頻率可調的反饋型正弦波振蕩器設計

裴俊峰PEI Jun-feng

（中國傳媒大學，北京100024）

0 引言

振蕩器的作用是產生一定頻率的交流信號，在電子技術領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計進行了探討[1]。分析了電路設計的原理。呂紫薇和趙楠等人分析了電容三點式正弦波振蕩器的設計方案[2]，設計出頻率固定的正弦波振蕩器。然而以上在實際應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。本文根據反饋振蕩器的原理，在電容三點式振蕩電路的基礎上，通過在三點式電容選頻回路中并聯可變電容的方式來實現正弦振蕩器的頻率可調，使振蕩器的應用范圍更廣泛更實用。

1 原理及電路設計

1.1 閉環自激原理

閉環自激原理如圖1 所示，系統分為兩大部分：系統為放大電路部分，系統反饋網絡部分。

圖1 閉環框圖

當系統導通后，電路會產生豐富的頻率噪聲，而通過選頻網絡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，電路的放大倍數的數值將會減小。電路會處于一種動態的平衡。此時，環路的輸出量X˙0通過電路的反饋網絡所產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計

圖2 電容式反饋振蕩電路

根據閉環自激原理和起振條件，設計如圖2 所示電路。電路包含了起放大作用的晶體管、選頻網絡、反饋網絡和非線性元件—晶體管四個部分[3]，由L、C1、C2所構成的選頻網絡品質因數Q 遠大于1 時，諧振頻率為

設c2、c3的電流分別為I˙c2、I˙c3則反饋系數：

電壓放大倍數：

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、γbe為晶體管的內阻。

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工作點應遠離飽和區，靠近截止區[6]。經過計算，本設計選擇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 固定頻率振蕩器設計及器件選擇

2.2 固定頻率設計電路仿真

對固定頻率電路進行時域仿真結果如圖4 所示。

圖4 固定頻率振蕩器時域仿真結果

由仿真結果可以分析：在閉環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計電路加6V 直流電壓讓三極管處于放大狀態，滿足諧振器的起振條件，LC 組成的選頻網絡對諧振信號的選頻和三極管處于放大狀態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，最終達到穩定狀態實現諧振器的閉環自激振蕩。

3 可變頻率振蕩器設計電路和仿真

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。但是諧振式制作成后再拆卸改變電感不現實，如果想通過改變電容來調節振蕩頻率，則會影響起振條件，且設備一旦制成再改變不夠經濟實用[5]。

如圖5 所示在固定頻率的基礎上，又設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 上并聯一個0-60pF 的可變電容器C5C，電容調節幅度設置為1%，調節幅度從0-100%電容實現從0 到60pF的調節。而頻率實現從3.94MHz 到5.04MHz 的選頻。

分別選取幾組進仿真結果如圖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，頻率依次變為4.335MHz 和3.944MHz，在高頻的情況下輸出波形好。

圖5 可變頻率振蕩器設計圖

圖6 電容調節幅度為10%時仿真結果形圖

圖7 電容調節幅度為55%時仿真結果

圖8 電容調節幅度為100%時仿真結果

4 總結

經過仿真可知：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自激振蕩。同時該電路可輸出波形穩定振蕩頻率為4.84MHz 的正弦波。并在此基礎上設計出在選頻回路的電感L 上并聯一個電容值為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輸出頻率從3.94-5.04MHz 的變化。另一方面該設計用到的電感，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，兼顧了實用和經濟的考慮。可操作性強，性價比高。通過將可變電容的容值變化改變為5pF，滑動步進值每次改變為百分之一，通過示波器示數計算，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。