淺析電容三點式正弦波振蕩器的設計

曹寶林

摘 要：振蕩器作為電子技術領域中最基本的電子元件，在電子線路中發揮著重要作用。本文將依據振蕩器的工作原理和技術指標，進行電路設計，選擇合適的元器件，設計出高頻電容三點式正弦波振蕩器。

關鍵詞：反饋振蕩器;電容三點式振蕩電路;振蕩頻率

振蕩器是用來產生重復電子信號（通常是正弦波或方波）的電子元件[1]，是一種能量轉換裝置，由它構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，本文將依據振蕩器的工作原理和設計原理，設計其中一類即電容三點式正弦波振蕩器，并對其進行波形檢驗，以期助力電子線路的發展。

1 設計目的

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計思路和方法;

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

2 實驗儀器及設備

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

3 電容三點式正弦波振蕩器的工作原理

振蕩器是可用來產生重復電子信號（一般是正弦波或方波）的電子元件[1]，是一種能量轉換裝置，它可以將直流電能轉換成為具有一定頻率的交流電能，由其構成的電路就被稱為振蕩電路。按照振蕩器的激勵方式可以將其分為自激振蕩器和他激振蕩器;按電路結構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。按照產生振蕩的工作原理，振蕩器可分為反饋式振蕩器和負阻式振蕩器器。所謂反饋式振蕩器，就是利用正反饋原理構成的振蕩器，它是目前使用最廣泛的一類振蕩器。負阻式振蕩器，則是利用正反饋有負阻特特性的器件所構成的振蕩器。

4 電容三點式正弦波振蕩器的設計原理

反饋振蕩器是由主網絡與反饋網絡構成的閉合環路，主網絡為諧振放大器，一般采用選頻網絡作為振蕩器的負載，而反饋網絡則是是由無源器件組成的線性網絡。為了能使反饋振蕩器產生自激振蕩，那么就必須是正反饋，為了產生等幅振蕩，還必須滿足三個條件起振、平衡、穩定三個必要條件。

當振蕩器起振條件為AF>1，振蕩器的平衡條件為：AF=1

這說明在平衡狀態時其閉合環路的增益等于1;在起振時：A>1/F

而當振幅增大到一定的程度后，晶體管由放大區進入飽和區的工作狀態，放大倍數A就會迅速下降，直到AF=1，此時開始諧振。假設存在某種因素使得AF<1，那么此時振幅就會自動衰減，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，由于電流的突變、電路中的固有噪聲等原因會使電路存在電擾動，從而使得振動器具有較寬的頻譜，且諧振回路的選頻功能會使特定的角頻率分量在回路中產生較大電壓。若電壓器的繞向正確，也可使電路為正反饋，剛開始激勵信號較弱，輸出電壓振幅較小，但經過激勵信號的不斷增強和不斷放大，使輸出電壓振幅不斷增大，從而產生振蕩，因此起振條件應滿足閉合環路增益大于，環路增益相角應為360的整數倍。

4.2平衡條件

為了使振蕩器能達到平衡狀態，剛開始通電時，輸入電壓較小，放大器處于小信號狀態工作，但此時增益較大，導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，放大器就會進入大信號的工作狀態，而由于非線性，導致環路增益不斷減小，最終達到平衡狀態。因此振蕩器的平衡條件為環路增益模為1，相角應為360的整數倍。

4.3穩定條件

振蕩電路中濕度、電源電壓在不斷發生變化，則會引起回路參數變化等外部干擾因素以及固有噪聲等內部干擾因素，這些內外干擾因素都有可能導致振蕩電路偏離原來的平衡狀態，突變到新的平衡狀態甚至是停振，所以振蕩器正常運行就必須滿足環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穩定的平衡狀態。

5 設計步驟

設計一個由分立元件構成的振蕩電路，主要需要選擇：有源器件、確定振蕩器電路形式、確定偏置參數及振蕩回路參數。

5.1電路形式的選擇

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

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，用關系式課表示為：fT（3～10）fA;（2）選擇振蕩回路參數需要根據振蕩頻率、起振條件、足夠的振蕩幅度和規定的頻穩度等因素進行綜合考慮，C既不能太大也不能太小，經過反復計算，可以選擇C1=680pf，C2=2200pf，C3=10000pf，C4=10000pf，L1=10uh[2]。（3）偏置參數選擇。選擇原則：對于一般小功率自穩幅的振蕩器，靜態工作點應當遠離飽和區，盡可能接近截止區，根據具體電路和電源電壓大小，ICQ一般取1～5mA，但在實際確定偏置參數時，在允許的情況下，發射極偏置電阻應當盡可能取大一些，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。經計算我們發現VEQ=0.2VCC;IBRB2=（5～10）IBQ （基級靜態電流）;ICQ≈IEQ），說明參數選擇符合要求。

6 電路調試

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

6.2在完成電路設計后，運用mutisium軟件對震蕩電路產生的波形進行仿真，對其產生的波形進行相應分析。

我們可以看出輸出波形存在一定的失真，這是因為諧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，如果經常遇到不能產生波形，說明電路不起振，這就需要我們去分析、比對、調整電路元件參數，微調偏置電位器，微調偏置電位器使電路起振且幅度最大，如果波形出現失真或者飽和失真，則應及時調整R。的值，消除飽和失真，得到最終結果。

6.3如果振蕩器不振蕩可以從以下四個方面進行排查檢驗：a.電路設計是否有誤;b.管子是否損壞;c.電感是否開路;d.電路中元件值是否錯誤或元件沒有接地等。

6.4在調整好所有元件和參數的基礎上，即使記錄下輸出波形好、幅度大時的各個工作點的電壓值。

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 結語

經過這次電路設計，對于高頻電子電路有了更深層次的掌握，并且提高了獨立解決問題的能力。在此次設計中對設計電路進行了仿真，因此進一步熟悉了Multisim軟件的使用，對建立文件、繪制電路圖、對其進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真地進行了修正和改進。

參考文獻：

[1]吳友宇， 伍時和， 凌玲.模擬電子技術基礎.北京：清華大學出版社， 2009.4.

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

（桂林理工大學博文管理學院，廣西 桂林 541006）