LC振蕩器設計

1、課程設計高頻線路課程設計報告班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 成 績： 電子與信息工程學院信息與通信工程系目 錄摘 要- 2 -Abstract- 2 -引 言- 3 -1 概述- 4 -1.1 反饋式正弦波振蕩器的基本工作原理- 4 -1.2 振蕩器必須滿足條件- 4 -1.2.1 起振條件- 4 -1.2.2 平衡條件- 5 -1.2.3 穩(wěn)定條件- 5 -2 硬件設計西勒電路- 6 -2.1 西勒電路原理圖- 6 -2.2 西勒電路說明- 6 -2.3 西勒電路靜態(tài)工作點設置- 7 -2.4 西勒電路參數(shù)設定- 8 -3 軟件仿真- 9 -3.1 軟件簡介- 9 -3.2 仿真波

2、形- 10 -3.3 仿真分析- 11 -4 結(jié)論- 11 -4.1 設計的功能- 11 -4.2 設計不足- 11 -4.3 心得體會- 12 -參考文獻- 12 -致 謝- 12 -摘 要振蕩器是一種不需要外加激勵、電路本身能自動地將直流能量轉(zhuǎn)換為具有某種波形的交流能量的裝置。種類很多，使用范圍也不相同，但是它們的基本原理都是相同的，即滿足起振、平衡和穩(wěn)定條件。通過對電感三點式振蕩器（哈脫萊振蕩器）、電容三點式振蕩器（考畢茲振蕩器）以及改進型電容反饋式振蕩器（克拉波電路和西勒電路）的分析，根據(jù)課設要求頻率穩(wěn)定度10-4,西勒電路具有頻率穩(wěn)定性高，振幅穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)方便，適合做波段振蕩器等優(yōu)

3、點,因此選擇西勒電路進行設計。繼而通過Multisim設計電路與仿真。關鍵詞：振蕩器；西勒電路；MultisimAbstractThe oscillator is a kind of don't need to motivate, circuit itself automatically device for DC energy into a waveform AC energy applied. Many different types of oscillators, using range is not the same, but the basic principles are

4、the same, to meet the vibration, the equilibrium and stability conditions. Based on the inductance of the three point type oscillator ( Hartley), three point capacitance oscillator ( Colpitts) and improved capacitor feedback oscillator (Clapp and Seiler) analysis, according to class requirements, Se

5、iler circuit with high frequency stability, amplitude stability frequency regulation, convenient, suitable for the band oscillator etc., so the final choice of Seiler circuit design. Then through the Multisim circuit design and simulation.Key Words：Oscillator; Seiler; Multisim引 言在信息飛速發(fā)展的時代，對信息的獲取、傳輸

6、與處理的方法越來越受到人們的重視。如何高效快捷且沒有失真?zhèn)鬟f信息成為關注的熱點。通過對高頻電子線路課程的學習，了解到高頻信號發(fā)生器主要用來向各種電子設備和電路提供高頻能量或者高頻標準信號，以便測試各種電子設備和電路的電氣特性。一般采用 LC調(diào)諧式振蕩器，頻率可由調(diào)諧電容器的度盤刻度讀出。高頻信號發(fā)生器主要是產(chǎn)生高頻正弦振蕩波，故電路主要是由高頻振蕩電路構成。振蕩器的功能是產(chǎn)生標準的信號源，廣泛應用于各類電子設備中。為此，振蕩器是電子技術領域中最基本的電子線路。振蕩器主要分為晶體振蕩器和LC振蕩器，本次課設采用LC振蕩器。LC振蕩器中的基本電路就是通常所說的三點式振蕩器，即LC回路的三個端點與晶

7、體管的三個電極分別連接而成的電路。其中三點式又分為兩種基本電路。根據(jù)反饋網(wǎng)絡由電容還是電感完成的分為電容反饋振蕩器和電感反饋振蕩器。同時為了提高振蕩器的穩(wěn)定度，通過對電容三點式振蕩器的改進可以得到克拉潑振蕩器和西勒振蕩器兩種改進型的電容反饋振蕩器。其中互感反饋易于起振，但穩(wěn)定性差，適用于低頻，而電容反饋三點式振蕩器穩(wěn)定性好，輸出波形理想，振蕩頻率可以做得較高。通過對各電路的比較，以及根據(jù)課設要求頻率穩(wěn)定度10-4等綜合考慮，最終選擇西勒振蕩器，并完成相關的技術指標。1 概述 1.1 反饋式正弦波振蕩器的基本工作原理振蕩器是不需外信號激勵、自身將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的裝置。反饋式振蕩器有兩部分

8、組成：放大器和反饋網(wǎng)絡?？驁D如下所示。放大器的增益: A= V0/ Vi (1.1-1)反饋系數(shù): F= Vf/ V0 (1.1-2)+Vi放大器A+V0-Vf+反饋網(wǎng)絡F1-1反饋式振蕩器組成框圖 1.2 振蕩器必須滿足條件 1.2.1 起振條件振蕩電路在剛接通電源時候，晶體管中電流從零躍變到某一數(shù)值，同時，電路中還有噪聲，它們具有很寬的頻譜。由于放大器負載回路的選頻作用，其中只有某個頻率分量才能通過反饋網(wǎng)絡加到放大器的輸入端，這就是振蕩器最初激勵信號。為了使振蕩器在接通直流電源后能夠自動起振，則要求反饋電壓在相位上與放大器輸入電壓同相，在幅度上則要求VfVi ,起振的充分必要條件?？梢詫懗?/p>

9、：FA1 (1.2-1)A+F=2n n=0,1,2,3, (1.2-2)(1.2-1)是振幅起振條件，(1.2-2)是相位起振條件。兩者必須同時滿足才能起振。 1.2.2 平衡條件振蕩器幅度不能無限增長下去，當達到某數(shù)值時候，振蕩器將保持幅度不變，這時候有Vf= Vi，所以平衡條件為AF=1.或者可以寫成：AF=1 (1.2-3)A+F=2n n=0,1,2,3, (1.2-4)(1.2-3)和(1.2-4)分別稱為振幅平衡條件和相位平衡條件。 1.2.3 穩(wěn)定條件當振蕩器受到外部因素的擾動（如電源電壓波動、 溫度變化、噪聲干擾等），將引起放大器和回路的參數(shù)發(fā)生變化破壞原來的平衡狀態(tài)。如果通

10、過放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩器越來越偏離原來的平衡狀態(tài)，從而導致振蕩器停振或突變到新的平衡狀態(tài)，則表明原來的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的。反之，如果通過放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩器能夠產(chǎn)生回到原平衡點的趨勢，并且在原平衡點附近建立新的平衡狀態(tài)， 則表明原平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。振蕩器的穩(wěn)定條件相應地可分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。1) 振幅穩(wěn)定條件要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點必須具有阻止振幅變化的能力。具體來說，就是在平衡點附近，當不穩(wěn)定因素使振幅增大時，環(huán)路增益將減小，從而使振幅減小。2)相位穩(wěn)定條件同理，要使相位穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點必須具有阻止相位變化的能力。即有振蕩器的相位穩(wěn)定條件。 （1.2-5

11、）2 硬件設計西勒電路 2.1 西勒電路原理圖西勒電路是在克拉潑電路的L兩端并聯(lián)上一個電容得到的，有效的改善了克拉潑電路可調(diào)范圍小的缺點，電路圖如圖所示： 2.2 西勒電路說明電路的特點：是在克拉潑電路的基礎上，用一電容C4，并聯(lián)于電感L兩端。作用是保持了晶體管與振蕩回路弱耦合，振蕩頻率的穩(wěn)定度高，調(diào)整范圍大。除此之外，西勒電路還具有振蕩幅度比較穩(wěn)定；振蕩頻率可以較高；頻率覆蓋率較大，可達1.61.8，因而在一些短波超、短波通信機，電視接收機中用的較多。該電路振幅起振條件： （2.2-1）該電路相位起振條件： （2.2-2）振幅平衡條件： （2.2-3）相位平衡條件： （2.2-4） 2.3

12、西勒電路靜態(tài)工作點設置合理地選擇振蕩器的靜態(tài)工作點，對振蕩器的起振，工作的穩(wěn)定性，波形質(zhì)量的好壞有著密切的關系。般小功率振蕩器的靜態(tài)工作點應選在遠離飽和區(qū)而靠近截止區(qū)的地方。根據(jù)上述原則，一般小功率振蕩器集電極電流ICQ大約在0.8-4mA之間選取，故本實驗電路中：選ICQ=2mA， VCEQ=7.5V，=100，則有：為提高電路的穩(wěn)定性Re值適當增大，取Re=1K則Rc2.75K因為：UEQ=ICQ·RE則：UEQ =2mA×1K=2V因為： IBQ=ICQ/則： IBQ =2mA/100=0.02mA一般取流過Rb2的電流為5-10IBQ , 若取10IBQ因為： 因為

13、：則： 2.4 西勒電路參數(shù)設定回路中的各種電抗元件都可歸結(jié)為總電容C和總電感L兩部分。確定這些元件參量的方法，是根據(jù)經(jīng)驗先選定一種，而后按振蕩器工作頻率再計算出另一種電抗元件量。從原理來講，先選定哪種元件都一樣，但從提高回路標準性的觀點出發(fā)，以保證回路電容Cp遠大于總的不穩(wěn)定電容Cd原則，先選定Cp為宜。若從頻率穩(wěn)定性角度出發(fā)，回路電容應取大一些，這有利于減小并聯(lián)在回路上的晶體管的極間電容等變化的影響。但C不能過大，C過大，L就小，Q值就會降低，使振蕩幅度減小，為了解決頻穩(wěn)與幅度的矛盾，通常采用部分接入。反饋系數(shù)F=C1/C2，不能過大或過小，適宜1/81/2。等效電容：所以振蕩頻率：根據(jù)課

14、設要求，工作頻率5MHz,所以：先設定L的值：L=10uH，可以求出：所以取C3=50pF,C4=51.12pF。反饋系數(shù)F=C1/C2，不能過大或過小，適宜1/81/2。且遵循C1、C2>>C3、C4的條件，因此C1=200pF,C2=510pF。F=200/510 =0.39。為了盡可能地減小負載對振蕩電路的影響，振蕩信號應盡可能從電路的低阻抗端輸出。3 軟件仿真 3.1 軟件簡介Multisim是一個專門用于電子線路設計與仿真的EDA工具軟件，它是加拿大IIT公司（Interactive Image Technologise Ltd.）推出的繼EWB之后的版本。它包含了電路原

15、理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證?？梢院芊奖愕匕褎倓倢W到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。Multisim軟件特點:1)直觀的圖形界面：整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。2)豐富的元器件庫：Multisim大大擴充了EWB

16、的元器件庫， 包括基本元件、半導體器件、運算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種部件，且用戶可通過元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過liT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴充和更新服務。3)豐富的測試儀器：除EWB具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡分析儀。尤其與EWB不同的是：所有儀器均可多臺同時調(diào)用。4)完備的分析手段：除了EWB提供的直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點一零

17、點分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外，Multisim 新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基本上能滿足一般電子電路的分析設計要求。5)強大的仿真能力：Multisim 既可對模擬電路或數(shù)字電路分別進行仿真，也可進行數(shù)?；旌戏抡妫绕涫请娐返姆抡婀δ?。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，仿真結(jié)果可隨時儲存和打印。 3.2 仿真波形下圖為西勒電路振蕩器的電路圖，是Multisim軟件畫出的，可以對其進行仿真：仿真波形如圖所示：仿真的頻率：5.47 3.3 仿真分析采用西勒振蕩電路，因為西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器的相同

18、，由于改變頻率主要通過C4完成的，C4的改變并不影響接入系數(shù)p，所以波段內(nèi)輸出較平穩(wěn)。而且C4改變，頻率變化較明顯，故西勒振蕩器的頻率覆蓋系數(shù)較大，可達1.61.8。4 結(jié)論 4.1 設計的功能西勒振蕩器：頻率穩(wěn)定性高，振幅穩(wěn)定，頻率覆蓋系數(shù)較大，可達1.61.8，調(diào)頻方便。 4.2 設計不足仿真出來的波形有略微失真，不是很穩(wěn)定。通過查找資料知道需要從以下方面入手：首先要看相位平衡條件是否滿足。對振蕩電路要看是否滿足對應的相位平衡判斷標準。此外，還要在振幅平衡條件所包含的各種因素中找原因。除此之外：1）靜態(tài)工作點選的太小。2）電源電壓過低，使振蕩管放大倍數(shù)太小。3）負載太重，振蕩管與回路間耦合過緊，回路Q值太低。4）回路特性阻抗或介入系數(shù)pce太小，使回路諧振阻抗RO太低。5）反饋系數(shù)kf太小，不易滿足振幅平衡條件。但kf并非越大越好，應適當選取。所以仍然需要尋找適當方法進而完善電路。 4.3 心得體會雖然課程設計只有短暫一周時間，但是我收獲頗深。在本次課程設計中，我選擇的題目是LC振蕩器的設計，結(jié)合自己所學的高頻電路知識，了解到，電感三點式振蕩器調(diào)頻方便，容易起振且輸出波形不理想。電容三點式振蕩器振蕩波形好但頻率穩(wěn)定性低?？死瓭娬袷幤髡袷庮l率改變可不影響反饋系數(shù)，振蕩幅度比較穩(wěn)定但可調(diào)范圍小。西勒振蕩器振蕩幅度比較穩(wěn)定，