正弦波振蕩電路的設(shè)計(jì)與分析

2014屆《通信原理》課程設(shè)計(jì)《正弦波振蕩電路的設(shè)計(jì)與分析》課程設(shè)計(jì)說明書學(xué)生姓名張永良學(xué)號(hào)5021211107所屬學(xué)院信息工程學(xué)院專業(yè)通信工程班級(jí)通信工程15-1指導(dǎo)教師姚娜教師職稱講師塔里木大學(xué)教務(wù)處制目錄前言1工程概況1正文2設(shè)計(jì)的目的和意義2設(shè)計(jì)目的2克拉潑電容三點(diǎn)式振蕩電路的根本原理23.2.1振蕩器組成原那么23.2.2電路原理及分析3改良型電容三點(diǎn)式〔克拉潑振蕩器〕53.2.4克拉潑振蕩器的電路分析5克拉潑振蕩器的起振條件6克拉潑振蕩器的振蕩頻率6克拉潑振蕩器的電容參數(shù)影響7設(shè)計(jì)方法和內(nèi)容8電容三點(diǎn)式和改良型電容三點(diǎn)式仿真比擬8克拉潑振蕩器電容參數(shù)改變對(duì)波形的影響9結(jié)論10致謝10參考文獻(xiàn)：11前言振蕩器用于產(chǎn)生一定頻率和幅度的信號(hào)，它不需要外加輸入信號(hào)的控制，就能自動(dòng)的將直流電能轉(zhuǎn)化為所需要的交流能量輸出。振蕩器的種類很多，根據(jù)產(chǎn)生振蕩波形的不同，可分為正弦波振蕩器和非正弦波震蕩器。正弦波振蕩器從組成原理來看，可分為反應(yīng)振蕩器和負(fù)阻振蕩器。正弦波振蕩器的作用是產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、幅度不變的正弦波輸出。以LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)振蕩器稱為L(zhǎng)C正弦振蕩器。三點(diǎn)式振蕩器屬于LC振蕩器的一種，由于電容三點(diǎn)式頻率調(diào)節(jié)不便引起電路工作性能的不穩(wěn)定使該電路只適宜產(chǎn)生固定頻率的振蕩，所以選擇了改良型電容三點(diǎn)式〔克拉潑電路〕，即在電容三點(diǎn)式電路的根底上，在諧振回路的電感支路上串聯(lián)一個(gè)可調(diào)電容。此次設(shè)計(jì)的電路是建立在反應(yīng)電路根底之上的，在熟悉了改良型電容三點(diǎn)式的原理下，對(duì)電路進(jìn)行仿真，由輸出波形比擬它們的不同，最后得出可調(diào)電容的值越大，振蕩頻率穩(wěn)定度越高。振蕩器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如，在無線電通信、播送、電視設(shè)備中來產(chǎn)生所需要的載波和本機(jī)振蕩信號(hào)；在電子測(cè)量?jī)x器中用來產(chǎn)生各種頻段的正弦信號(hào)。工程概況此次課程設(shè)計(jì)是在multisim軟件下對(duì)改良型電容三點(diǎn)式克拉潑電路的輸出波形進(jìn)行仿真。由于振蕩器的種類很多，適用的范圍也不相同，但它們的根本原理都是相同的，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。本次課程設(shè)計(jì)要求振蕩器的輸出頻率為10Mhz，屬于高頻范圍。所以選擇LC振蕩器作為參考對(duì)象，再考慮輸出頻率和振幅的穩(wěn)定性，最終選擇了克拉潑振蕩器。此次可設(shè)用了兩周的時(shí)間，對(duì)改良型電容三點(diǎn)式克拉潑電路進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)了克拉潑電路的優(yōu)缺點(diǎn)。正文設(shè)計(jì)目的熟悉multisim軟件，運(yùn)用軟件里的一些元器件連接電路圖，完成課程設(shè)計(jì)：改變型電容三點(diǎn)式〔克拉潑電路〕設(shè)計(jì)仿真。1.對(duì)改良型電容三點(diǎn)式〔克拉潑電路〕進(jìn)行輸出波形仿真，并分析。3.調(diào)節(jié)可變電容的值，觀察輸出波形的變化，并與實(shí)際理論值進(jìn)行比擬。設(shè)計(jì)意義設(shè)計(jì)的改良型電容三點(diǎn)式電路克服了電容三點(diǎn)式電路的頻率高的缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中的范圍更加廣泛。拉潑電容三點(diǎn)式振蕩電路的根本原理振蕩器組成原那么電容反應(yīng)式振蕩電路的根本電路就是通常所說的三端式〔又稱三點(diǎn)式〕的振蕩器，即LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而成的電路，如下圖3-2-1。由圖可見，除晶體管外還有三個(gè)電抗元件X1、X2、X3，它們構(gòu)成了決定振蕩器頻率的并聯(lián)諧振回路，同時(shí)構(gòu)成了正反應(yīng)所需的網(wǎng)絡(luò)，為此根據(jù)振蕩器組成原那么，三端式振蕩器有兩種根本電路，如圖3-2-1〔a〕〔b〕圖3-2-1三端式振蕩器根本電路電路由放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)組成。總體設(shè)計(jì)方案框圖如下：選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)放大電路放大電路反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)圖3-2-2電容反應(yīng)式振蕩電路設(shè)計(jì)框圖三點(diǎn)式LC正弦波振蕩器的組成法那么是：與晶體管發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件應(yīng)為同性質(zhì)的電抗，而與晶體管集電極—基極相連的電抗元件應(yīng)與前者性質(zhì)相反。也就是說上圖〔b〕中、與的性質(zhì)必須相反振蕩器才能起振。電路原理及分析電容反應(yīng)式電路工作原理及分析圖3-2-3〔a〕是電容三點(diǎn)式電路一種常見形式,〔ｂ〕是其高頻等效電路。圖中Ｃ1、Ｃ3是回路電容,Ｌ1是回路電感,Ｃ2和Ｃ5分別是高頻旁路電容和耦合電容。一般來說,旁路電容和耦合電容的電容值至少要比回路電容值大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。有些電路里還接有高頻扼流圈,其作用是為直流提供通路而又不影響諧振回路工作特性。對(duì)于高頻振蕩信號(hào),旁路電容和耦合電容可近似為短路,高頻扼流圈可近似為開路?！瞐〕〔b〕圖3-由于電容三點(diǎn)式電路已滿足反應(yīng)振蕩器的相位條件,只要再滿足振幅起振條件就可以正常工作。因?yàn)榫w管放大器的增益隨輸入信號(hào)振幅變化的特性與振蕩的三個(gè)振幅條件一致,所以只要能起振,必定滿足平衡和穩(wěn)定條件。(1)平衡條件振蕩器的平衡條件即為，也可以表示為：，即為振幅平衡條件和相位平衡條件。平衡狀態(tài)下，電源供應(yīng)的能量正好抵消整個(gè)環(huán)路損耗的能量，平衡時(shí)輸出幅度將不在變化：振幅平衡條件決定了振蕩器輸出信號(hào)振幅的大??；環(huán)路只有在某一特定的頻率上才能滿足相位平衡條件：相位平衡條件決定了振蕩器輸出信號(hào)頻率的大小。(2)起振條件振蕩器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不應(yīng)有外加信號(hào)，而應(yīng)是一加上電后即產(chǎn)生輸出；振蕩的最初來源是振蕩器在接通電源時(shí)不可防止地存在的電沖擊及各種熱噪聲。振蕩開始時(shí)鼓勵(lì)信號(hào)很弱，為使振蕩過程中輸出幅度不斷增加，應(yīng)使反應(yīng)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。由可知，稱為自激振蕩的起振條件，也可寫為，分別稱為起振的振幅條件和相位條件，其中起振的相位條件即為正反應(yīng)條件。(3)穩(wěn)定條件振蕩器的穩(wěn)定條件分為振幅穩(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)定條件振蕩器的相位平衡條件是φT〔ω0〕＝２ｎπ。在振蕩器工作時(shí),某些不穩(wěn)定因素可能破壞這一平衡條件。如電源電壓的波動(dòng)或工作點(diǎn)的變化可能使晶體管內(nèi)部電容參數(shù)發(fā)生變化,從而造成相位的變化,產(chǎn)生一個(gè)偏移量Δφ。由于瞬時(shí)角頻率是瞬時(shí)相位的導(dǎo)數(shù),所以瞬時(shí)角頻率也將隨著發(fā)生變化。為了保證相位穩(wěn)定,要求振蕩器的相頻特性φT〔ω〕在振蕩頻率點(diǎn)應(yīng)具有阻止相位變化的能力。具體來說,在平衡點(diǎn)ω=ω0附近,當(dāng)不穩(wěn)定因素使瞬時(shí)角頻率ω增大時(shí),相頻特性φT〔ω0〕應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)-Δφ,從而產(chǎn)生一個(gè)-Δω,使瞬時(shí)角頻率ω減小。改良型電容三點(diǎn)式〔克拉潑振蕩器〕在電容三點(diǎn)式電路中，要減小極間電容在回路總電容中的比重，可以采用局部接入的方法。一種電容三點(diǎn)式振蕩器的改良型電路——克拉潑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、相串聯(lián)的電容即構(gòu)成了克拉潑振蕩器。3.克拉潑振蕩器的電路分析(a)實(shí)際電路(b)交流通路圖3-2-圖3-2-4〔a〕和〔b〕分別是克拉潑振蕩器的實(shí)際電路和相應(yīng)的交流通路。由圖3-2-4〔a〕可知，克拉潑電路與電容三點(diǎn)式電路的差異，僅在回路中多加一個(gè)與、相串聯(lián)的電容。通常取值較小，滿足，，回路總電容主要取決于。而回路中的不穩(wěn)定電容主要是三極管的極間電容、、，它們又都直接并接在、上，不影響值，結(jié)果是減小了這些不穩(wěn)定電容對(duì)振蕩頻率的影響，而且越小，這種影響就越小，環(huán)路增益就越小，回路標(biāo)準(zhǔn)性就越高。實(shí)際情況下，克拉潑電路的頻穩(wěn)度大體上比電容三點(diǎn)式電路高一個(gè)量級(jí)，達(dá)。3.克拉潑振蕩器的起振條件〔a〕克拉潑電路〔b〕開環(huán)電路圖3-3-5在如圖〔a〕所示的克拉潑電路中，、的串聯(lián)支路呈感性，符合三點(diǎn)式電路的組成法那么，即與發(fā)射極連接的為和，而不與發(fā)射極連接的為感性電抗。該電路滿足相位平衡條件。在×處斷開，可以得到如圖〔b〕所示的開環(huán)電路。它的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)系數(shù)保持不變，仍為，，不同的僅是需要通過和的電容分壓網(wǎng)路折算到集電極上，折算后的數(shù)值為〔或〕，其中。因此，該電路的振幅起振條件其中，。3.克拉潑振蕩器的振蕩頻率克拉潑振蕩電路是在電容三點(diǎn)式振蕩電路的根底上，采用和的串聯(lián)電路代替原來的而構(gòu)成的。由圖3-2-4〔b〕可知，在工作頻率上，與串聯(lián)支路應(yīng)等效為一個(gè)電感，和以及并接在，上的，只是整個(gè)回路電容的一局部，晶體管以局部接入的方式與回路聯(lián)接，這樣就減弱了晶體管與回路的耦合。由于，，因而回路總電容近似等于，振蕩器的振蕩頻率為：顯然，管子的結(jié)電容對(duì)的影響是很小的，而且越小，結(jié)電容對(duì)振蕩頻率的影響就越小。但是，由于，只是整個(gè)振蕩回路的一局部，晶體管是以局部接入的方式與回路連接，減弱了晶體管與回路之間的耦合。而晶體管的電壓反應(yīng)系數(shù)為：。如果設(shè)回路L兩端的等效負(fù)載為，那么折合到集電極回路作為集電極負(fù)載電阻:為回路總阻抗反映到管子ce端的接入系數(shù)，其值為可見減小也減小，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)下降，會(huì)影響起振條件。由于通過改變來改變振蕩頻率的同時(shí)會(huì)影響負(fù)載電阻變化，進(jìn)而影響振蕩器的性能，故克拉潑振蕩器不適合用作頻率可變振蕩器。3.克拉潑振蕩器的電容參數(shù)影響如圖3-2-4〔a〕所示，在電容三點(diǎn)式振蕩電路中接入后，雖然振蕩器的反應(yīng)系數(shù)不變，但是接在兩端的電阻折算到振蕩管集基極間的數(shù)值〔設(shè)為〕減小，其值為：式中，是、和包括各極間電容在內(nèi)的總電容。因而，放大器的增益亦即環(huán)路增益將相應(yīng)減小。顯然，越小，環(huán)路增益就越小?？芍?，在這種振蕩電路中，減小來可提高回路標(biāo)準(zhǔn)性。但取值過小，振蕩器就不會(huì)滿足振幅起振條件而停振。電容三點(diǎn)式和改良型電容三點(diǎn)式仿真比擬圖3-3-1電容三點(diǎn)式電路仿真圖3-3-2與共基電容三點(diǎn)式振蕩器電路相比，在電感支路上串連一個(gè)電容。但它有以下特點(diǎn)：1、振蕩頻率改變不影響反應(yīng)系數(shù)；2、震蕩幅度比擬穩(wěn)定；3、電路中C3為變電容，調(diào)整它可一定范圍內(nèi)調(diào)整震蕩頻率；但C3不能太小，否那么導(dǎo)致停振，所以克拉潑振蕩器頻率覆蓋率較小，僅達(dá)1.2-1.4。為此，克拉潑振蕩器適合作固定頻率振蕩器。圖3-3-3改良型電容三點(diǎn)式-克拉潑電路共基極仿真電路圖3-3-4改良型電容三點(diǎn)式(克拉潑電路)輸出波形仿真比擬電容三點(diǎn)式電路和改良型電容三點(diǎn)式電路，可以發(fā)現(xiàn)，電容三點(diǎn)式的優(yōu)點(diǎn)是電容對(duì)高次諧波呈現(xiàn)較小容抗，反應(yīng)信號(hào)中高次諧波分量小，故震蕩輸出波形好；缺點(diǎn)是頻率調(diào)節(jié)不方便，只適用于頻率調(diào)節(jié)范圍不大的場(chǎng)合，而且晶體管之間會(huì)存在寄生電容，他們均與諧振回路并聯(lián)，會(huì)使振蕩頻率發(fā)生偏移，同時(shí)極間電容會(huì)隨晶體管的工作狀態(tài)變化。改良型電容三點(diǎn)式(克拉潑電路)的優(yōu)點(diǎn)是減小晶體管的極間電容，使振蕩頻率穩(wěn)定度明顯提高了；缺點(diǎn)接入可變電容后，使晶體管的輸出端和回路耦合減弱，放大器的放大倍數(shù)減小，從而使振蕩器輸出的幅度小。3.克拉潑振蕩器電容參數(shù)改變對(duì)波形的影響由克拉潑振蕩器的起振條件可知，當(dāng)C6改變時(shí)會(huì)對(duì)電路的起振條件會(huì)產(chǎn)生很大的影響。如果C6取值過小，振蕩器就不會(huì)不滿足振幅起振條件而停振。設(shè)C6為15pF，20%時(shí)，可以得到電路的仿真波形如下圖?？砂l(fā)現(xiàn)，波形明顯失真了。圖3-3-5改變C6后的仿真波形電容三點(diǎn)式振蕩器的反應(yīng)信號(hào)取自電容兩端，因?yàn)殡娙輰?duì)高次諧波呈現(xiàn)較小的容抗，反應(yīng)信號(hào)中高次諧波分量小，故震蕩輸出波形好。但當(dāng)通過改變或來調(diào)節(jié)振蕩頻率時(shí)，同時(shí)會(huì)改變正反應(yīng)量的大小，因而會(huì)使輸出型號(hào)幅度發(fā)生變化，甚至?xí)拐袷幤魍Ｕ?，所以電容三點(diǎn)式振蕩電路頻率調(diào)節(jié)很不方便，故使用于頻率調(diào)節(jié)范圍不大的場(chǎng)合。而改良型電容三點(diǎn)式僅在諧振回路電感支路增加了一個(gè)電容，卻能克服這些缺點(diǎn)。致謝經(jīng)過一周的時(shí)間，終于順利的完成了此次課程設(shè)計(jì)，回憶這次課程設(shè)計(jì)的過程，感覺自己收獲了很多，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自身存在一些問題，我發(fā)現(xiàn)了自己對(duì)書本上的知識(shí)掌握的不好，理解的程度也不夠。這次課程設(shè)計(jì)，通過查閱相關(guān)資料和對(duì)課本知識(shí)的仔細(xì)研究，使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)，我掌握了電容三點(diǎn)式、改良型電容三點(diǎn)式電路的原理以及優(yōu)缺點(diǎn)，熟悉了multisim軟件的使用和電路圖的仿真，以及改變參數(shù)時(shí)對(duì)仿真圖形進(jìn)行比擬和分析。對(duì)于電路的設(shè)計(jì)過程我以為電容三點(diǎn)式振蕩器的設(shè)計(jì)很難，設(shè)計(jì)比擬煩瑣，有靜態(tài)工作點(diǎn)的要求，各電阻、電容值的設(shè)計(jì)，還有好多要求，看起來十分復(fù)雜。后來通過查資料，才了解到先要計(jì)算好各電阻的值，再根據(jù)各電容的作用，確定電容的值，畫出電路圖，一切都會(huì)變得簡(jiǎn)單。同樣，在這次課程設(shè)計(jì)中也遇到了不少問題，尤其是編輯公式時(shí)，操作不靈便，編輯好的文檔沒有及時(shí)保存，以至于從頭再來，浪費(fèi)了很多時(shí)間。但吃一塹長(zhǎng)一智，現(xiàn)在遇到這些問題，及時(shí)解決，以后再做這類事情就會(huì)多一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，就會(huì)少出一些類似問題。回憶起此課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在這段日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以穩(wěn)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)合是很重要的，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，才能真正為社會(huì)效勞，從而