LC正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)

1、 *師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院2014屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 *課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： LC正弦波震蕩設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： * 學(xué)生學(xué)號(hào)： * 系 別： 電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程 屆 別： 2014屆 指導(dǎo)教師： * 電氣信息工程學(xué)院制2013年5月LC正弦震蕩設(shè)計(jì)學(xué)生：*指導(dǎo)教師：*電氣信息工程學(xué)院 通信工程專業(yè)1課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求1.1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù) 正弦波振蕩器廣泛用于各種電子設(shè)備中。正弦波振蕩器不僅提供了振蕩頻率和振蕩振幅的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。正弦波振蕩器還是作為高頻加熱設(shè)備和醫(yī)用電療儀器中的正弦交變能源。本次設(shè)計(jì)中，主要完成： （1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解LC正弦波振蕩器的相

2、關(guān)知識(shí)； （2）確定設(shè)計(jì)方案、手工繪制電路原理圖； （3）計(jì)算各個(gè)正弦波振蕩器所對(duì)應(yīng)的反饋系數(shù)和頻率； （4）在Mutisim下繪制電路圖，仿真驗(yàn)證并觀察波形； （5）撰寫課程設(shè)計(jì)說明書。1.2 課程設(shè)計(jì)的要求 本次設(shè)計(jì)中，使用電感、電容等器件設(shè)計(jì)兩個(gè)LC正弦波振蕩器，包括方案設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算。具體設(shè)計(jì)要求： (1)振蕩頻率fo =7MHz±0.5KHz； (2)頻率穩(wěn)定度f/fo10-1； (3)輸出幅度大小穩(wěn)定的比較。1.3 課程設(shè)計(jì)的研究基礎(chǔ)(1)原理分析 反饋型振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路。它由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成。放大器通常以某種選頻網(wǎng)絡(luò)（如

3、振蕩回路）作負(fù)載, 是一種調(diào)諧放大器；反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。(2)平衡條件 記閉環(huán)電壓放大倍數(shù) Ku(s)，開環(huán)電壓放大倍數(shù) K(s)，電壓反饋系數(shù) F(s)，環(huán)路增益 T(s)，反饋系數(shù) F(j)=-F(j) 自激振蕩的條件就是環(huán)路增益為1， 即T(j)=K(j)F(j)=1，通常又稱為振蕩器的平衡條件。(3)起振條件為使振蕩過程中輸出幅度不斷增加，應(yīng)使反饋回來的信號(hào)比輸入到放大器的信號(hào)大， 即振蕩開始時(shí)應(yīng)為增幅振蕩，即T(j)>1，稱為自激振蕩的起振條件。與平衡條件相應(yīng)的，振蕩器的起振條件又可細(xì)分為起振的振幅條件（|T(j)|>1）和相位條件（(T)=(K)+

4、(F)+(F')=±2n, n=0,1,2），其中起振的相位條件即為正反饋條件。(4)穩(wěn)定條件振蕩器的穩(wěn)定條件相應(yīng)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(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力。具體來說，就是在平衡點(diǎn)附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅增大時(shí)，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(diǎn)必須具有阻止相位變化的能力。 (5)頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指由于外界條件的變化, 引起振蕩器的實(shí)際工作頻率偏離標(biāo)稱頻率的程度, 它是振蕩器的一個(gè)很重要的指標(biāo)。頻率穩(wěn)定度又可分為：長期頻率穩(wěn)定度（一般是指一天以上甚

5、至幾個(gè)月的時(shí)間間隔內(nèi)頻率的相對(duì)變化）、短期頻率穩(wěn)定度（一般是指一天以內(nèi)，以小時(shí)、分鐘或秒記的時(shí)間間隔內(nèi)頻率的相對(duì)變化）和瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度（一般是指秒或毫秒的時(shí)間間隔內(nèi)頻率的相對(duì)變化）。2 正弦振蕩系統(tǒng)方案制定 2.1 方案提出 放大電路A 選頻網(wǎng)絡(luò) 正反饋網(wǎng)絡(luò)F圖1 振蕩器框圖 注:還需要滿足振蕩器的兩個(gè)條件: (1)相位平衡條件： (即必須是正反饋) (2)幅度平衡條件：（每次反饋保證反饋信號(hào)大于等于原輸入信號(hào)） 2.2 方案論證(1) LC振蕩器的電路分類LC振蕩器的電路種類比較多，根據(jù)不同的反饋方式，又可分為互感反饋振蕩器，電感反饋三點(diǎn)式振蕩器，電容反饋三點(diǎn)式振蕩器，其中互感反饋易于起振，

6、但穩(wěn)定性差，適用于低頻，而電容反饋三點(diǎn)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。所以選擇電容反饋三點(diǎn)式振蕩器是不容置疑的，而電容反饋三點(diǎn)式振蕩器又分為考畢茲振蕩器，克拉波振蕩器，西勒振蕩器。本次只設(shè)計(jì)前面兩個(gè)振蕩器。(2)信號(hào)輸出波形的仿真步驟兩種振蕩器輸出信號(hào)波形全部用Multisim仿真軟件得出；最后的兩種振蕩器由公式以及已知的器件給出的參數(shù)計(jì)算得出頻率。3正弦振蕩系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1考畢茲振蕩器各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì) (1)考畢茲振蕩器圖2 考畢茲振蕩器 (2)考畢茲振蕩器的介紹 圖中的L1、C1、C2組成諧振回路，作為晶體管放大器的負(fù)載阻抗。反饋信號(hào)從電容器C2兩端取得

7、，送回放大器的基極b上，而且也是將LC回路的三個(gè)端點(diǎn)分別與晶體管的三個(gè)電極相連，故將這種電路成為電容三點(diǎn)式振蕩器。由串聯(lián)電容與電感回路及正反饋放大器組成。因振蕩回路兩串聯(lián)電容的三個(gè)端點(diǎn)與振蕩管三個(gè)管腳分別相接而得名。 (3)波形頻率的計(jì)算及分析 在考畢茲振蕩器中，C1=C2=100pF ,反饋系數(shù)F為F=C1/C2=1理論計(jì)算振蕩器的頻率為f7MHz 觀察到的振蕩波形如圖4所示，從波形看出測試其波形頻率為 f =6.5MHz這里C1、C2為定值，反饋系數(shù)不變。 3.2克拉潑振蕩器各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì) (1)克拉潑振蕩器圖3 克拉潑振蕩器(2)克拉潑振蕩器的介紹在電容三點(diǎn)式電路中，要減小

8、極間電容在回路總電容中的比重，可以采用部分接入的方法。一種電容三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)型電路克拉潑（Clapp）振蕩器就是從這一點(diǎn)出發(fā)得到的。在電容三點(diǎn)式振蕩器電路的回路中僅多加一個(gè)與C1、C2相并聯(lián)的電容C3即構(gòu)成了克拉潑振蕩器 (3)波形頻率的計(jì)算及分析在克拉潑振蕩器中，電容一般取10-1000pF，電感一般取0.1-100uF。保證反饋系數(shù)F在0.1-0.5之間： F= C，C 在滿足上面的條件下C3和L1決定振蕩頻率，即應(yīng)滿足： 由條件3，C1、C2應(yīng)盡量大，同時(shí)考慮條件1、2，選C1為500pF，C2為1nF。由正弦波條件可知，選L1為20uH，電路中C3為可變電容，調(diào)整它即可在一定范圍內(nèi)

9、調(diào)整期振蕩頻率。C3的估計(jì)值為25.8pF，故選擇99pF的可調(diào)電容。理論計(jì)算振蕩器的頻率為 f= 7 MHz （CC,CC）觀察到的振蕩波形如圖5所示，從波形看出測試其波形頻率為f6.9 MHz調(diào)節(jié)C3的值，可知反饋系數(shù)不變，但波形頻率f變化。4正弦振蕩系統(tǒng)仿真和調(diào)試正弦振蕩系統(tǒng)仿真和調(diào)試 4.1 仿真軟件介紹 Multisim10.0是EWB的升級(jí)，是目前推出的一款高版本的電路設(shè)計(jì)與仿真軟件。它具有以下一些特點(diǎn)： (1)直觀的圖形界面創(chuàng)建電路。在計(jì)算機(jī)屏幕上模仿真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái)，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選取。 (2)軟件儀器的控制面板外形和操作方式都

10、與實(shí)物相似，可以實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果。 (3)軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種強(qiáng)大的電路分析方法。 (4)作為設(shè)計(jì)工具，它可以同其它流行的電路分析、設(shè)計(jì)和制板軟件交換數(shù)據(jù)。 Multisim10.0軟件是一個(gè)優(yōu)秀的電子技術(shù)訓(xùn)練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實(shí)驗(yàn)室中更靈活的方式進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)，仿真電路的實(shí)際運(yùn)行情況，熟悉常用電子儀器測量方法。 Multisim10.0軟件具有很強(qiáng)的仿真設(shè)計(jì)功能，包括： (1)全功能電路仿真系統(tǒng)： 有元器件的編輯、選取、放置；電路圖的編輯、繪制；電路工作狀況的測試；電路特性的分析；電路圖報(bào)表輸出、打印；檔案的轉(zhuǎn)出/轉(zhuǎn)入。 (2)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，其強(qiáng)大功能包含：

11、 結(jié)合SPICE、VHDL、Verilog共同仿真；電路圖的建立；完整的零件庫；SPICE仿真；高階RF設(shè)計(jì)功能；虛擬儀器測試及分析功能；計(jì)劃及團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)功能；VHDL及Verilog設(shè)計(jì)與仿真；FPGACPLD組件合成；PCB文件轉(zhuǎn)換功能。 因此非常適合電子類課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)。4.2 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)(1)考畢茲振蕩器測試時(shí)，將示波器的A結(jié)點(diǎn)接在C1和C3處，看到了如圖4的波形。圖4 考畢茲振蕩器輸出信號(hào)波形(2)克拉潑振蕩器測試時(shí)，輸出信號(hào)的幅值、頻率等用時(shí)時(shí)監(jiān)測法測試，調(diào)整C3觀測震蕩信號(hào)的波形和頻率變化。將示波器的B結(jié)點(diǎn)接在C5處，看到如圖 5的波形。圖5 克拉潑振蕩器輸出信號(hào)波形4.3 系

12、統(tǒng)測試在Multisim中可以看出，考畢茲振蕩器的輸出波形不均勻，有波形的起伏不一，且無法調(diào)節(jié)；而在克拉潑振蕩器的輸出波形均勻，波形的起伏近乎一致，且波幅可以調(diào)節(jié)，因此看到的圖像良好。4.4 數(shù)據(jù)分析本實(shí)驗(yàn)理論計(jì)算中，考畢茲振蕩器的頻率穩(wěn)定度f/fo7.14%，克拉潑經(jīng)過調(diào)節(jié)后的頻率穩(wěn)定度f/fo1.43%，可知克拉潑振蕩器優(yōu)于考畢茲振蕩器。5 總結(jié)5.1 設(shè)計(jì)小結(jié) 在完成了對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡囊约皟?nèi)容，在這其中完成了對(duì)于其輸出正弦波的要求。對(duì)比的設(shè)計(jì)了兩個(gè)LC正弦波振蕩器的電路，且這兩者是典型的正弦波輸出波形器，在工業(yè)電器中也是基礎(chǔ)的兩個(gè)電路。系統(tǒng)的可以看出，考畢茲振蕩器要求的比較簡單，系統(tǒng)單一，

13、輸出的波形不會(huì)自然的改變。而克拉潑振蕩器要求相對(duì)來說復(fù)雜一點(diǎn)，在考畢茲振蕩器的原有基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)可變電容C3，供調(diào)節(jié)電路的波形頻率。5.2 收獲體會(huì) 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。 此次課程設(shè)計(jì)，使我的動(dòng)手能力得到進(jìn)一步的提高。與模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)數(shù)字電子線路課程設(shè)計(jì)比，高頻電子線路的課程設(shè)計(jì)具有更大的難度和更強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。 在設(shè)計(jì)過程中不僅鍛煉了我們最基本的高頻電子線路的設(shè)計(jì)能力，更重要的是讓我們更深刻的認(rèn)識(shí)了高頻電子線路這門課程在實(shí)際中的應(yīng)用。 此次課程設(shè)計(jì)主要針對(duì)各種電容反饋三點(diǎn)式

14、電路提出自己的設(shè)計(jì)方案，并利用仿真軟件Multisim來實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)電路圖。設(shè)計(jì)中用到了考畢茲振蕩器，克拉波振蕩器，西勒振蕩器電路等在高頻電子線路課程中學(xué)到的知識(shí)。由于對(duì)所學(xué)電路不熟悉，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)的過程中無法畫出正確的電路圖，算不出電路中元器件的參數(shù)，使得在設(shè)計(jì)過程中繞了許多彎路，做了許多的無用功。但在室友們的幫助下，再加上自己不斷的查找相關(guān)資料，利用圖書館和網(wǎng)絡(luò)，最終克服了所有困難。同時(shí)也鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合的必要性，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能

15、真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。 通過對(duì)上述不同振蕩器的設(shè)計(jì)與仿真，了解了各種正弦波振蕩器在結(jié)構(gòu)上的利與弊，是我們?cè)谶x擇正弦波振蕩器時(shí)更加明確那種振蕩器更適合。這次技能訓(xùn)練，讓我們更好的掌握了各種電路的測試與計(jì)算；熟悉了電子仿真的工作原理和其具體的使用方法.更深刻的理解課本知識(shí)。 總之，從中我學(xué)習(xí)到了如何對(duì)待遇到的困難，增強(qiáng)了對(duì)設(shè)計(jì)電路的思考能力。在這次的設(shè)計(jì)中，張老師給了我們很大的自由空間，可自己選擇題目，這次課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我一絲不茍的科學(xué)態(tài)度，提高了我實(shí)踐能力。最后要真誠的感謝張老師的指導(dǎo)！ 6參考文獻(xiàn)1電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測試，第三版，謝自美 主編，華中科技大學(xué)出版社2高頻電子線路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，楊翠娥主編，哈爾濱工程大學(xué)出版社3高頻電路設(shè)計(jì)與制作，何中庸譯，科學(xué)出版社4通信電子線路，第三版，高如云 主編，西安電子科技大學(xué)出版社5模擬電子技術(shù)。胡宴如 主編，高等教育出版社6電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)，第二版，高吉祥，主編，電子工業(yè)出版社7附錄 器件清單1 考畢茲振蕩器所需電子器件元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注R1 5.1K1R227 K1R33.0 K1R41.0 K1R55.1 K1C1100pF1C2100