LC正弦波振蕩電路的仿真分析

1、精選文檔摘 要 振蕩器的種類(lèi)很多，適用的范圍也不相同，但它們的基本原理都是相同的，都由放大器和選頻網(wǎng)絡(luò)組成，都要滿足起振，平衡和穩(wěn)定條件。然后通過(guò)所學(xué)的高頻學(xué)問(wèn)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，由于受實(shí)踐條件的限制，在設(shè)計(jì)好后，我利用了模擬軟件進(jìn)行了仿真與分析。為了學(xué)習(xí)Multisim軟件的使用，以及熬煉電子仿真的力量，我選用的仿真軟件是Multisim10.0版本，該軟件供應(yīng)了功能強(qiáng)大的電子仿真設(shè)計(jì)界面和便利的電路圖和文件管理功能。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析力量。NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕獲和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

2、。關(guān)鍵詞：LC振蕩回路；仿真；正弦波信號(hào)；Multisim軟件； 目 錄一、緒論1二、方案確定121電感反饋式三端振蕩器222電容反饋式三端振蕩器22.3 振蕩平衡條件一般表達(dá)式424起振條件和穩(wěn)幅原理4三、LC振蕩器的基本工作原理4四、 總電路設(shè)計(jì)和仿真分析54.1軟件簡(jiǎn)介54.2 總電路設(shè)計(jì)74.3 進(jìn)行仿真74.4 各個(gè)原件對(duì)電路的影響9五、心得體會(huì)11參考文獻(xiàn)12附錄13電路原理圖13元器件清單13 一、緒論在本課程設(shè)計(jì)中，對(duì)LC正弦波振蕩器的仿真分析。正弦波振蕩器用來(lái)產(chǎn)生正弦溝通信號(hào)的電路，它廣泛應(yīng)用于通信、電視、儀器儀表和測(cè)量等系統(tǒng)中。在通信方面，正弦波震蕩器可以用來(lái)產(chǎn)生運(yùn)載信息的

3、載波和作為接收信號(hào)的變頻或調(diào)解時(shí)所需要的本機(jī)振蕩信號(hào)。醫(yī)用電療儀中，用高頻加熱。在課程設(shè)計(jì)中，學(xué)習(xí)Multisim軟件的使用，以及熬煉電子仿真的力量，我選用的仿真軟件是Multisim10.0版本，該軟件供應(yīng)了功能強(qiáng)大的電子仿真設(shè)計(jì)界面和便利的電路圖和文件管理功能。我利用了仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行了一寫(xiě)的仿真分析，得到了與理論值比較相近的結(jié)果，這表明電路的原理設(shè)計(jì)是比較成功的，本次課程設(shè)計(jì)也是比較成功的。本課程設(shè)計(jì)中要求設(shè)計(jì)的正弦波振蕩器能夠輸出穩(wěn)定正弦波信號(hào)，本設(shè)計(jì)中所涉及的仿真電路是比較簡(jiǎn)潔的。但通過(guò)仿真得到的結(jié)論在實(shí)際的類(lèi)似電路中有很普遍的意義。二、方案確定通過(guò)對(duì)高頻電子線路相關(guān)學(xué)問(wèn)的學(xué)習(xí)，我

4、們知道LC正弦波振蕩器主要有電感反饋式三端振蕩器、電容反饋式三端振蕩器以及改進(jìn)型電容反饋式振蕩器（克拉波電路和西勒電路）等。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(diǎn)式振蕩器穩(wěn)定性好，輸出波形抱負(fù)，振蕩頻率可以做得較高。我們這里爭(zhēng)辯的主要是LC三端式振蕩器。21電感反饋式三端振蕩器圖1 電感三點(diǎn)式振蕩器電感反饋震蕩電路如圖1，它的優(yōu)點(diǎn)是：由于和之間有互感存在，所以簡(jiǎn)潔起振。其次是轉(zhuǎn)變回路電容來(lái)調(diào)整頻率時(shí)，基本上不影響電路的反饋系數(shù)，比較便利。這種電路的主要缺點(diǎn)是：與電容反饋震蕩電路想比，其震蕩波形不夠好。這是由于反饋支路為感性支路，對(duì)高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，故對(duì)于LC回路中的高次

5、諧波反饋較強(qiáng)，波形失真較大。其次是當(dāng)工作頻率較高時(shí)，由于和上的分布電容和晶體管的極間電容均并聯(lián)于與兩端，這樣，反饋系數(shù)F隨頻率變化而變化。工作頻率愈高，分布參數(shù)的影響也愈嚴(yán)峻，甚至可能使F減小到滿足不了起振條件?？傊?，由于存在互感，電路不好計(jì)算而且波形失真較大，在此不再仿真分析。這種電路盡管它的工作頻率也能達(dá)到甚高頻波段，但是在甚高頻波段里，優(yōu)先選擇的還是電容反饋振蕩器。 22電容反饋式三端振蕩器電容三點(diǎn)式振蕩器又稱(chēng)為考畢茲振蕩器，如圖2：圖2 電容三點(diǎn)式振蕩器原理圖對(duì)于電容三點(diǎn)式振蕩器，反饋系數(shù)F的表達(dá)式為：不考慮各極間電容的影響，這時(shí)諧振回路的總電容量為、的串聯(lián)，即振蕩頻率的近似為與電感三

6、端震蕩電路想比，電容三端振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形較好，這是由于集電極和基極電流可通過(guò)對(duì)諧波為低阻抗的電容支路回到放射極，所以高次諧波的反饋減弱，輸出的諧波重量削減，波形更加接近于正弦波。其次，該電路中的不穩(wěn)定電容（分布電容、器件的結(jié)電容等）都是與該電路并聯(lián)的，因此適當(dāng)?shù)募哟蠡芈冯娙萘浚涂梢詼p弱不穩(wěn)定因素對(duì)振蕩器的影響，從而提高了頻率穩(wěn)定度。最終，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，甚至可以只利用器件的輸入和輸出電容作為回路電容。因而本電路適用于較高的工作頻率。這種電路的缺點(diǎn)是:調(diào)或來(lái)轉(zhuǎn)變震蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將轉(zhuǎn)變。但只要在L兩端并上一個(gè)可變電容器，并令與為固定電容，則在調(diào)整頻率時(shí)，基本上不會(huì)影響反饋系數(shù)。2.

7、3 振蕩平衡條件一般表達(dá)式 震蕩條件為 振幅平衡條件 24起振條件和穩(wěn)幅原理振蕩器在剛剛起振時(shí)，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強(qiáng)一些，即要求。既然，起振后就要產(chǎn)生增幅振蕩，需要靠三極管大信號(hào)運(yùn)用時(shí)的非線性特性去限制幅度的連續(xù)增加，這樣電路必定產(chǎn)生失真。這就要靠選頻網(wǎng)絡(luò)的作用，選出多次諧波中的基波重量作為輸出信號(hào)，以獲得正弦波輸出。也可以再反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)整放大電路的增益。從而達(dá)到穩(wěn)幅目的。三、LC振蕩器的基本工作原理振蕩器是不需外信號(hào)激勵(lì)、自身將直流電能轉(zhuǎn)換為溝通電能的裝置。LC振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，由晶體管等有源器件和具有選頻作用的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)及反饋網(wǎng)絡(luò)組成。振蕩器依據(jù)自

8、身輸出的波形可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器，正弦波振蕩器在廣播通訊、自動(dòng)把握、儀器儀表、高頻加熱、超聲探傷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；而非正弦振蕩器能產(chǎn)生出矩形波(方波)、三角波、鋸齒波等信號(hào)，這些信號(hào)可以用于測(cè)量設(shè)備、數(shù)字系統(tǒng)、自動(dòng)把握及計(jì)算機(jī)設(shè)備中。本設(shè)計(jì)爭(zhēng)辯的就是正弦波振蕩器。其框圖如圖1所示。放大電路選頻網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)輸出圖3 振蕩器原理框圖由所學(xué)學(xué)問(wèn)可知，構(gòu)成一個(gè)振蕩器必需具備下列三個(gè)條件：1) 一套振蕩回路，包含兩個(gè)（或兩個(gè)以上）儲(chǔ)能元件。在這兩個(gè)元件中，當(dāng)一個(gè)釋放能量時(shí)，另一個(gè)就接收能量。釋放與接收能量可以來(lái)回進(jìn)行，其頻率打算于元件的數(shù)值。2) 一個(gè)能量來(lái)源，補(bǔ)充由振蕩回路電阻所產(chǎn)

9、生的能量損失。在晶體管振蕩器中，這個(gè)能源就是直流電源。3) 一個(gè)把握設(shè)備，可以使電源功率在正確的時(shí)刻補(bǔ)充電路的能量損失，以維持等幅振蕩。這是由有源器件和正反饋電路完成的。四、 總電路設(shè)計(jì)和仿真分析：4.1軟件簡(jiǎn)介Multisim是一個(gè)特地用于電子線路設(shè)計(jì)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。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析力量。NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕獲和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。同學(xué)可以很便利地把

10、剛剛學(xué)到的理論學(xué)問(wèn)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來(lái)，并且可以用虛擬儀器技術(shù)制造出真正屬于自己的儀表。Multisim軟件特點(diǎn):(1)直觀的圖形界面：整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子試驗(yàn)工作臺(tái)，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來(lái)，軟件儀器的把握面板和操作方式都與實(shí)物相像，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線猶如在真實(shí)儀器上看到的一樣。(2)豐富的元器件庫(kù)：Multisim大大擴(kuò)充了EWB的元器件庫(kù)， 包括基本元件、半導(dǎo)體器件、運(yùn)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(guò)元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過(guò)liT公司網(wǎng)站

11、或其代理商獲得元件模型的擴(kuò)充和更新服務(wù)。(3)豐富的測(cè)試儀器：除EWB具備的數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號(hào)發(fā)生器、規(guī)律分析儀和規(guī)律轉(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(luò)分析儀。尤其與EWB不同的是：全部?jī)x器均可多臺(tái)同時(shí)調(diào)用。(4)完備的分析手段：除了EWB供應(yīng)的直流工作點(diǎn)分析、溝通分析、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(diǎn)一零點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞狀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

12、路的分析設(shè)計(jì)要求。(5)強(qiáng)大的仿真力量：Multisim 既可對(duì)模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻(RF) 電路的仿真功能。仿真失敗時(shí)會(huì)顯示出錯(cuò)信息、提示可能出錯(cuò)的緣由，仿真結(jié)果可隨時(shí)儲(chǔ)存和打印。雙通道示波器：雙通道示波器主要用來(lái)顯示被測(cè)量信號(hào)的波形，還可以用來(lái)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的頻率和周期等參數(shù)。如右圖所示。A,B表示兩個(gè)信號(hào)的通道，Ext Trig表示外接觸發(fā)信號(hào)輸入端，“-”表示接地。如圖4：圖4 雙通道示波器頻率計(jì)：頻率計(jì)可以用來(lái)測(cè)量數(shù)字信號(hào)的頻率，周期，相位以及脈沖信號(hào)的上升沿和下降沿。如右圖所示。應(yīng)當(dāng)留意的是，在Multisim中不能用頻率計(jì)來(lái)測(cè)量較低

13、頻率的信號(hào)。如圖5： 圖5 頻率計(jì)4.2 總電路設(shè)計(jì)如圖，下圖為L(zhǎng)C正弦波電路振蕩器的電路圖，是Multisim軟件畫(huà)出的，Multisim軟件是一款功能強(qiáng)大的軟件?？梢员憷旖莸倪M(jìn)行原理圖的繪制，如圖6：圖6 總電路原理設(shè)計(jì)圖4.3 進(jìn)行仿真分析步驟如下。（1）創(chuàng)建電路。在原件庫(kù)中選擇電阻、電容、電源。接地及示波器等，用Multisim畫(huà)出如下電路圖7：圖7 仿真電路圖 （2）仿真過(guò)程。點(diǎn)擊仿真按鈕，雙擊示波器，觀測(cè)示波器顯示。下圖所示為L(zhǎng)C正弦波振蕩器的起振過(guò)程。LC正弦波振蕩器起振過(guò)程波形圖如圖8： 圖8 LC正弦波振蕩器起振過(guò)程LC正弦波振蕩器電路波形圖，如圖9：圖9 LC正弦波振蕩器

14、電路波形圖（3）觀測(cè)仿真結(jié)果。測(cè)試振蕩器各原件的作用，即短路或者開(kāi)路該元件，觀看振蕩器的工作狀況；進(jìn)行LC振蕩器波段工作爭(zhēng)辯，即測(cè)試振蕩器在多寬的頻率比范圍內(nèi)能平穩(wěn)工作；爭(zhēng)辯LC振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)、反饋系數(shù)及負(fù)載對(duì)振蕩器的影響；測(cè)試LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度，即爭(zhēng)辯溫度。電源和負(fù)載變化對(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響。（4）下面我們雙擊頻率計(jì)，觀測(cè)頻率計(jì)的顯示，如圖10： 圖10 頻率計(jì)顯示圖4.4 各個(gè)原件對(duì)電路的影響現(xiàn)在我們要測(cè)試各原件的作用。就是開(kāi)路或者短路該原件，觀看振蕩器的工作狀況。觀看波形?，F(xiàn)在我將電路中的R2開(kāi)路，即刪除R2。通過(guò)Multisim軟件再次進(jìn)行仿真。首先由Multisim畫(huà)出的

15、開(kāi)路R2的電路圖，即刪除R2，如圖11：圖11 開(kāi)路R2電路圖下面就給出Multisim進(jìn)行仿真后看到的對(duì)波形的影響，如圖12：圖12 R2影響后的波形圖我們可以看到，由于開(kāi)路了R2，使得振蕩器發(fā)生變化，波形圖中的正弦波變得失真。五、心得體會(huì)在本次課程設(shè)計(jì)中，我的題目是LC正弦波振蕩電路的仿真分析，依據(jù)所學(xué)的高頻電路學(xué)問(wèn)，我擬接受LC三端式振蕩器進(jìn)行仿真。 經(jīng)過(guò)這次的仿真我學(xué)到了很多在課本上學(xué)不到的東西。這次我利用了仿真軟件Multisim來(lái)對(duì)自己的設(shè)計(jì)電路圖進(jìn)行仿真。在仿真的過(guò)程中，我對(duì)正弦波震蕩電路有了更進(jìn)一步的了解。也讓我更好的把握了各種電路的測(cè)試與計(jì)算；生疏了電子仿真的工作原理和其具體

16、的使用方法.更深刻的理解課本學(xué)問(wèn)。明白了正弦波振蕩器的分類(lèi)方法以及各個(gè)類(lèi)型電路的震蕩波形。也漸漸對(duì)振蕩器的振蕩頻率、震蕩幅度等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)有了肯定的了解。在本次的設(shè)計(jì)報(bào)告中， 振蕩電路接通電源后，有時(shí)不起振，或者在外界信號(hào)猛烈觸發(fā)下才起振（硬激勵(lì)），在波段振蕩器中有時(shí)只在某一頻段振蕩，而在另一頻段不振蕩等。全部這些現(xiàn)象無(wú)非是沒(méi)有滿足相位平衡條件或振幅平衡條件。假如在全波段內(nèi)不振蕩，首先要看相位平衡條件是否滿足。對(duì)三端振蕩電路要看是否滿足對(duì)應(yīng)的相位平衡推斷標(biāo)準(zhǔn)。此外，還要在振幅平衡條件所包含的各種因素中找緣由：1、靜態(tài)工作點(diǎn)選的太小。2、電源電壓過(guò)低，使振蕩管放大倍數(shù)太小。3、負(fù)載太重，振蕩管與回路間耦合過(guò)緊，回路Q(chēng)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(yīng)適當(dāng)選取。在這個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)中，我學(xué)會(huì)了振蕩電路中的一些基礎(chǔ)理論學(xué)問(wèn)，在設(shè)計(jì)電路元件參數(shù)的時(shí)候首先要考慮電路起振條件和平衡條件，這分別包含振幅條件和相位條件。經(jīng)過(guò)了這次課程設(shè)