大学生课题论文书写范文

杨学斌 

(温州大学物理与电子信息工程学院09电信本1   浙江温州  325035)

摘 要：在无线电传输等方面上，需要采用如27MHz正弦波这样的高频载波，才能把音频、视频或脉冲信号运载出去。本文介绍了以电容三点式振荡器和晶体振荡器两种设计方案。电容三点式由放大电路、选频电路、滤波电路、正反馈电路构成，具有波形稳定、失真小等特点。晶体振荡器采用27MHz晶振通过谐振，使频率具有更高的精确度。实验中使用了Multisim11.0软件对设计的两个实验电路进行仿真。

关键词：晶振  正弦波  振荡器  反馈

引 言：

目前27MHz无线通信模块在市场上应用十分广泛。如应用27MHz无线通信模块的汽车收费设计在高速公路收费站收费和日产27MHz业余频段40信道车载台式对讲机芯（简称机芯）。该机具有石英晶振二次变频高灵敏度接收、压控振荡以及PLL频率检测锁相环技术，其收/发频点准确稳定。

本文介绍采用晶振振荡器制作27MHz正弦波发生器，实现方法比较简单，频率较稳定。用晶体振荡器实现的发生器频率更稳定，误差在10-6之内，可以应用到对频率精度高的设备中。

1 工作原理 

1.1 电容三点式振荡器

振荡器不需要外加信号激励，自身将直流电能转换为交流电的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。本次课程设计的是自激振荡器的一种--电容反馈三点式振荡器。

LC振荡器具有基本放大器、选频网络、滤波网络和正反馈网络四个部分组成[1]。

为了维持震荡，放大器的环路增益应该等于1，即AF=1，因为在谐振频率上振荡器的反馈系数为C1/C2，所以维持振荡所需的电压增益应该是

A=C2/C1                                                  （1-1）

电容三点式振荡器的谐振频率为   

f0=1/2*[L*(C1*C2)/(C1+C2)]1/2                             （1-2）

1.2 晶体振荡器[2]

当对稳定度要求特别高时，在实际中常用石英谐振器来控制振荡频率组成晶体振荡器。如图1-1这种振荡器类似于三点式振荡器。当振荡频率等于石英谐振器的串联谐振频率时，近似为一短路线，电路产生振荡。因此，振荡频率主要取决于石英谐振器的串联谐振频率。

图1-1   串联型晶体振荡器[3]

2 电路原理

2.1 电容反馈式三点式振荡器

该振荡器采用分压式电流负反馈偏置电路，如图2-1所示。其中，R1用于调整静态工作点（影响起振条件）。C3、C4为交流耦合电容，正反馈电压取自C4两端，改变C3和 C4的比值，可以改变反馈深度（即反馈系数），以满足振荡的振幅条件。

图2-1   电容反馈式三点式振荡器

2.2  27MHz晶体振荡器

实验电路如图2-2。此电路是在电容三点式振荡器基础上改进的。R3、R9组成直流偏置电阻，R3为基极可调电阻，改变其值可以改变振荡的幅度，L1、C8、C4、C5组成并联谐振回路，调谐在振荡频率上。其中，C4为微调电容，用于微调振荡频率。C8为反馈电容，C5为分压电容。         

图2-2   27MHz晶体振荡器

3、仿真及实验结果

3.1  电路选材分析

3.1.1 电容三点式电路选材

（1）晶体管的型号

由于要求f0=27MHz，所以要求晶体管的fT>(80~140)MHz。另外查得2N3904的fT=300MHz；结电容为CBE=4pF,CCB=8pF。所以该晶体管可以满足要求。

（2）反馈系数Kf

通常选择Kf=0.1~0.5。反馈系数稍大些容易起振（太大则由于Q值降低反而不易起振），发射极输出电压幅度也大些，但是振荡波形失真大些，同时负载的影响也大些。这里试选择Kf=0.2。

（3）谐振电容

确定谐振电容的时候，需考虑晶体管的结电容和负载电容的影响。LC谐振回路的电容要远大于这两个电容，所以电容C3=330pF。然后根据反馈系数kf=C3/(C3+C4)=0.2。确定C3如下

                   C3=kf/(1-kf)*C4’=0.2/(1-0.2)*368=92pF                       (3-1)

实际可选用91pF的电容器。

（4）谐振电感

根据要求，f0=27MHz，由于已经确定谐振电容，所以可以确定谐振电感。但是在计算时需考虑晶体管的结电容CCB=8pF，此电容实际上是并联在LC回路两端的。所以

                                            (3-2)

                 L=(1/(27*106))/(8+91*330/(91+330))=0.45uH                (3-3)

（5）晶体管工作点

确定晶体管工作点的根据是gmR4Kf=(3~5)，在设计中，此条件等效于

                     (3-4)

在上式中，已经确定的电容和负载电阻，还要确定gab、G0、R3等。gab可以从数据表中查到，当ICQ=0.1~1mA时gab=0.06~0.08mS计算G0需要知道电感的Q0值。假设电感的Q0=150。参考数据：内径9mm绕7圈，L=0.40uH，Q0=200，则

                               G0=1/(Q0ω0L)=0.41mS                           (3-5)

通常可以先根据电源电压和输出电压幅度要求，人为设定晶体管基极偏置电压和静态工作点数值，并据此确定射极电阻，最后验算设计是否符合要求。在本文中，确定晶体管基极偏置电位大致在3V左右，则发射极电阻上的压降大致为2.3V，在考虑一般振荡器的工作点为亚毫安级，则可以先设定R3=4.7。由于gab比G0小许多，故忽略。令系数为5，则

 =13.8mS    （3-6）

ICQ=gmVT=13.8mS*26mV=0.36mA                            （3-7）

代回原设计验算，R3上的压降为1.7V，略小于原来的假设值。但从上面计算可看到，数值R3的改变对于gm影响甚小。因此，下面我们就以此值为基础进行设计。

     由于R3上的压降为1.7V，假定晶体管的VBE(on)=0.7V，则VBQ=1.7+0.7=2.4V，R1=62千欧，R2=24千欧 。

3.1.2 晶体振荡器电路选材

同电容三点式振荡器器材同，只在4与6节点间加一个27MHz晶振。

3.2 仿真结果[4]

电容三点式仿真如图3-1，晶体振荡器仿真如图3-2。

图3-1     电容三点式仿真                  图3-2    晶体振荡器仿真

从图3-1中可得到周期为37.127ns即频率26.93MHz，幅度约为2V的正弦波。波形稍有失真。

从图3-2中可得到周期也为37.127ns即频率26.93MHz，幅度也约为2V的正弦波。较图3-1，它的正弦波频率更为稳定波形也更完整。

3.3 实际制作及调试

3.3.1 电容三点式

焊接电路[5]如图3-3，调试结果如图3-4。

图3-3    电容三点式焊接电路              图3-4    电容三点式调试结果

     图3-4显示本实验得到振幅4V，频率为27.06MHz的正弦波，与图3-1仿真结果一致。

3.3.2 晶体振荡器

焊接电路如图3-5，调试结果如图3-6。

图3-5     晶体振荡器焊接电路                         图3-6   晶体振荡器调试结果

   本实验可视为在电容三点式基础上通过27.0000MHz晶振的谐振，本实验得到振幅约为3V，频率为27.0008MHz的正弦波，与图3-2仿真结果一致。

3.4 性能分析

27MHz正弦波的稳定性主要受两方面的影响，一是负载阻抗变化对发生器的输入电阻或分压电容的影响，二是系统内部产生频率与所需的频率大小的差距。

3.4.1 电容三点式性能分析[6]

输出波形的稳定度

在实验中发现，输出波形的频率和幅度受负载影响。因为缓冲器[7]输入电阻趋于无穷，输出电阻趋于零，因此当负载变化时，输出电压几乎不变的特点。本文介绍了在原先负载部分前加入一缓冲器，如图3-7所示。仿真结果如图3-8。

图3-7   加入缓冲器的电路图                  图3-8    加入缓冲器的仿真结果

从图3-8中得知，加入缓冲器后波形幅度有所下降，但也有1V左右，而且变化前后频率没有发生改变，达到设计要求。下面两个表格是记录两个变量变化而得的数据。

表格3-1数据是在C4=0，R1从0千欧变化到10千欧的过程。表格3-2数据是在R1=0，C4从0pF变化到100pF的过程。

表3-1  在电容C4=0pF时VR1和R4的关系

3.4.2 晶体振荡器性能分析[8]

观察静态工作点变化对振荡器工作频率和幅度的影响 

取R1=200kΩ，调节R3以改变静态工作点电流IEQ，使其分别为表3-5所示各值，用示波器观察振荡波形的电压峰峰值VP-P，用频率计测量频率值（建议有效位数取5或6位），填表3-3。 

表 3-3 （R1=200千欧）

4 结论

此次实验利用电容三点式振荡器和晶体振荡器两种方法来实现27MHz正弦波。在输出波形频率方面，两种方法都能产生较为稳定的27MHz正弦波。在输出波形幅度上，电容三点式振荡器采用串联电压负反馈，起到了稳定电压幅度的效果。不足之处是两种方法建立振幅稳定和相位稳定所需时间比较长。

（指导老师： 施肖菁）

参考文献:

 [1].杜武林,武汉理工大学《高频电子线路》课程任务指导书[EB].武汉理工大学出版,2010.3-5. 

[2].高吉祥，《高频电子线路》[M].北京:电子工业出版社,2003.172-175.

[3].韩广兴,《电子元器件与实用电路基础》[M].北京:电子工业出版社.2002.30.

[4].程勇，《实例讲解multisim11.0电路仿真》[M]. 北京：人民邮电出版社，2010.15-39.

[5].刘霞，《电子设计与实践》[M].北京：电子工业出版社，2009.23-26.

[6].刘长军，《 射频通信电路设计》[M]. 北京： 科学出版社，2005. 337-338. 

[7].康华光， 陈大钦， ， 《电子技术基础 模拟部分》（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社 2006.30-31。

[8]张肃文，《高频电子线路(第四版)》[M]. 北京: 高等教育出版社. 2009. 297-299.