1、河南理工大学课程设计报告书高频电子线路课程设计报告设计题目：LC正弦波振荡器的设计专业班级 电信11-3学 号 311108001724学生姓名 杨春卫指导教师 王立匡教师评分2014年1月10日目录一、设计任务与要求 1二、设计方案 12.1 电感反馈式三端振荡器 12.2 电容反馈式三端振荡器 22.3 克拉波电路振荡器 32.4 西勒电路振荡器 .一三、设计内容 .53.1 LC振荡器的基本工作原理 .53.2 西勒电路原理图及分析 .63.2.1 振荡原理73.2.2 静态工作点的设置73.3 西勒振荡器原理图 .83.4 仿真结果与分析 .83.4.1 软件简介83.4.2 进行仿真
2、 93.4.3 仿真结果分析11四、总结 11五、主要参考文献 .13河南理工大学课程设计报告书一、设计任务与要求在本课程设计中，为了熟悉高频电子线路课程，着眼于 LC正弦波振荡 器的分析和研究。通过对电感反馈式三端振荡器（哈特莱振荡器）、电容反馈式三端振荡器（考毕兹振荡器）以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路和西勒 电路）的分析、对比和讨论，以达到课程设计的目的和要求。在课程设计中，为 了学习Multisim软件的使用，以及锻炼电子仿真的能力，我选用的仿真软件是 Multisim11.0版本，该软件提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路 图和文件管理功能。本课程设计中要求设计的正弦波
3、振荡器能够输出稳定正弦波信号，输出频率可调范围为1020MHz本设计中所涉及的仿真电路是比较简单的。但通过仿真 得到的结论在实际的类似电路中有很普遍的意义。二、设计方案通过对高频电子线路相关知识的学习，我们知道 LC正弦波振荡器主要有电 感反馈式三端振荡器、电容反馈式三端振荡器以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路和西勒电路）等。其中互感反馈易于起振，但稳定性差，适用于低频， 而电容反馈三点式振荡器稳定性好， 输出波形理想，振荡频率可以做得较高。由 所学知识可知，西勒电路具有该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，频率调节方便，适合做波段振荡器等优点。所以在本设计中拟采用并联改进型的西勤电路振 荡器
4、。下面对几种振荡器进行分析论证：2.1 电感反馈式三端振荡器原理电路W交流等效电路电感三点式振荡器又称哈特莱振荡器，其原理电路如图所示：起振条件:hfe L1+M 1- hiehoe L2+M hfe式中，hoe为考虑震荡回路阻抗后的晶体管等效输出导纳，hoe =hoe +(1/Rp),此处Rp为输出回路的谐振阻抗。 p震荡频率：,11f =,2 网LC 2 阳”11 L2M电感反馈震荡电路的优点是：由于L1和L2之间有互感存在，所以容易起振。 其次是改变回路电容来调整频率时，基本上不影响电路的反馈系数，比较方便。 这种电路的主要缺点是：与电容反馈震荡电路想比，其震荡波形不够好。这是因 为反馈
5、支路为感性支路，对高次谐波呈现高阻抗，故对于LC回路中的高次谐波反馈较强，波形失真较大。其次是当工作频率较高时，由于11和12上的分布电容和晶体管的极间电容均并联于 L1与L2两端，这样，反馈系数F随频率变化而 变化。工作频率愈高，分布参数的影响也愈严重，甚至可能使F减小到满足不了 起振条件。因此，这种电路尽管它的工作频率也能达到甚高频波段，但是在甚高频波段里，优先选择的还是电容反馈振荡器。2.2 电容反馈式三端振荡器电容三点式振荡器又称为考毕兹振荡器，其原理电路如图：(a)原I里电路O交流等效电路14反馈系数F的表达式FC1+C2不考虑各极问电容的影响,这时谐振回路的总电容量为 Ci、C2的
6、串联，即1Ci+C2振荡频率的近似为f112LCC C1C22 C1+C2与电感三端震荡电路想比，电容三端振荡器的优点是输出波形较好，这是因为集电极和基极电流可通过对谐波为低阻抗的电容支路回到发射极，所以高次谐波的反馈减弱，输出的谐波分量减少，波形更加接近于正弦波。其次，该电路 中的不稳定电容（分布电容、器件的结电容等）都是与该电路并联的，因此适当 的加大回路电容量，就可以减弱不稳定因素对振荡器的影响， 从而提高了频率稳 定度。最后，当工作频率较高时，甚至可以只利用器件的输入和输出电容作为回 路电容。因而本电路适用于较高的工作频率。这种电路的缺点是：调C1或C2来改变震荡频率时，反馈系数也将改
7、变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整频率时, 基本上不会影响反馈系数。2.3 克拉波电路振荡器克拉泼电路时一种高稳定度的LC震荡电路，电路图如下:原理电路W交流等效电它的特点是在前述的电容三点式振荡谐振回路电感支路中增加了一个电容C3,其取值比较小，要求 C3 C1, C3 C2先不考虑各极问电容的影响，这时谐振回路的总电容量 的串联，即CE 为 C1、C2 和 C31+C21+C3于是，振荡频率为fo使上式成立的条件是C1和C2都要选得比较大，由此可见，C1、C2对振荡 频率的影响显著减小，那么与C1、C2并接的晶体管极间电容的影响也就很小了， 提高了振荡
8、频率的稳定度。2.4 西勒电路振荡器西勒电路是在克拉泼电路的L两端并联上一个电容得到的，有效的改善了克 拉泼电路可调范围小的缺点，电路图如图所示：原理电路W交流等奴电路1+11+ 一+=C3 +C4C1C2C3所以振荡频率f011=. 二24LCw 2 闾LC3 C4该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，频率调节方便，适合做波段振荡器。通过对以上的几种电路的分析，可以看出：1 .电感反馈式三端振荡器：容易起振，调频方便，但波形失真较大；2 .电容反馈式三端振荡器：波形好，频率稳定性好，但调频不方便；3 .克拉泼振荡器：调频方便但可调范围小；4 .西勒振荡器：频率稳定性高，振幅稳定，调频方便。所以，
9、在本设计中拟采用并联改进型的西勒电路振荡器。三、设计内容3.1 LC振荡器的基本工作原理振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。LC振荡器是一种能量转换器，由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络及反馈 网络组成。振荡器根据自身输出的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器， 正弦波振荡器在广播通讯、自动控制、仪器仪表、高频加热、超声探伤等领域有 着广泛的应用；而非正弦振荡器能产生出矩形波（方波）、三角波、锯齿波等信号， 这些信号可以用于测量设备、数字系统、自动控制及计算机设备中。本设计讨论 的就是正弦波振荡器。具框图如图1所示。振荡器原理框图由所学知识可知，构成一个振荡器
10、必须具备下列三个条件：1） 一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一 个释放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定 于元件的数值。2） 一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。 在晶体管振荡器中， 这个能源就是直流电源。3） 一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持 等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。3.2 西勒振荡器电路原理图:3.2.1 振荡原理西勒电路是一种改进型的电容反馈振荡器，是在克拉泼电路上改进的来的, 电路原理图如下所示：1%网交流等效电路原理电路震荡回路的总电容为：C”C4 +1+
11、工匹3 +C4CiC2C3所以可以得到振荡频率为:fo_1_2后记= 二2 闾 LC3 C4此时，C4为粗调，C3为细调，电路调频方便而且调频范围大。3.2.2 静态工作点的设置合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质 量的好坏有着密切的关系。一般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而I CQ大约在靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流 0.8-4mA之间选取，故本实验电路中：选 I C=2mA Vce(=6V,B =100则有ReUCCRcIU CEQCQ口 3K3K2为提高电路的稳定性R值适当增大，取Re=1 贝U Rg 2KQ因：UEfI
12、cqt Re 则：UEq =2mAX 1K=2V因：I bq=Ic(/B 则：I BQ=2mA/100=0.02mA一般取流过Rb2的电流为5-10I bq ,若取10Ibq因：Vbq2.7VRb2VbqVeq0.7Rb2 13.5KI BQ0.2所以取标称电阻为12K?因：Rb1VCC VBQ - Rb2Vbq12V2.7V 12K41.3K则：2.7VRbi3.2.2振荡回路元件参数的计算回路中的各种电抗元件都可归结为总电容 C和总电感L两部分。确定这些元 件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种 电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准
13、性的观点 出发，以保证回路电容 Cp远大于总的不稳定电容 Cd原则，先选定Cp为宜。若 从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶 体管的极间电容等变化的影响。但 C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低， 使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/C2,不能过大或过小，适宜1/81/2因振荡器的工作频率为：f012 . LC当LC振荡时，按题目要求令f=10MHz , L=10pH本电路中，则回路的谐振频率f0主要由G、G决定，即12 L(C3 C4)1C4 C6 一丁 157 pf4 2f 2L取 C4=75pf, G=82p
14、f,因要遵循 G, 8CC, G/C3=1/8 1/2 的条件，故 取 G=680pf,则 G=680pf。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻 抗端输出。3.3 西勒振荡器电路图:如图，下图为西勒电路振荡器的电路图，是 Protel软件画出的，Protel软 件是一款功能强大的原理图绘制及 PCB制作软件。可以方便快捷的进行原理图的 绘制：3.4 西勒振荡器仿真：3.4.1 软件简介Multisim是一个专门用于电子线路设计与仿真的ED具软件，它是加拿大 IIT 公司(Interactive Image Technologise Ltd. )推出的继 EWB后的
15、版 本。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的 仿真分析能力。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快 速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自 己的仪表。Multisim软件特点：(1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所 需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将 它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。(2)丰富的元
16、器件库：Multisim 大大扩充了 EWB勺元器件库， 包括基本元 件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOSt字IC、DAC AD侬其他各种部件， 且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型， 还可通过liT公司网站 或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。(3)丰富的测试仪器：除EW弘备的数字万用表、函数信号发生器、双通道 示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWBf同的是：所有仪器均可多台同时调用。(4)完备的分析手段：除了 EWB1供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分 析、傅里叶分析
17、、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一 零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外， Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和 射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。(5)强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真， 也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF)电路的仿真功能。仿真失败时 会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。3.4.2 进行仿真下图为西勒电路振荡器的电路图，是 Multisim 软件画出的，可以对其进行 仿真：4-RI 43mAR3
18、S2kQ ：, I I - II H II G? - 4；GBDpF ： C4 . n W5pF ：R22M3904R4 1kQ ：.C3=GBDpHGjjH f仿真电路图仿真结果:10000F5.1kQ：示波器输出波形频率计显示频率3.4.3 仿真结果分析采用西勒振荡电路，因为西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器的相同，由于改变频率主要通过C4完成的，C4的改变并不影响接入系数p,所以波段内输 出较平稳。而且C4改变，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大， 可达 1.61.8。由仿真结果可以看出，波形基本无失真，输出频率带15Mhz附近，符合课程设计要求。四、总结本次课程设计我选择的
19、题目是LC正弦波的设计，根据所学的高频电路知识， 我拟采用西勒电路震荡器，因为它是一种改进型的电容反馈振荡器， 是在克拉泼 电路上改进的来的，具有频率稳定性高，振幅稳定，调频方便等优点。首先，我先对能够实现高频震荡器的几种常见电路进行了分析与论证，经过分析，可以知道的特点：电感三点式振荡器虽然说调频方便， 容易起振但输出波 形不理想。电容三点式振荡器振荡波形好但频率稳定性低。克拉泼振荡器振荡频率改变可不影响反馈系数，振荡幅度比较稳定但可调范围小。西勒振荡器振荡幅 度比较稳定，振荡频率可以较高，做可变频率振荡器时，其波段覆盖系数较大， 波段范围内输出电压幅度比较平稳。综上考虑，我最终采取了西勒电
20、路振荡器。其次，在震荡器的设计中，我首先分析了振荡器的工作原理， 并画出了西勒 电路的原理图与仿真电路图。然后是对电路参数的计算，使其能够达到震荡频率 的要求。由于受实际条件所限，我利用了仿真软件 Multisim来对自己的设计电 路图进行仿真。在仿真的过程中，我对正弦波震荡电路有了更进一步的了解。 通 过这次课程设计，让我更好的掌握了各种电路的测试与计算； 熟悉了电子仿真的 工作原理和其具体的使用方法.更深刻的理解课本知识。明白了正弦波振荡器的 分类方法以及各个类型电路的震荡波形。也逐渐对振荡器的振荡频率、震荡幅度 等相关技术指标有了一定的了解。在本次的设计报告中， 振荡电路接通电源后，有时
21、不起振，或者在外界信 号强烈触发下才起振（硬激励），在波段振荡器中有时只在某一频段振荡，而在 另一频段不振荡等。所有这些现象无非是没有满足相位平衡条件或振幅平衡条 件。如果在全波段内不振荡，首先要看相位平衡条件是否满足。 对三端振荡电路 要看是否满足对应的相位平衡判断标准。止匕外，还要在振幅平衡条件所包含的各 种因素中找原因。1、静态工作点选的太小。2、电源电压过低，使振荡管放大倍数太小。3、负载太重，振荡管与回路间耦合过紧，回路 Q值太低。4、回路特性阻抗p或介入系数pce太小，使回路谐振阻抗RO太低。5、反馈系数kf太小，不易满足振幅平衡条件。但 kf并非越大越好，应适 当选取。在这个设计
22、当中，我学会了振荡电路中的一些基础理论知识， 在设计电路元 件参数的时候首先要考虑电路起振条件和平衡条件，这分别包含振幅条件和相位 条件。正反馈网络是西勒振荡器设计中的一个重要环节，正反馈使输出起到与输 入相似的作用是系统偏差不断增大， 是系统震荡。我还明白了普通电容三点式电 路与克拉泼振荡器以及西勒振荡器之间的不同和优劣。虽然实验做得不是很顺 利，但是我在这个过程中学到了不少以前忽略的细节的重要性。对我以后发展起到了很大的推动作用。五、主要参考文献1张肃文.高频电子线路第四版M.高等教育出版社.2004.112冉晟伊，熊于菽.常用LC正弦波振荡器的特点J.2010.193何中庸译.高频电路设计与制作M.科学出版社.2008.64黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析M.电子工业出版社.2008.1
