裴俊峰PEI Jun-feng

（中國傳媒大學(xué)，北京100024）

0 引言

振蕩器的作用是產(chǎn)生一定頻率的交流信號，在電子技術(shù)領(lǐng)域中是最基本的電子線路。LC 正弦波振蕩電路有三種基本形式：變壓器反饋式、電感三點式和電容三點式。張倩等人對電感三點式振蕩電路設(shè)計進行了探討[1]。分析了電路設(shè)計的原理。呂紫薇和趙楠等人分析了電容三點式正弦波振蕩器的設(shè)計方案[2]，設(shè)計出頻率固定的正弦波振蕩器。然而以上在實際應(yīng)用中固定頻率不能隨被激勵諧振器頻率變化而變化，并不能滿足靈活性的需求。本文根據(jù)反饋振蕩器的原理，在電容三點式振蕩電路的基礎(chǔ)上，通過在三點式電容選頻回路中并聯(lián)可變電容的方式來實現(xiàn)正弦振蕩器的頻率可調(diào)，使振蕩器的應(yīng)用范圍更廣泛更實用。

1 原理及電路設(shè)計

1.1 閉環(huán)自激原理

閉環(huán)自激原理如圖1 所示，系統(tǒng)分為兩大部分：系統(tǒng)為放大電路部分，系統(tǒng)反饋網(wǎng)絡(luò)部分。

圖1 閉環(huán)框圖

當系統(tǒng)導(dǎo)通后，電路會產(chǎn)生豐富的頻率噪聲，而通過選頻網(wǎng)絡(luò)將頻率為諧振頻率的信號進行放大輸出，在正反饋過程晶體管的非線性特性，幅值不會無限制地增大，當x0的正反饋幅值增加到一定量，電路的放大倍數(shù)的數(shù)值將會減小。電路會處于一種動態(tài)的平衡。此時，環(huán)路的輸出量X˙0通過電路的反饋網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的反饋量將作為放大電路的輸入量，同時輸入量又通過放大電路維持著輸出量，寫成表達式為：

平衡條件為：

式（1）式（2）式寫成模與相角的形式為

式（3）為幅值平衡條件，式（4）稱為相位平衡條件。為了滿足輸出量在導(dǎo)通后由小到大至平衡在一定幅值的過程，電路的起振條件為

1.2 頻率固定電容式振蕩電路設(shè)計

圖2 電容式反饋振蕩電路

根據(jù)閉環(huán)自激原理和起振條件，設(shè)計如圖2 所示電路。電路包含了起放大作用的晶體管、選頻網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)和非線性元件—晶體管四個部分[3]，由L、C1、C2所構(gòu)成的選頻網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因數(shù)Q 遠大于1 時，諧振頻率為

設(shè)c2、c3的電流分別為I˙c2、I˙c3則反饋系數(shù)：

電壓放大倍數(shù)：

在不加負載的情況下，集電極等效負載為：

其中β 為電流放大系數(shù)、γbe為晶體管的內(nèi)阻。

2 元器件選擇及電路仿真

2.1 固定頻率振蕩器電路的元器件選擇

電路一般選用具有放大電壓倍數(shù)大的三極管，晶體管的特性頻率fT＞（3-10）f0，其中f0為選頻頻率。反饋系數(shù)F一般選0.1-0.5 之間[4]。ICQ一般選1-5mA[5]。而小功率振蕩器的靜態(tài)工作點應(yīng)遠離飽和區(qū)，靠近截止區(qū)[6]。經(jīng)過計算，本設(shè)計選擇ICQ=2mA、F=0.2、VCC=6V、R1=30kΩ、R2=6kΩ、R3=4.5kΩ、R4=1kΩ、C1=680pF、C2=110pF、C3=680pF、C4=100pF、L1=10uH。如圖3 所示。

圖3 固定頻率振蕩器設(shè)計及器件選擇

2.2 固定頻率設(shè)計電路仿真

對固定頻率電路進行時域仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 固定頻率振蕩器時域仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可以分析：在閉環(huán)自激電路中包含各種頻段的噪聲信號，這些噪聲信號中，包含所需要的諧振頻率信號所設(shè)計電路加6V 直流電壓讓三極管處于放大狀態(tài)，滿足諧振器的起振條件，LC 組成的選頻網(wǎng)絡(luò)對諧振信號的選頻和三極管處于放大狀態(tài)對微弱的諧振信號的放大。由于三極管本身的特性使得諧振信號不能無限放大，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)實現(xiàn)諧振器的閉環(huán)自激振蕩。

3 可變頻率振蕩器設(shè)計電路和仿真

由頻率公式（6）知：若改變頻率f0，則需要通過改變電感L 或者C2、C3 來實現(xiàn)。但是諧振式制作成后再拆卸改變電感不現(xiàn)實，如果想通過改變電容來調(diào)節(jié)振蕩頻率，則會影響起振條件，且設(shè)備一旦制成再改變不夠經(jīng)濟實用[5]。

如圖5 所示在固定頻率的基礎(chǔ)上，又設(shè)計出在頻率變化范圍不大情況下可變選頻的電路。把電容C2 改為100pF,在電感L 上并聯(lián)一個0-60pF 的可變電容器C5C，電容調(diào)節(jié)幅度設(shè)置為1%，調(diào)節(jié)幅度從0-100%電容實現(xiàn)從0 到60pF的調(diào)節(jié)。而頻率實現(xiàn)從3.94MHz 到5.04MHz 的選頻。

分別選取幾組進仿真結(jié)果如圖6、圖7、圖8 所示。

仿真分析：當可變電容C5 幅值增加到10%即并聯(lián)電容增加6pF 時，由Multisim 軟件中的頻率計讀出頻率為4.889MHz，由示波器觀察輸出穩(wěn)定的4.889MHz 的正弦波。當可變電容C5 幅值分別增加到55%和100%時，頻率依次變?yōu)?.335MHz 和3.944MHz，在高頻的情況下輸出波形好。

圖5 可變頻率振蕩器設(shè)計圖

圖6 電容調(diào)節(jié)幅度為10%時仿真結(jié)果形圖

圖7 電容調(diào)節(jié)幅度為55%時仿真結(jié)果

圖8 電容調(diào)節(jié)幅度為100%時仿真結(jié)果

4 總結(jié)

經(jīng)過仿真可知：基于電容三點式正弦波振蕩電路通過合理的元器件選擇可實現(xiàn)自激振蕩。同時該電路可輸出波形穩(wěn)定振蕩頻率為4.84MHz 的正弦波。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出在選頻回路的電感L 上并聯(lián)一個電容值為0-60pF的可變電容器，當可變電容器容值從0 增加到60pF 的過程正弦波振蕩器即實現(xiàn)輸出頻率從3.94-5.04MHz 的變化。另一方面該設(shè)計用到的電感，電容，電阻以及起放大作用的三極管都是電子電路中比較常見的元器件，易于購買，兼顧了實用和經(jīng)濟的考慮?？刹僮餍詮姡詢r比高。通過將可變電容的容值變化改變?yōu)?pF，滑動步進值每次改變?yōu)榘俜种?，通過示波器示數(shù)計算，理論上可使頻率范圍精確到更低赫茲，目前頻率改變的精度還不夠高，改變精度是下一步需要攻克的地方。