高頻課程設(shè)計

1、正弦波振蕩1.課程設(shè)計的目的高頻電子線路課程是電類專業(yè)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠使學(xué)生掌握近代高頻理論的基礎(chǔ)知識、電路分析與計算的基本方法，具備進行試驗的初步技能，并為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下必要的基礎(chǔ)。高頻電子線路課程設(shè)計是學(xué)習(xí)高頻電子線路課程之后的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對課程理論和課程實驗的綜合和補充，其目的是訓(xùn)練學(xué)生綜合運用學(xué)過的高頻電子線路的基礎(chǔ)知識。學(xué)會并利用一種電路分析軟件，對電路進行分析、計算和仿真，通過查找資料，選擇方案，設(shè)計電路，撰寫報告，完成一個較完整的設(shè)計過程，將抽象的理論知識與實際電路設(shè)計聯(lián)系在一起，使學(xué)生在掌握電路基本設(shè)計方法的同時，加深對高頻電子線路課程知識的理解

2、和綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)知識解決實際工程設(shè)計問題的能力，以及工程意識和創(chuàng)新能力。2.設(shè)計方案論證2.1 Multisim軟件介紹Multisim是加拿大Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力?？梢允褂肕ultisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路行為進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可

3、以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。功能：(1).直觀的圖形界面整個操作界面就像一個電子實驗室工作臺，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屏幕上，輕點鼠標(biāo)可用導(dǎo)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)、波形和特性曲線如何在真實一起上看到的。(2).豐富的元器件提供了世界主流元件提供商的170000多種元件，同時能方便的對元件各種參數(shù)進行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)建模型等功能，創(chuàng)建自己的與器件。(3

4、).強大的仿真能力以SPICE3F5和Xspice的內(nèi)核作為仿真的引警，通過Electronic workbench帶有的增強設(shè)計功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDI仿真、電路向?qū)У裙δ堋?4).豐富的測試儀器提供了22中虛擬儀器進行電路動作的測量：Multimeter(萬用表)、Function Generatoer(函數(shù)信號振蕩器)、Wattmeter(瓦特表)、Oscilloscope(示波器)、Bode Plotter(波特儀)、Word Generator(字符振蕩器)、Logic Analyer(邏輯分析儀)、Logic Con

5、verter(邏輯轉(zhuǎn)換儀)、Distortion Analyer(失真度儀)、Spectrum Analyzer(頻譜儀)等等。這些儀器的設(shè)置和使用與真實的一樣，動態(tài)交互顯示。除了Multisim提供的默認(rèn)的儀器外，還可以創(chuàng)建LabVIEW的自定義儀器，使得圖形環(huán)境中可以靈活地升級的測試、測量及控制應(yīng)用程序的儀器。(5).完備的分析手段Multisim提供了許多分析功能：DC operating Point Analysis (直流工作點分析)、AC Analysis(交流分析)、Transient Analysis(瞬態(tài)分析)、Fourier Analysis(傅里葉分析)、Noise An

6、alysis(噪聲分析)、Distortion Analysis(失真度分析)、DC Sweep Analysis(直流掃描分析)、等等。它們利用仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)執(zhí)行分析，分析范圍很廣，從基本得到極端的到不常見的都有，并將一個分析作為另一個分析的一部分的自動執(zhí)行。(6).獨特的射頻（RF）模塊提供基本射頻電路的設(shè)計、分析和仿真。射頻模塊由RF-specific、用于創(chuàng)建用戶自定義的RF模型的模型生成器、兩個RF-specific儀器、一些RF-specific分析等組成。(7).強大地MCU模塊支持4鐘類型的單片機芯片，支持對外部RAM、外部ROM、鍵盤的LCD等外圍設(shè)備的仿真，分別對4種類型芯

7、片提供匯編和編譯支持；所建項目支持C代碼、匯編代碼以及16進制代碼，并兼容第三方工具源代碼；包含設(shè)置斷點、編輯內(nèi)部RAM、特殊功能寄存器等高級調(diào)試功能。2.2概述正弦波振蕩器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實驗和日常生活等各個領(lǐng)域中。電子技術(shù)實驗中經(jīng)常使用中的高頻信號振蕩器就是一種正弦波振蕩電路。大功率正弦波振蕩電路還可以直接為工業(yè)生產(chǎn)提供能源，例如高頻加熱爐的高頻電源。此外如超聲波探傷，無線電和廣播電視信號振蕩器的發(fā)送和接收等，都離不開正弦波振蕩電路。2.3設(shè)計方案選擇論證正弦波振蕩電路由放大電路，回饋網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅調(diào)節(jié)四部分組成。其中放大電路和回饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成正回饋系統(tǒng)，選頻網(wǎng)絡(luò)的作用是實現(xiàn)單一

8、頻率的正弦波振蕩，穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的作用是使振蕩幅度達到穩(wěn)定，通?？梢岳梅糯蠼M件的非線性特性來實現(xiàn)。放大電路可以采用晶體管，場效應(yīng)管，集成運算放大器等。場效應(yīng)管放大電路的電極之間具有明確的關(guān)系即FET柵極g，源極s和漏極d，F(xiàn)ET是非線性組件而且是電壓控制組件，利用柵源之間電壓的變化控制漏極電流，通過跨導(dǎo)來描述其放大作用，在FET放大電路中，要求設(shè)置一個合適的靜態(tài)偏置電壓，F(xiàn)ET的共源輸入電阻很高，還有FET的跨導(dǎo)相對比較小，此外由于FET利用一種極性的多數(shù)載流子導(dǎo)電，是單極性器件，因此它具有噪聲小，受外界溫度及輻射等影響小的特點。集成放大電路主要有三個特點。一有集成電路工藝制造的的元器件，雖然參數(shù)

9、的絕對精度不是很高，受溫度的影響也比較大，但由于各有關(guān)元器件同處在一個硅片上，距離有非常接近，因此參數(shù)的對稱性極好，正是由于相鄰元器件的的參數(shù)對稱性好，故適于構(gòu)成差分放大電路。二由集成電路工藝制造出來的電阻，其阻值范圍具有一定的局限性，一般在幾十歐到幾十千歐之間，因此在需要很高阻值的電阻時，就要在電路上另想辦法。三在集成電路中，制造三極管，特別是NPN三極管往往比制造電阻，電容等無源器件更加方便，占用更少的芯片面積，因而成本更低廉，所以在集成放大電路中，常常用三極管能將高次諧波短路掉，因輸出波形中含有較大的高次諧波，故波形較差。因為頻率穩(wěn)定度不高，因此通常應(yīng)用于要求不高的設(shè)備中。電容三點式振蕩

10、電路的特點：由于回饋電壓取自于電容，電容對于高次諧波阻抗很小，于是回饋電壓中的諧波分量很小，所以輸出波形較好。因為兩個電容可以選的很小，因此震蕩頻率較高。調(diào)節(jié)兩個電容可以改變振蕩頻率，但同時會影響起振條件，因此這種電路適于產(chǎn)生固定頻率的振蕩。由于晶體的固有頻率與溫度有關(guān)，因此石英諧振器只有在較窄的溫度范圍內(nèi)工作具有很高的頻率穩(wěn)定度，或工作環(huán)境的溫度變化范圍很寬時，應(yīng)選用高精度和高穩(wěn)定度的晶體。穩(wěn)幅調(diào)節(jié)可以利用放大器件自身的非線性，也可常用外加限幅電路。綜上所述根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求及具體實驗條件，放大電路選擇集成運算放大器，型號為，回饋及選頻網(wǎng)絡(luò)選擇RC串并聯(lián)電路，穩(wěn)幅環(huán)節(jié)采用二極管反向并聯(lián)限幅電路

11、。2.4設(shè)計方案框圖反饋型振蕩器反饋型振蕩器一般由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1所示。圖中放大器用增益函數(shù)A(s)表示，反饋網(wǎng)絡(luò)用其傳遞函數(shù)F(s)表示。圖1 反饋型振蕩器方框圖根據(jù)線性系統(tǒng)的復(fù)頻域分析法，圖1所示網(wǎng)絡(luò)的閉路傳遞函數(shù)表達式為：式中，為主網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，為反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。如定義為閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)開環(huán)時的環(huán)路傳遞函數(shù) 所以： 由此，即可求得環(huán)路產(chǎn)生振蕩的條件為上式說明，當(dāng)時，閉環(huán)傳遞函數(shù)有極點存在，此時，系統(tǒng)即使在沒有信號輸入的情況下，也有交變電壓輸出，即環(huán)路內(nèi)部達到了能量平衡狀態(tài)。這時圖1所示的閉環(huán)電路即成為振蕩器。設(shè)計方案的整體框圖。正弦波振蕩電路由三部分組成，分別是RC串并聯(lián)反饋及

12、選頻電路、集成運算放大電路和穩(wěn)幅及反饋控制電路。圖2 正弦波振蕩電路框圖2.5單元電路設(shè)計 RC串并聯(lián)反饋及選頻電路的設(shè)計RC串并聯(lián)反饋及選頻電路如圖2所示，其頻率特性如圖3所示，由圖3可見，當(dāng)頻率為選頻頻率時，輸出值最大，而且與輸入相位相同。圖3 RC串并聯(lián)反饋及選頻電路 圖4 頻率特性由： 設(shè)： C=20nF 則： 運算電路設(shè)計圖5 運算電路 穩(wěn)幅電路設(shè)計電路如圖5所示，選擇反向并聯(lián)二極管的型號。 R+RF2R1 RuO =+=+D1D2RF1uf+ 圖6 穩(wěn)幅電路圖中各參數(shù)：,2.6.原理圖完整原理圖如圖6所示，所用元件匯總表如表1所示。 圖7 原理圖表1 所需元件清單電阻4個電容2個二

13、極管2個集成運放1個四蹤示波器1個頻率計1個3.設(shè)計結(jié)果與分析3.1測試方案進入Multisim11.0界面圖8 Multisim11.0界面在Multisim 界面選擇所需元件，然后單擊放好。在輸出端利用示波器觀察波形，電壓表測量輸出電壓，頻率計測量頻率。仿真分析原理圖如圖8所示。圖9 仿真分析原理圖3.2 驗證結(jié)果與分析仿真分析結(jié)果如圖9所示?；緷M足設(shè)計要求,存在誤差的原因主要是元件參數(shù)誤差，測量誤差人為因素和外部環(huán)境所引起的誤差。圖10 仿真波形圖4.設(shè)計體會通過這次課程設(shè)計,我收獲了很多，比如Multisim 編輯軟件基本使用和如何做課設(shè)，更懂得了理論與實際相結(jié)合是非常重要的，只有理

14、論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，通過實踐來驗證，提高了自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中難免會遇到過各種各樣的問題，例如剛開始軟件不會用，自己摸索著一點一點來做，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識，掌握得不夠好，通過這次課程設(shè)計之后，把以前所學(xué)過的東西重新溫故。在學(xué)習(xí)Multisim 編輯軟件的過程中提高了我獨立思考和實踐的能力，讓我對這門課程加深了認(rèn)識?？傊?，課程設(shè)計是一門十分實用的課，它鍛煉了我的獨立思考和實踐能力，讓我掌握了初步的電路設(shè)計方法，在掌握了設(shè)計方法的同時也加深了對課程知識的理解和綜合的應(yīng)用，培養(yǎng)了我綜合運用理論知識和專業(yè)知識解決實際問題的能力。這次課設(shè)讓我受益匪淺，希望多做一些課設(shè)來提高自己的能力。5.參考文獻1 王衛(wèi)東.高頻電子電路(第2版)M.電子工業(yè)出版社. 2012. 2 王松武.常用電路模塊分析與設(shè)計指導(dǎo)M. 清華大學(xué)出版社. 2007.11 :39-54.3 劉南平.模擬電子電路圖解電子電路基礎(chǔ)系列J.科學(xué)出版社,2009.8