工学院
《高频电子线路》课程设计说明书
课题名称 LC正弦波振荡器 专业名称 电子信息工程 学生班级 学生 学生学号 指导老师 时 间
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课程设计(论文)课题任务书
系:电气与信息工程系 专业:电子信息工程 指导教师 课题名称 容及任务 1、了解LC正弦波振荡器的工作原理。 2、掌握电容三点式正弦波振荡器的设计与主要性能参数测试方法。 3、掌握LC正弦波振荡器的装调技术 学生 LC正弦波振荡器 .页脚
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1、技术指标 三种正弦波振荡器的技术指标均为: 振荡频率:f0?10.0MHZ ; ?4频率稳定度:?f/f0?10; 输出幅度:UP?P?0.3V。 拟达到的要求或技术指标 2、设计要求 (1) 设计的宽带高频功率放大器满足技术指标; (2) 拟定测试方案和设计步骤; (3) 根据性能指标,计算元件参数,选好元件,设计电路并画出电路图; (4) 对电路进行仿真,输出仿真波形; (5) 测量各指标数据; (6) 写出设计报告。 进起止日期 工作容 备注 .页脚
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度安排 2010.12.7 2010.12.7 2010.12.10 2010.12.11 2010.12.12 2010.12.12 2010.12.13 2010.12.15 2010.12.16 了解课题设计容,设计要求,初步定性。 进行组讨论,分工合作。 查找课程设计书籍并集合有用资料。 组讨论,确定设计方案。 画电路原理图,并进行电路仿真。 仿真无误,开始实物准备。 开始课程报告的分析与设计。 做电路板并调试。 打印设计报告。 .页脚
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[1] 康华光.电子技术基础模拟部分.:高等教育,2006 主要参考资料 [2] 罗先觉、邱关源.电路分析.:高等教育,2006 [3] 才开.电路实验.:清华大学,2005 [4] 自美.电子线路设计.:华中科技大学,2006 [5] 高如云.通信电子线路.:电子科技大学,2008
摘要
振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于,无需外加激励信号,就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。
正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。例如,无线发射机中的载波信号源,接收设备中的本地振荡信号源,各种测量仪器如信号发生器、频率计、fT测试仪中的核心部分以及自动控制环节,都离不开正弦波振荡器。
根据所产生的波形不同,可将振荡器分成正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波,后者能产生矩形波、三角波、锯齿波等。本设计仅介绍LC正弦波振荡器。
常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成, 这就是反馈振荡器。按照选频网络所采用元件的不同, 正弦波振荡器可分为LC振荡器、
RC振荡器和晶体振荡器等类型。正反馈放大器既可以由晶体管、场效应管等分立器件组成,
也可以由集成电路组成,但前者的性能可以比后者做得好些,且工作频率也可以做得更高。
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其中LC振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波。本设计主要介绍LC正弦波振荡器的工作原理,电容三点式正弦波振荡器、电感三点式正弦波振荡器和席勒正弦波振荡器的设计与主要性能参数测试方法。本次设计所要完成的就是LC正弦波振荡器的设计。以下就正弦波振荡器的电路原理、参数计算和软件仿真等问题来进行具体分析讨论。
目 录
第一章 方案设计与论证 ……………………………………………5 1.1 方案设计与论证 ……………………………………………5 1.2 方案选择 ……………………………………………………5 第二章 LC正弦波振荡器工作原理 …………………………………6 2.1 振荡产生原理 ………………………………………………6
2.2 振荡产生条件 ………………………………………………7 2.3 电容三点式工作原理…………………………………………8 2.4 振荡器工作状态对振荡器性能的影响………………………10 第三章 电容三点式振荡器的Multisim设计 ……………………14 3.1 电容三点式振荡电路 ………………………………………14 3.2 元器件及参数的确定 ………………………………………15 3.3 电容三点式振荡器的Multisim设计………………………15
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第四章 电容三点式振荡器的Protel图……………………………18 4.1 Protel电容三点式振荡器原理图 …………………………18 4.2 Protel电容三点式振荡器PCB图 …………………………18 第五章 设计总结 ……………………………………………………19 5.1三点式振荡器总结……………………………………………19 5.2心得体会………………………………………………………19 附录
1、参考文献………………………………………………………20 2、电容三点式正弦波振荡器电路图……………………………20 3、电容三点式振荡器PCB图 …………………………………21 4、元器件清单……………………………………………………21
第一章 方案设计与论证
1.1 方案设计与论证
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LC正弦波振荡器的电路种类比较多,根据不同的反馈方式,又可分为互感反馈振荡器,电感反馈三点式振荡器,电容反馈三点式振荡器,其中互感反馈易于起振,但稳定性差,适用于低频,而三点式振荡器稳定性好,输出波形理想,振荡频率可以做得较高。选择电容反馈三点式振荡器,而电容反馈三点式振荡器又分为考毕兹振荡器,克拉波振荡器,西勒振荡器。而本次课程设计要求设计: 电容三点式振荡器。
振荡器是一种能量转换器,由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络及反馈网络组成,其框图如图2-1所示.。
放大电路 图2-1振荡器框图 选频网络 输出 1.2 方案选择 方案一:电感反馈三点式振荡器的输出波形由仿真软件得出。 正反馈网络 方案二:考毕兹振荡器的输出波形由仿真软件得出。 经比较用考毕兹电路可以做到波形比较稳定,并且频率可以做到很高,即选择方案二。
第二章 LC正弦波振荡器工作原理
2.1振荡产生原理
反馈型振荡器是通过正反馈联接方式实现等幅正弦振荡的电路。这种电路由两部分组成,一是放大电路,二是反馈网络,图2-1所示为反馈振荡器构成方框图及相应电路。由
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?,这图可知,当开关S在1的位置,放大器的输入端外加一定频率和幅度的正弦波信号Ui?,若U?经反馈网络并在反馈网络输出端一信号经放大器放大后,在输出端产生输出信号Uoo?不仅大小相等,而且相位也相同,即实现了正反馈。若此时除去外?与U得到的反馈信号Uif加信号,将开关由1端转接到2端,使放大器和反馈网络构成一个闭环系统,那么,在没?输出,从而实现了自激振荡的目有外加信号的情况下,输出端仍可维持一定幅度的电压Uo的。
?为一个固定频率的正弦波,图1-2所示的闭合环路必须含有选为了使振荡器的输出Uo2S1~??i U__放大器 ?A??o U_RL
??f U反馈网络 ?F图2-1反馈振荡器的组成方框图
?相同的条件而产生自激振荡,对?与 U频网络,使得只有选频网络中心频率的信号满足Uif?相同的条件而不产生振荡。?与U其它频率的信号不满足U选频网络可与放大器相结合构成if选频放大器,也可与选频网络相结合构成选频反馈网络。
如上所述,反馈振荡器是把反馈电压作为输入电压,以维持一定的输出电压的。那么,
?,等到产生了输出信号U?,又振荡的产生是否就需要在开始的一瞬间外加一个输入信号Uio反馈一部分回来,再把输入信号拿走呢?实际上,在电源接通振荡器时,电路必然会存在微弱的电扰动,如晶体管电流的突增、电路中的热噪声等等,这些电扰就构成原始的输入信号。又由于这些电扰动信号频率围很宽,经过振荡电路中的选频网络,只将其中某一频率的信号反馈到放大器的输入端,而其它频率的信号将抑制掉。被放大后的某一频率分量经反馈加到输入端,幅度得到增大。这一“反馈——放大”的过程是一个循环的过程某一频率分量的
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信号将不断增长,振荡由小到大而建立起来。
2.2振荡产生条件
振荡器是一种在没有外来信号的作用下,能自动地将直流电源的能量转换为一定波形的交变振荡能量的装置。根据振荡器的特性,可将振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器两大类,LC振荡器属于反馈式振荡器。工作时它应满足两个条件:
i.
相位条件:反馈信号必须与输入信号同相,以保证电路是正反馈电路,即电路的总相移Σφ=φk+φF=n×3600。
ii.
振幅条件:反馈信号的振幅应大于或等于输入信号的振幅,即│?F式中?为放大倍数,F
为反馈系数。
│≥1,
当振荡器接通电源后,电路中存在着各种电的扰动(如热噪声、晶体管电流的突变等),它们就是振荡器起振的初始激励。经过电路放大和正反馈的作用,它们的幅度会得到不断的加强。同时,由于电路中LC谐振回路的选频作用,只有等于其谐振频率的电压分量满足振荡条件,最终形成了单一频率的振荡信号。
正弦波振荡器是指振荡波形接近理想正弦波的振荡器,这是应用非常广泛的一类电路,产生正弦信号的振荡电路形式很多,但归纳起来,不外是RC、LC和晶体振荡器三种形式。在本实验中,我们研究的主要是LC三点式振荡器振荡器。LC三点式振荡器的基本电路如图(2-2)所示:
根据相位平衡条件,图中构成振荡电路的三个电抗中间,X1、X2必须为同性质的电抗,X3必须为异性质的电抗,且它们之间应满足下列关系式:
X3???X1?X2? (2-1)
这就是LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则。
若X1和X2均为容抗,X3为感抗,则为电容三点式振荡电路;若X1和X2均为感抗,X3为容抗,则为电感三点式振荡器。
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图2-2 三点式振荡器的交流等效电路
2.3 电容三点式工作原理
电容三点式振荡器
共基电容三点式振荡器的基本电路如图2-3-3所示。图中C3为耦合电容。由图可见:与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2;与基极连接的为两个异性质的电抗元件C2和L,根据前面所述的判别准则,该电路满足相位条件。若要它产生正弦波,还须满足振幅,起振条件,即:
A0?F?1 (2-2)
式中AO为电路刚起振时,振荡管工作状态为小信号时的电压增益;F是反馈系数,只要求出AO和F值,便可知道电路有关参数与它的关系。为此,我们画出图2-3的简化,y参数等效电路如图2-4所示,其中设
yrb≈0 yob≈0,图中GO为振荡回路的损耗电导,GL为负载电导。
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图2-3 共基组态的“考华兹”振荡器
图2-4 简化Y参数等效电路
由图可求出小信号电压增益AO和反馈系数F分别为
??yfbV? (2-3) A0?0??YVi?V??f?Z2 (2-4) F?Z1?jx1V0式中: Y?Gp?11? jx3Z2?jx1x1??1wC1x2??1wC2' (2-5)
Z?21gib?1jx2
经运算整理得
x3?wLGp?G0?GLC2'?Ci?C2
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??? T0?A0?F??yfb-yfbZ2?? (2-6) YZ2?jx1M?jN11x1N?gibGp?x1???
x2x3x2x3x1x1式中: M?Gp?gib?Gp?gib,x2x3当忽略yfb的相移时,根据自激条件应有
N=0 及 T?fb0?yfbM2?N2?yM?1 由N=0,可求出起振时的振荡频率,即
gibGp?x1?1x?1?x1x?0 2x32x3则 X1X2X3gibGP?X1?X2?X3 将X1X2X3的表示式代入上式,解出:
f11LC?gibGpg?2?C' 1C2当晶体管参数的影响可以忽略时,可得到振荡频率近似为
fg?12?LC 式中: C?C'1C2C 是振荡回路的总电容。
1?C2由式(2-5)求M,当g'ib??wC2时
Z12?1?g?1g' ibib?jwC2jx2则反馈系数可近似表示为:
1 ??V?FfZjwC'??2?2V?C10Z1?jx111C'?C'1?C2C2jwC'?2jwC1.页脚
(2-7)
(2-8)
(2-9)
(2-10) 2-11)
(2-12)
(2-13) ( . .
则 M?Gp?gib?x1xGp?1gib (2-14) x2x3x1x1C1C1?C2'gib?Gp ?gib(1?)?Gp(1?)?'x3x2C1?C2C11?F?gib?Gp? F
由式(2-13)可得到满足起振振幅条件的电路参数为:
Yfb?F?gib?1GpF (2-15)
此式给出了满足起振条件所需要的晶体管最小正向传输导纳值。式(2-14)也可以改写为
YfbFgib?Gp2F?1
(2-16)
不等式左端的是共基电压增益,显然F增大时,固然可以使T0增加,但F过大时,由于gib的影响将使增益降低,反而使T0减小,导致振荡器不易起振,若F取得较小,要保证
T0>1,则要求yfb很大,可见,反馈系数的取值有一合适的围,一般取F=1/8~1/2。
2.4振荡管工作状态对振荡器性能的影响
对于一个振荡器,当其负载阻抗及反馈系数F已经确定的情况,静态工作点的位置对振荡器的起振以及稳定平衡状态(振幅大小,波形好坏)有着直接的影响,如图2-5中(a)和(b)所示。
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(a)工作点偏高 (b)工作点偏低
图2-5 振荡管工作态对性能的影响
图2-5(a)工作点偏高,振荡管工作围易进入饱和区,输出阻抗的降低将会使振荡波形严重失真,严重时,甚至使振荡器停振。
图2-5(b)中工作点偏低,避免了晶体管工作围进入饱和区,对于小功率振荡器,一般都取在靠近截止区,但是不能取得太低,否则不易起振。
一个实际的振荡电路,在F确定之后,其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。在实际中,我们将会看到输出幅度随着静态电流值的增加而增大。但是如静态电流取得太大,不仅会出现图2-5(a)所示的现象,而且由于晶体管的输入电阻变小同样会使振荡幅度变小。所以在实用中,静态电流值一般取ICO = 0.5mA~5mA。
为了使小功率振荡器的效率高,振幅稳定性好,一般都采用自给偏压电路,我们以图2-6所示的电容三点式振荡器电路为例,简述自偏压的产生。图中,固定偏压VB由R1和可调电阻R2所组成的偏置电路来决定,在忽略IB对偏置电压影响的情况下,可以认为振荡管的偏置电压UBE是固定电压VB和Re上的直流电压降共同决定的,即
VBE?VB?VE?R2VCC?IE?RER1?R2 (2-17)
由于Re上的直流压降是由发射极电流IE建立的,而且随IE的变化而变化,故称自偏压。 在振荡器起振之前,直流自偏压取决于静态电流IEO和Re的乘积,即
VBEQ?VB?IEQ?Re
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(2-18)
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一般振荡器工作点都选得很低,故起始自偏压也较小,这时起始偏压VBEQ为正偏置,因而易于起振,如图2-6(a)所示,图中Cb上的电压是在电源接通的瞬间VB对电容Cb充电在上建立的电压;Rb是R1与R2的并联值。
根据自激振荡原理,在起振之初,振幅迅速增大,当反馈电压Uf对基极为正半周时,基极上的瞬时偏压UBE?UBEQ?Uf变得更正, ic增大,于是电流通过振荡管向Ce充电,如图2-6(b)所示。电流向Ce充电的时间常数τ=RD·Ce,
(a)
图2-6 自给偏压形成
(b)
RD是振荡管BE结导通时的电阻,一般较小(几十到几百欧),所以τ充较小,Ce上的电压接近Uf的峰值。
当Uf负半周,偏置电压减小,甚至成为截止偏压,这时,Ce上的电荷将通过Re放电,放电的时间常数为τ放=Re·Ce,显然τ放>>τ充,在Vf的一周期,积累电荷比释放的多,所以随着起振过程的不断增强,即在Re上建立起紧跟振幅强度变化的自偏压,经若干周期后达到动态平衡,在Ce上建立了一个稳定的平均电压IEO·Re,这时振荡管BE之间的电压:
VBED?VB?IEQ?Re
(2-19)
因为IEO?IEQ,所以有UBEO?UBEQ,可见振荡管BE间的偏压减小,振荡管的工作点向截止方向移动。这种自偏压的建立过程如图2-7所示。由图看出,起振之初,(0~t1之间),振幅较小,振荡管工作在甲类状态,自偏压变化不大,随着正反馈作用,振幅迅速增大,进入非线性工作状态,自偏压急剧增大,使UBE变为截止偏压。振荡管的非线性工作状态,反过来又限制了振幅的增大。可见,这种自偏压电路起振时,存在着振幅与偏压之间相互制约、互为因果的关系。在一般情况下,若ReCe的数值选得适当,自偏压就能适时
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地紧跟振幅的大小而变化。正是由于这两种作用相互依存、又相互制约的结果。如图2-7所示,在某一时刻t2达到平衡。这种平衡状态,对于自偏压来说,意味着在反馈电压的作用下,Ce在一周期其充电与放电的电量相等。因此,b、e两端的偏压UBE保持不变,稳定在
UBEZ。对于振幅来说,也意味着在此偏压的作用下,振幅平衡条件正好满足输出振幅为UFE的等幅正弦波。
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图2-7 起振时直流偏压的建立过程
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第三章 电容三点式振荡器的Multisim设计
3.1 电容三点式振荡器电路
常见的一种电容三点式振荡器(又称考毕兹振荡器)电路如图3-1 所示,其交流等效电路如图3-2 所示。
图3-1 常见的电容三点式振荡器电路图
图3-2 常见的电容三点式振荡器交流等效电路图
上图中C1、C2是回路电容, L是回路电感,C3、C4分别是高频旁路电容和耦合电容。一般来说, 旁路电容和耦合电容的电容值至少要比回路电容值大一个数量级以上。 有些电路里还接有高频扼流圈, 其作用是为直流提供通路而又不影响谐振回路工作特性。对于高频振荡信号, 旁路电容和耦合电容可近似为短路, 高频扼流圈可近似为开路。由于电容三点式电路已满足反馈振荡器的相位条件, 只要再满足振幅起振条件就可以正常工作。因为晶体管
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放大器的增益随输入信号振幅变化的特性与振荡的三个振幅条件一致, 所以只要能起振, 必定满足平衡和稳定条件。 由图分析我们可知振荡频率
f0?12?LC
(3-1)
C?C1?C2
C1?C2 (3-2)
在仿真中可通过测量周期T来测定谐振频率,即
f0=1/T (3-3)
3.2 元器件及参数的确定
根据设计要求查阅资料和通过计算来确定电容三点式振荡器的个元器件参数如下: 旁路电容C1,C2和耦合电容C3都取100nF,而电阻R1和可变电阻R2分别取10K和10K。振荡电路的C4和C5均取30PF,电感取18uH。三极管则取型号2N2222A。
其中2N2221A三极管是一种控制元件,主要用来控制电流的大小,以共发射极接法为例(信号从基极输入,从集电极输出,发射极接地),当基极电压UB有一个微小的变化时,基极电流IB也会随之有一小的变化,受基极电流IB的控制,集电极电流IC会有一个很大的变化,基极电流IB越大,集电极电流IC也越大,反之,基极电流越小,集电极电流也越小,即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多,这就是三极管的放大作用。IC 的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数β(β=ΔIC/ΔIB, Δ表示变化量。),三极管的放大倍数β一般在几十到几百倍。三极管在放大信号时,首先要进入导通状态,即要先建立合适的静态工作点,也叫建立偏置,否则会放大失真。
3.3电容三点式振荡器的Multisim设计
1、Multisim是Interactive Image Technologies 公司推出的以Windows
为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。
2、根据所确定的元器件参数在Multisim画出电容三点式正弦波振荡器(又称考
毕兹振荡器)电路图
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3、按照画好的电路图进行仿真,仿真得到的波形图如图3-3所示
图3-3 电容三点式正弦波振荡器仿真波形
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图3-4电容三点式正弦波振荡器仿真波形的稳定度测量
4、分析仿真结果。
(1)、根据所设计的电路图首先算出理论f0的值的大小。
f0?12?LC?2?L(1C4?C5)C4?C5?2?130pF?30pF?18?H30pF?30pF?9.71MHz (3-4)
(2)、由图3-3我们可知仿真出来的波形的周期T为2.1*50ns 。而又因f0?1我们可知 Tf0?1?9.09MHz (3-5)
110ns?1仿真所得f0略小于理论计算的f0的值。
通过观察图3-4我们可以知道ΔUmax=0.797V >0.3V 满足设计要求。
观察图3-4我们还可以知道ΔU=3.67mv?0.004V< 0.01V 幅度要求满足设计要
求。
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通过观察图3-3我们可以知道波形有些失真,未达到预想的结果。 5、结论
通过分析仿真结果,我们可以得出通过Multisim设计的电容三点式振荡器电路基本满足设计要求,可以实现设计的技术指标要求!
第四章 电容三点式振荡器的Protel图
4.1 Protel电容三点式震荡器的原理图
1、在Protel中对照Multisim设计好的原理图,选择相应的元器件画好原理图。路原理图如图4-1所示
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电 . .
图4-1 电容三点式振荡器Protel原理图
4.2 Protel电容三点式震荡器的PCB图
1、选择相应的元器件封装,将原理图导入PCB图中进行PCB图的绘制。由于元器件较少,这里只采用单面布线,电源线和地线都采用1.5mm线宽,信号线用1.2mm。信号线宽一点有利于减少分布电容。
第五章 设计总结
5.1 三点式振荡器总结
通过这次高频电子线路课程设计(LC正弦波振荡器)的完成,我对三点式振荡器有了
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深一步的了解。下面对电容三点式振荡器和电感三点式振荡器作一比较。
1、 电容三点式振荡器的反馈电压取自反馈电容C5,二电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗,所以反馈电压中高次谐波分量很小,因而振荡波形更接近于正弦波。另外,晶体管的输入、输出电容同回路电容并联,为了减小它们对振荡频率的影响,可适当增加回路电容的值,以提高频率稳定度。在振荡频率较高时,有时可不用回路电容,直接利用晶体管的输入、输出电容构成振荡电容,因此它的工作频率较高,一般可达数百兆赫兹,在超高频三极管振荡器中,常采用这种电路。它的缺点是反馈系数与回路电容有关,如果用改变电容的方法来调整振荡频率,必将改变反馈系数,从而有可能影响起振。
5.2 心得体会
总的来说这次课程设计是成功的。本次课程设计的题目LC正弦波振荡器的设计,主要应用了高频电子线路中三方面容,主要是电容三点式振荡器。通过查找资料,结合书本中所学的知识,完成了课程设计的容。把书中所学的理论知识和具体的实践相结合,有利于我们对课本中所学知识的理解,并加强了我们的动手能力,特别是做PCB板的能力。
课程设计中我们经过团队的分工合作,克服了不少困难,如三极管型号的选择以及电容的选择。这些都是必须细致考虑的,在高频电路中同样的参数不同性质的元件可能会对电路的工作产生较大的影响。
本次课程设计教会我查阅书籍的重要性,通过查阅书籍上的理论知识,结合课程设计的具体要求。我们对电路的每个元器件都做了具体的分析,寻求在能力围的最佳解决方案。顺利进行了课程设计,我希望通过更多这样有价值的课程设计来充实自己,培养严谨的科学作风,以及理论与实际的交流能力。虽然课程设计中有很多困难,但经过指导老师和组员的帮助和我的努力都一一克服了,增强了自信心。
附录
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1 参考文献
[1] 康华光.电子技术基础模拟部分.:高等教育,2006 [2] 罗先觉、邱关源.电路分析.:高等教育,2006 [3] 才开.电路实验.:清华大学,2005 [4] 自美.电子线路设计.:华中科技大学,2006 [5] 高如云.通信电子线路.:电子科技大学,2008
2、电容三点式正弦波振荡器电路图
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3、电容三点式振荡器PCB图
4、元器件清单
名 称 电 源 固 定 电 阻 固 定 电 阻 固 定 电 阻 可 变 电 阻 电 容 电 容 参 数 +12v 10k 200 1k 0-10k 100nF 30pF 个 数 1 1 1 1 1 3 2 .页脚
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自 制 电 感 三 极 管 排 插
18uH S9018 1 1 3 .页脚