過程都更加熟練，并且對電路的每一部分都認(rèn)真地進(jìn)行了修正和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳友宇， 伍時(shí)和， 凌玲.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社， 2009.4.

[2]呂紫薇，趙楠，鄭向陽，孫晚婷，李彤.淺析電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2019（13）：4.

（桂林理工大學(xué)博文管理學(xué)院，廣西 桂林 541006）