LC正弦波振荡器课程设计
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摘要
电子线路中，在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为高频信号发生器。
高频信号发生器主要是产生高频正弦震荡波，电路主要由高频振荡电路构成。振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。它无需外加激励信号。
关键词：高频； LC正弦波振荡器；西勒电路；multisim
目录
摘要 (1)
第1章绪论 (1)
1.1 概述 (1)
1.2 平衡条件 (1)
1.3 起振条件 (1)
1.4 稳定条件 (2)
1.4.1．振幅稳定条件 (2)
1.4.2 相位平衡的稳定条件 (3)
1.5 振荡器的频率稳定度 (4)
1.5.1 频率准确度和频率稳定度 (4)
1.5.2 提高频率稳定度的措施 (4)
1.5.3 LC振荡器的设计考虑 (4)
第2章 LC正弦波振荡器 (5)
2.1 LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则 (5)
2.2 电感三点式振荡器 (5)
2.3 电容三点式振荡器 (6)
2.4 克拉泼和西勒振荡器 (7)
2.4.1克拉泼振荡器 (8)
2.4.2．西勒振荡器 (9)
第3章调试与分析 (10)
3.1 调试中的问题 (10)
3.2 各振荡电路的方案比较与分 (11)
3.2.1 电容三点式振荡的特点： (11)
3.2.2 电感三点式振荡特点： (11)
3.2.3 克拉泼振荡特点： (12)
3.2.4 西勒振荡器特点： (13)
结论 (18)
参考文献 (19)
附录 (20)
致谢 (21)
第1章 绪论
1．1 概述
电子线路中，在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为高频信号发生器
1.2平衡条件
振荡建立起来之后，振荡幅度会无限制地增长下去吗？不会的，因为随着
振荡幅度的增长，放大器的动态范围就会延伸到非线性区，放大器的增益将随之下降，振荡幅度越大，增益下降越多，最后当反馈电压正好等于原输入电压时，振荡幅度不再增大而进入平衡状态。
由于放大器开环电压增益A
和反馈系数F 的表示式分别为 i
o U U A =，o f U U F = （1-1）
且振荡器进入平衡状态后i
f U U =，此时根据式（1-1）可得反馈振荡器的平
衡条件为
1)(==+F A j AFe
F A ?? （1-2）
式中，A 、A ?分别为电压增益的模和相角；F 、F ?分别为反馈系数的模和相角。
式（1-2）又可分别写为
1=AF （1-3）
π??n F A 2=+ n=0，1，2，… （1-4） 式（1-3）和（1-4）分别称为反馈振荡器的振幅平衡条件和相位平衡条件。 作为一个稳态振荡，式（1-3）和（1-4）必须同时得到满足，它们对任何类型反馈振荡器都是适用的。平衡条件是研究振荡器的理论基础，利用振幅平衡条件可以确定振荡幅度，利用相位平衡条件可以确定振荡频率。
必须指出，这里的A
是指放大器的平均增益。因为振荡器处于平衡状态
放大器乙不工作在甲类状态，而工作在非线性的甲乙类、乙类或丙类状态，所以这时放大器乙不能用小信号甲类状态的增益来表示了。
下面以图1.2所示变压器反馈LC 振荡电路为例确定一下平衡条件与放大器、反馈网络参数间的关系。
振荡器处于平衡状态时，放大器进入了非线性区。根据折线分析法可知，集电极电流将变成脉冲状。由图1.2可得放大器开环电压平均增益表示式为
im
p cm i U R I U U A o 1=
= （1-5）
式中，
o U 为负载谐振回路上的基波电压，p
R
为谐振回路谐振电阻。
由
1max 11()()(1cos )
cm C c im I i g U αθαθθ==-
（1-6）
将式（1-6）代入式（1-5），得 101()(1cos )()
c p A g R A αθθγθ=-=
（1-7）
式中，
11()()(1cos )
γθαθθ=-；
p
c R g A =0为起振时（180o
θ=）小信号线性
放大倍数。
由式（1-7）可知，当振幅增大进入非线性工作状态后，通角0
180<θ，故A
下降，直到1=F A
达到平衡状态。此时，振荡器的振幅平衡条件又可表示为 01()1AF A F γθ==
图1.2 变压器反馈LC 振荡电路
?
C
L 谐振放大器
反馈网络
+
_o +
_
i f +_
f +_
1c I ⊕-
⊕
?
U U
U
U
（1-8）
同时，又由图（1-2）可知，振荡器处于平衡状态时，输出电压1
1p c c Z I U =，
即
1
11p fe i p c Z Y U Z I A == ，可得平衡条件的另一表达形式
11=F
Z Y p fe
（1-9）
或者写成如下形式
1
1=F Z Y p fe
（1-10）
π???n F Z Y 2=++ n=0，1，2，… （1-11）
式中，Y
j fe fe e Y Y ?=称为晶体管的平均正向传输导纳，Y ?为集电极电流基波
分量
1
c I 与基波输入电压
i
U 的相位差；
Z
j p p e Z Z ?11=称为谐振回路的基波阻抗，
Z ?为c U 与1c I 之间的相位差；F
j Fe F ?= 称为反馈系数，F ?为f U 与c U 之间的相
位差。
式（1-10）和（1-11）就是用电路参数表示的振幅平衡条件和相位平衡条件。
当振荡器的频率较低时，1c I 与i U 、c U 与1c I 、f U 与c U 都可认为是同相的，也就是说满足0=++F Z Y ???的相位条件。
当振荡器的频率较高时，
1
c I 总是滞后
i
U ，即0 0≠+F Y ??。若要保持相位平衡条件，只有回路工作于失谐状态以产生一个Z ?。这样振荡器的实际工作频率不等于回路的固有谐振频率0 f ， 1 p Z 也不呈现为纯电 阻。 1.3起振条件 式（1-2）是维持振荡的平衡条件，是针对振荡器进入稳态而言的。为了 使振荡器在接通直流电源后能够自动起振，则要求反馈电压在相位上与放大器输入电压同相，在幅度上则要求 f U >Ui ，即 π??n F A 2=+ n=0，1，2，… （1-12） 10 F A （1-13） 式中，A0为振荡器起振时放大器工作于甲类状态时的电压放大倍数。 式（1-12）和（1-13）分别称为振荡器起振的相位条件和振幅条件。由于振荡器的建立过程是一个瞬态过程，而式（1-12）和（1-13）是在稳态下分析得到的，所以从原则上来说，不能用稳态分析研究一个电路的瞬态过程，因而也就不能用式（1-12）和（1-13）来描述振荡器从电源接通后的振荡建立过程，而必须通过列出振荡器的微分方程来研究。但可利用式（1-12）和（1-13）来推断振荡器能否产生自激振荡。因为在起振的开始阶段，振荡的幅度还很小，电路尚未进入非线性区，振荡器可以通过线性电路的分析方法来处理。 综上所述，为了确保振荡器能够起振，设计的电路参数必须满足A0F>1的条件。而后，随着振荡幅度的不断增大，A0就向A 过渡，直到AF=1时，振荡达到平衡状态。显然，A0F 越大于1，振荡器越容易起振，并且振荡幅度也较大。但A0F 过大，放大管进入非线性区的程度就会加深，那么也就会引起放大管输出电流波形的严重失真。所以当要求输出波形非线性失真很小时，应使A0F 的值稍大于1。 1.4稳定条件 当振荡器受到外部因素的扰动（如电源电压波动、 温度变化、噪声干扰等），将引起放大器和回路的参数发生变化破坏原来的平衡状态。如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器越来越偏离原来的平衡状态，从而导致振荡器停振或突变到新的平衡状态，则表明原来的平衡状态是不稳定的。反之，如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能够产生回到原平衡点的趋势，并且在原平衡点附近建立新的平衡状态， 则表明原平衡状态是稳定的。 1.4.1．振幅稳定条件 U om O A F 1A 0 Q U omQ U om O A F 1A 0 Q U omQ U omB B (a ) 软自激的振荡特性 (b ) 硬自激的振荡特性 在平衡条件的讨论中我们曾经指出，放大倍数是振幅Uom 的非线性函数，且起振时，电压增益为A0，随着Uom 的增大，A 逐渐减小。反馈系数则仅取决于外电路参数，一般由线性元件组成，所以反馈系数F （或1/F ）为一常数。为了说明振幅稳定条件的物理概念，在图 1.3（a ）中分别画出反馈型振荡器的放大器电压增益A 和反馈系数的倒数1/F 随振幅Uom 的关系。图1.3（a ）中，Q 点就是振荡器的振幅平衡点，因为在这个点上，A=1/F ，即满足AF=1的平衡条件。那么这一点是不是稳定的平衡点呢？那就要看在此点附近振幅发生变化时，是否具有自动恢复到原平衡状态的能力。 假定由于某种因素使振幅增大超过了UomQ ，由图可见此时A<1/F ，即出现AF<1的情况，于是振幅就自动衰减而回到UomQ 。反之由于某种因素使振幅小于UomQ ，此时A>1/F ，即出现AF>1的情况，于是振幅就自动增大，从而又而回到UomQ 。因此Q 点是稳定平衡点。Q 点是稳定平衡点的原因是，在Q 点附近，A 随Uom 的变化特性具有负的斜率，即 U U om om om U A （1-14） 式（1-14）就是振幅稳定条件。 并非所有的平衡点都是稳定的。如果振荡管的静态工作点取得太低，而且反馈系数F 又较小时，可能会出现图1.3（b ）的另一种振荡特性。这时A 随Uom 的变化特性不是单调下降，而是先随Uom 的增大而上升，达到最大值后，又Uom 的增大而下降。因此，它与1/F 线可能出现两个平衡点Q 点和B 点。其中平衡点Q 满足振幅稳定条件，而平衡点B 不满足稳定条件，因为当振荡幅度稍大于UomB 时，则A>1/F ，即AF>1，成为增幅振荡，振幅越来越大。而当振荡幅度稍低于UomB 时，则AF<1，成为减幅振荡，振幅越来越小，直到停振为止。这种振荡器不能自行起振，除非在起振时外加一个较大的激励信号，使振幅超过B 点，电路才能自动进入Q 点。像这样要预先外加一个一定幅度的信号才能起振的特性称为硬自激。对于图 1.3（a ）所示无需外加激励就能起振的特性称为软自激。一般情况下都是使振荡电路工作于软自激状态，通常应当避免硬自激。 图1.3 自激振荡的振荡特性 1.4.2 相位平衡的稳定条件 相位平衡的稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，电路本身能重新建立起相位平衡点的条件。 由于振荡的角频率就是相位的变化率，即dt d ?ω=，所以当振荡器的相位变化时，频率也必然发生变化。因此相位稳定条件和频率稳定条件实质上是一回事。 图1.4所示以角频率为横坐标，选频网络的相移Z ?为纵坐标，对应某一Q 值的并联谐振回路的相频特性曲线。在相位平衡时，根据式（1-11）有 YF F Y Z ????-=+-=)( （取n=0） （1-15） 为了表示出平衡点，将纵坐标也用与Z ?等值的YF ?-来标度。由图可知，如果振荡电路中0=YF ?，则只有0=Z ?才能使式（1-15）成立，这就是说振荡电路在并联谐振回路的固有谐振频率上满足了相位平衡条件而产生振荡。在一般情况下，0≠YF ?，为了满足相位平衡条件，谐振回路必须提供数值相同但异号的相移。这时，在图中振荡频率c ω处满足相位平衡条件，那么在c ω处是否是稳定 的呢？下面进行分析。 若由于外界某种因素使振荡器相位发生了变化，，例如由YF ?增大到YF ?'，即产生了一个增量YF ??，从而破坏了原来工作于 c ω时的平衡条件。 由于0>?YF ?， 且dt d ?ω=，故引起振荡频率的不断增加。振荡频率的增加，必然使得并联谐振回路的相移Z ?减小，即引入Z ??-的变化。当变化到YF Z ???=?-时，则振 荡器在 c ω'的频率上再一次达到平衡。但是新的稳定平衡点c c c ωωω?+='毕竟还 图1.4 并联谐振回路的相频特性 Z ?YF ?YF ?YF ??YF ?'0ωc ωc ω'c ω?ω 是偏离原来的平衡点。显然，这是为了抵消YF ??的存在必然出现的现象。反之， 若外界因素去掉后，相当于在YF ?'的基础上引入了一个YF ??-增量，调整过程与上述过程相反，则可返回原振荡频率c ω的状态。 具备这样的调整过程是由并联谐振回路的相频特性的斜率为负所决定的，即 ωωω ? （1-16） 式（1-16）就是振荡器的相位稳定条件。需要指出的是，在实际电路中，由于Y ?和F ?都很小，所以可以认为振荡频率主要由并联谐振回路的谐振频率所决定。另外由于并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率，所以说，LC 并联谐振回路不但是决定振荡频率的主要角色，而且是稳定振荡频率的机构。 1.5振荡器的频率稳定度 1.5.1 频率准确度和频率稳定度 一个振荡器除了它的输出信号要满足一定的幅度和频率外，还必须保证 输出信号的幅度和频率的稳定，而频率稳定度更为重要。 评价振荡器频率的主要指标有两个，即准确度和稳定度。 所谓频率准确度是指振荡器实际工作频率f 与标称频率f0之间的偏差，即 0f f f -=? (2-1) 为了合理评价不同标称频率下振荡器的频率偏差，频率准确度也常用其相对值来表示，即 000 f f f f f -= ? (2-2) 频率稳定度通常定义为在一定时间间隔内，振荡器频率的相对偏差的最大值。用公式表示为 频率稳定度=Δfmax / f0｜时间间隔 按照时间间隔长短不同，通常可分为下面三种频率稳定度。 长期频率稳定度：一般指一天以上乃至几个月内振荡频率的相对变化量。这 种变化量主要取决于有源器件、电路元件的老化特性。 短期频率稳定度：一般指一天以内振荡频率的相对变化量，它主要与温度、电源电压变化和电路参数不稳定因素有关。 瞬时频率稳定度：一般指秒或毫秒内振荡频率的相对变化量。这种频率变化一般都具有随机性质并伴随着相位的随机变化，这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰所引起。 以上三种频率稳定度的划分并没有严格的界限，但这种大致的区分还是有一定实际意义的。因为人们更多的是注意短期频率稳定度的提高问题，所以通常所讲的频率稳定度，一般是指短期频率稳定度。 1.5.2提高频率稳定度的措施 由前面分析可知，LC振荡器振荡频率主要取决于谐振回路的参数，也与其它电路元器件参数有关。因此，任何能够引起这些参数变化的因素，都将导致振荡频率的不稳定。这些因素有外界的和电路本身的两个方面。其中，外界因素包括：温度变化、电源电压变化、负载阻抗变化、机械振动、湿度和气压的变化、外界磁场感应等。这些外界因素的影响，一是改变振荡回路元件参数和品质因数；二是改变晶体管及其它电路元件参数，而使振荡频率发生变化的。因此要提高振荡频率的稳外界因素定度可以从两方面入手：一是尽可能减小外界因素的变化；二是尽可能提高振荡电路本身抵御外界因素变化影响的能力。 1．减小外界因素的变化 减小外界因素变化的措施很多，例如为了减小温度变化对振荡频率的影响，可将整个振荡器或谐振回路置于恒温槽内，以保持温度的恒定；采用高稳定度直流稳压源来减小电源电压的波动而带来晶体管工作点电压、电流发生的变化；采用金属屏蔽罩减小外界磁场的变化而引起电感量的变化；采用减震器可减小由于机械振动而引起电感、电容值的变化；采用密封工艺来减小大气压力和湿度变化而带来电容器介电系数的变化；在负载和振荡器之间加一级射极跟随器作为缓冲可减小负载的变化等。 2．提高谐振回路的标准性 所谓谐振回路的标准性是指谐振回路在外界因素变化时，保持其谐振频率不变的能力。回路标准性越高，频率稳定度就越好。实质上，提高谐振回路的标准 性就是从振荡电路本身入手来提高频率的稳定度。 1.5.3 LC 振荡器的设计考虑 1．振荡器电路选择 LC 振荡器一般工作在几百千赫兹至几百兆赫兹范围。振荡器线路主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择。在短波范围，电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以采用。在中、短波收音机中，为简化电路常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。 2．晶体管选择 从稳频的角度出发，应选择f T 较高的晶体管，这样晶体管内部相移较小。通常选择 f T>(3～10) f max 。同时希望电流放大系数β大些，这既容易振荡，也便于减小晶体管和回路之间的耦合。 3．直流馈电线路的选择 为保证振荡器起振的振幅条件，起始工作点应设置在线性放大区；从稳频出发，稳定状态应在截止区，而不应在饱和区，否则回路的有载品质因数Q L 将降低。所以,通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路应采用自偏压。 4．振荡回路元件选择 从稳频出发,振荡回路中电容C 应尽可能大，但C 过大，不利于波段工作；电感L 也应尽可能大，但L 大后，体积大，分布电容大，L 过小，回路的品质因数过小，因此应合理地选择回路的L 、C 。在短波范围，C 一般取几十至几百pF ，L 一般取0.1至几十μH 。 5．反馈回路元件选择 由前述可知,为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振，在静态工作点通常应按下式选择 5 ~3| |0== ∑ F g y F A f 当静态工作点确定后，yf 的值就一定，对于小功率晶体管可以近似为 mV I g y CQ m f 26= = 反馈系数的大小应在下列范围选择 5.0~1.0=F 第2章 LC 正弦波振荡器 以LC 谐振回路作为选频网络的反馈振荡器统称为LC 振荡器，它可以用来产生几十千赫兹到几百兆赫兹的正弦波信号。LC 振荡器按反馈网络结构不同，可分为互感耦合和三点式两大类。 2.1 LC 三点式振荡器相位平衡条件的判断准则 三点式振荡器是指LC 回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组 成的一种振荡器。三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合, 可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点, 是一种广泛应用的振荡电路, 其工作频率可达到几百兆赫。 三点式振荡器原理电路如图2.1所示。其中，Xbe 、Xce 和Xbc 均为电抗元 件。由图2.1可以看出，Xbe 、Xce 和Xbc 构成了决定振荡频率的并联谐振回路，同时也构成了正反馈所需的反馈网络。下面就分析在满足相位平衡条件时，LC 回路中三个电抗元件应具有的性质。 假定LC 回路由纯电抗元件组成，并令回路电流为I ，由图2.1可得 be f X I j U = ce c X I j U -= 为使f U ? 与c U ? 反相，必须要求Xbe 和Xce 为性质相同的电抗元件。 另一方面，在不考虑晶体管电抗效应的情况下，振荡频率近似等于回路的谐振频率。那么，在回路处于谐振状态时，回路呈纯阻性，有 0=++bc ce be X X X （2-1） 由上式可见， Xbc 必须与Xbe (Xce)为性质相反的电抗元件。 综上所述，三点式振荡器构成的一般原则可归纳为：Xbe 和Xce 的电抗性质 图2.1 三点式振荡器原理电路 X be X ce X bc + ― + ― + ― ― + I o U c U f U i U 必须相同，Xbc 与Xbe 、Xce 的电抗性质必须相异。为便于记忆，我们再进一步将三点式振荡器构成的一般原则简述为：“射同它异”，即连接于晶体管射极的两个电抗元件性质必须是相同的，而连接于晶体管基极和集电极的那个电抗元件性质必须是相异的。同样，对于由场效应管或运算放大器构成三点式振荡器的一般原则也可简述为：“源（指源极）同它异”或“同（指同相端）同它异”。 如果与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式振荡器，则称为电容三点式振荡器；如果与发射极相连的两个电抗元件同为电感时的三点式振荡器，则称为电感三点式振荡器。 2.2 电感三点式振荡器 电感三点式振荡器又称哈特莱振荡器，其原理电路如图2.2（a ）所示，图（b ）是其交流等效电路。图（a ）中， Rb1、Rb2和Re 为分压式偏置电阻；Cb 和Ce 分别为隔直流电容和旁路电容；L1、L2和C 组成并联谐振回路，作为集电极交流负载，其中L1相当于图2.1中的Xbe ，L2相当于Xce ，C 相当于Xbc ，谐振回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，符合三点式振荡器的组成原则。由于反馈信号f U ? 由电感线圈L2取得，故称为电感反馈三点式振荡器。 采用与电容三点式振荡电路相似的方法可求得起振条件的公式为 ()ie p oe fe Fg g g F y +'+> 1 （2-2) 式中，各符号的含义仍与考毕兹振荡器相同，只是反馈系数F 的表达式有所不同 M L M L F ++= 12 (2-3) 当线圈绕在封闭瓷芯的瓷环上时，线圈两部分的耦合系数接近于1，反馈系数F 近似等于两线圈的匝数比，即F=N2/N1。 振荡频率的近似为 R b1 R e L VT C b C e C L 1 L 2 VT L 1 L 2 C V CC R b2 ()C M L L LC f 221 21210++= ≈ ππ (2-4) 若考虑goe 、gie 的影响时，满足相位平衡条件的振荡频率值为 ()( )2 21021 M L L g g g LC f ie p oe -'++≈ π (2-5) 式中，L=L1+L2+2M 。 由式 (2-5) 可见，电感三点式振荡器的振荡频率要比式 (2-4) 所示的频率值稍低一些，goe 、gie 越大，耦合越松，偏低得越明显。 2.3 电容三点式振荡器 电容三点式振荡器又称为考毕兹（Colpitts ）振荡器，其原理电路如图2.3（a ）所示。图中Rb1、Rb2、Re 组成分压式偏置电路；Ce 为旁路电容；Cb 、Cc 为隔直流电容；Lc 为高频扼流圈，其作用是为了避免高频信号被旁路，而且为晶体管集电极构成直流通路；L 和C1、C2组成振荡回路，作为晶体管放大器的 负载阻抗。图2.3（b ）是它的交流等效电路。在这个电路中，电容C1相当于图2.3中的Xce ，C2相当于Xbe ，而电感相当于Xbc ，故它符合三点式振荡器的组成原则。 反馈系数F 的表达式 L L 图2.3 电容三点式振荡器 1 b R b C CC V 2 b R C C 2 C 1 C e C L c 2 C 1 C b I I e R L L c I （a ）原理电路 （b ）交流等效电路 b c e f U ce U be U 211 C C C F +≈ （2-6） 不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量C Σ为C1、C2的串联，即 C C C C ≈+= ∑2 11 11 （2-7） 振荡频率的近似为 L C C C C LC f ???? ??+= ≈21 21021 21ππ （2-8） 调解C1C2改变频率时，反馈系数也改变。由于极间电容对反馈振荡器的回路电抗均有影响，所以对振荡器频率也会有影响。而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以电容三点式振荡器的频率稳定度不高。 2.4克拉泼和西勒振荡器 2.4.1克拉泼振荡器 图2.4.1 (a) 为克拉泼振荡器原理电路，(b)为其交流等效电路。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。 图2.4.1 克拉泼振荡器 先不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量C Σ为C1、C2 和C3 的串联，即 (a ) 原理电路 (b ) 交流等效电VT C 1 C 2 L C 3 R e R b2 C b R b1 R c V CC L C 3 C 1 C 2 C ie C oe VT C cb 4 3 211111 C C C C C ≈++= ∑ (2-9) 于是，振荡频率为 4 021 21LC LC f ππ≈ ≈ ∑ (2-10) 使式(2-10)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，提高了振荡频率的稳定度。 2.4.2． 西勒振荡器 4 33 2141111 C C C C C C C +≈+++ =∑ (2-11) 所以振荡频率 () 4302121C C L LC f +≈ ≈ ∑ ππ (2-12) 有设计指标可知 ()z 0.1010 1021 2112 -436-430MH C C L C C L f =?+??=+≈ ）（ππ 也可先设定L 的值：L=10uH ， 由此可求出F C C p 25)43≈+（，也先确定F C p 103=，因此F C p 154=。 用电压表测出反馈电容两端的电压V U 93.1f =,负载的电压是V U 623.0o = 图2.4.2 西勒振荡器 VT L R e C b R b1 R c V CC L C 3 C 1 C 2 C be C ce VT C 4 (a ) 原理电路 (b ) 交流等效电路 C 4 C 3 C 1 C 2 R b2 32.093.1623.0f o ≈== U U F 当回路谐振时1AF =,所以有: 15.332.01 1≈== F A 经EWB 仿真后可观察到起振的过程和稳定后的输出波形如图2-13所示。 示波器观察得出： s t MHz f MHz f MHz f 50733.09267.90.1020=?=?== ?= ?s f f 0 s 3 104.1-? 图2-12 西勒振荡器振荡仿真电路 图2-13 西勒振荡器振荡仿真波形图 第3章调试与分析 3.1调试中的问题 振荡电路接通电源后，有时不起振，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。此外，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、电源电压过底，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ρ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。 3.2各振荡电路的方案比较与分析 3.2.1电容三点式振荡的特点： 1、振荡波形好。 2、电路的频率稳定度较高。工作频率可以做得较高，可达到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。 电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。 3.2.2电感三点式振荡特点： 1、工作频率范围为几百kHz~几MHz； 2、反馈信号取自于L2，其对f0的高次谐波的阻抗较大，因而引起振荡回路的谐波分量增大，使输出波形不理想。 3.2.3克拉泼振荡特点： 1、振荡频率改变可不影响反馈系数； 2、振荡幅度比较稳定。 3、电路中C3为可变电容，调整它即可在一定范围内调整期振荡频率。 前言 (1) 1高频压控振荡器设计原理压控振荡器 (2) 1.1工作原理 (2) 1.2变容二极管压控振荡器的基本工作原理 (2) 2高频压控振荡器电路设计 (4) 2.1设计的资料及设备 (4) 2.2变容二极管压控振荡器电路的设计思路 (4) 2.3变容二极管压控振荡器的电路设计 (4) 2.4实验电路的基本参数 (5) 2.5实验电路原理图 (6) 3高频压控振荡器电路的仿真 (7) 3.1M ULTISIM软件简介 (7) 3.2M ULTISIM界面介绍 (8) 3.2.1电路仿真图 (9) 3.2.2压控振荡器的主要技术指标 (9) 3.3典型点的频谱图 (9) 4高频压控振荡器电路实现与分析 (16) 4.1实验电路连接 (16) 4.2实验步骤 (16) 4.3实验注意事项 (18) 4.4硬件测试 (19) 5心得体会 (21) 参考文献 (22) 压控振荡器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，在LC振荡器决定振荡器的LC 回路中，使用电压控制电容器（变容管），可以在一定的频率范围内构成电调谐振荡器。这种包含有压控元件作为频率控制器件的振荡器就称为压控振荡器。它广泛应用与频率调制器、锁相环路以及无线电发射机和接收机中。 压控振荡器是锁相环频率合成器的重要组成单元，在很大程度上决定了锁相环的性能。在多种射频工艺中，COMS工艺以高集成度、低成本得到广泛的应用。 压控振荡器（VCO）在无线系统和其他必须在一个范围的频率内进行调谐的通信系统中是十分常见的组成部分。许多厂商都提供VCO产品，他们的封装形式和性能水平也是多种多样。现代表面的贴装的射频集成电路（RFIC）VCO继承了近百来工程研究成果。在这段历史当中。VCO技术一直在不断地改进中，产品外形越来越小而相位噪声和调谐线性度越来越好。 对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。 压控振荡器可分为环路振荡器和LC振荡器。环路振荡器易于集成，但其相位噪声性能比LC振荡器差。为了使相位噪声满足通信标准的要求，这里对负阻RC压控振荡器进行了分析。 思考题与习题 3.3 若反馈振荡器满足起振和平衡条件，则必然满足稳定条件，这种说法是否正确？为什 么？ 解：不正确。因为满足起振条件和平衡条件后，振荡由小到大并达到平衡。但当外界因素（温度、电源电压等）变化时，平衡条件受到破坏。若不满足稳定条件，振荡起就不 会回到平衡状态，最终导致停振。 3.4 分析图 3.2.1(a)电路振荡频率不稳定的具体原因？ 解：电路振荡频率不稳定的具体原因是晶体管的极间电容与输入、输出阻抗的影响，电路的工作状态以及负载的变化，再加上互感耦合元件分布电容的存在，以及选频回路接在基极回路中，不利于及时滤除晶体管集电极输出的谐波电流成分，使电路的电磁干扰大，造成频率不稳定。 3.7 什么是振荡器的起振条件、平衡条件和稳定条件？各有什么物理意义？振荡器输出信号 的振幅和频率分别是由什么条件决定的？ 解：（ 1）起振条件： 振幅起振条件A0 F 1 相位起振条件 A F 2n (2) 平衡条件： 振幅平衡条件AF=1 相位平衡条件 A F 2n （ 3）平衡的稳定条件：（n=0,1, ）（n=0,1,） A 振幅平衡的稳定条件0 U 0 相位平衡的稳定条件Z0 振幅起振条件A0F 1 是表明振荡是增幅振荡，振幅由小增大，振荡能够建立起来。振幅平衡条件AF=1 是表明振荡是等幅振荡，振幅保持不变，处于平衡状态。 相位起振条件和相位平衡条件都是 馈，是构成反馈型振荡器的必要条件。 A F2n（n=0,1,），它表明反馈是正反 振幅平衡的稳定条件A/U0<0表示放大器的电压增益随振幅增大而减小，它能 保证电路参数发生变化引起 A 、F 变化时，电路能在新的条件下建立新的平衡，即振幅 产生变化来保证AF=1 。相位平衡的稳定条件Z /<0 表示振荡回路的相移Z 随频率增大而减小是负斜率。它能保证在振荡电路的参数发生变化时，能自动通过频率的变 化来调整 A F = YF Z =0，保证振荡电路处于正反馈。 显然，上述三个条件均与电路参数有关。A是由放大器的参数决定，除于工作点 I 摘要 自激式振荡器是在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅值的交变能量电路。正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。基于频率稳定、反馈系数、输出波形、起振等因素的综合考虑，本次课程设计采用电容三点式振荡器，运用multisim软件进行仿真。根据静态工作点计算出回路的电容电感取值，得出输出频率与输出幅度有效值以达到任务书的要求。 关键词：电容三点式；振荡器；multisim； 目录 1、绪论 (1) 2、方案的确定 (2) 3、工作原理、硬件电路的设计和参数的计算 (3) 3.1 反馈振荡器的原理和分析 (3) 3.2. 电容三点式振荡单元 (4) 3.3 电路连接及其参数计算 (5) 4、总体电路设计和仿真分析 (6) 4.1组建仿真电路 (6) 4.2仿真的振荡频率和幅度 (7) 4.3误差分析 (8) 5、心得体会 (9) 参考文献 (10) 附录 (10) 附录Ⅰ元器件清单 (10) 附录Ⅱ电路总图 (11) 1、绪论 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。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。一个振荡器必须包括三部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持 下去。选频网络则只允许某个特定频率0f能通过，使振荡器产生单一频率的输出。 振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的；一个是反馈电压 U和输入电压i U要相等，这是振幅平衡条件。二是f U和i U必须相位相同，这是相位f 平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。一般情况下，振幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。 本次课程设计我设计的是电容反馈三点式振荡器，电容三点式振荡器，也叫考毕兹振荡器，是自激振荡器的一种，这种电路的优点是输出波形好。电容三点式振荡器是由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。 本课题旨在根据已有的知识及搜集资料设计一个正弦波振荡器，要求根据给定参数设计电路，并利用multisim仿真软件进行仿真验证，达到任务书的指标要求，最后撰写课设报告。报告内容按照课设报告文档模版的要求进行，主要包括有关理论知识介绍，电路设计过程，仿真及结果分析等。 主要技术指标：输出频率9 MHz，输出幅度（有效值）≥5V。 摘要 振荡器的种类很多，适用的范围也不相同，但它们的基本原理都是相同的，都由放大器和选频网络组成，都要满足起振，平衡和稳定条件。然后通过所学的高频知识进行初步设计，由于受实践条件的限制，在设计好后，我利用了模拟软件进行了仿真与分析。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Multisim10.0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。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。 关键词：LC振荡回路；仿真；正弦波信号；Multisim软件； 目录 一、绪论 (1) 二、方案确定 (1) 2．1电感反馈式三端振荡器 (2) 2．2电容反馈式三端振荡器 (3) 2.3 振荡平衡条件一般表达式 (4) 2．4起振条件和稳幅原理 (4) 三、LC振荡器的基本工作原理 (4) 四、总电路设计和仿真分析 (5) 4.1软件简介 (5) 4.2 总电路设计 (7) 4.3 进行仿真 (8) 4.4 各个原件对电路的影响 (11) 五、心得体会 (12) 参考文献 (13) 附录 (14) 电路原理图 (14) 元器件清单 (14) 一、绪论 在本课程设计中，对LC正弦波振荡器的仿真分析。正弦波振荡器用来产生正弦交流信号的电路，它广泛应用于通信、电视、仪器仪表和测量等系统中。在通信方面，正弦波震荡器可以用来产生运载信息的载波和作为接收信号的变频或调解时所需要的本机振荡信号。医用电疗仪中，用高频加热。在课程设计中，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Multisim10.0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。 我利用了仿真软件对电路进行了一写的仿真分析，得到了与理论值比较相近的结果，这表明电路的原理设计是比较成功的，本次课程设计也是比较成功的。 本课程设计中要求设计的正弦波振荡器能够输出稳定正弦波信号，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、方案确定 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。我们这里研究的主要是LC三端式振荡器。 《电子设计基础》 课程报告 设计题目： RC正弦波振荡器电路设计及仿真学生班级： 学生学号： 学生姓名： 指导教师： 时间： 成绩： 西南xx大学 信息工程学院 一.设计题目及要求 RC正弦波振荡器电路设计及仿真，要求： （1）设计完成RC正弦波振荡器电路； （2）仿真出波形，并通过理论分析计算得出频率。 二.题目分析与方案选择 在通电瞬间电路中瞬间会产生变化的信号且幅值频率都不一样，它们同时进入放大网络被放大，其中必定有我们需要的信号，于是在选频网络的参与下将这个信号谐振出来，进一步送入放大网络被放大，为了防止输出幅值过大所以在电路中还有稳幅网络（如图一中的两个二极管），之后再次通过选频网络送回输入端，经过多次放大稳定的信号就可以不断循环了，由于电路中电容的存在所以高频阻抗很小，即无法实现放大，且高频在放大器中放大倍数较小。 三.主要元器件介绍 10nf电容两个；15kΩ电阻一个；10kΩ电阻三个；滑动变阻器一个；2.2k Ω电阻一个；二极管两个；运算放大器；示波器 四.电路设计及计算 电路震荡频率计算： f=1/2πRC 起振的复制条件：R f/R i>=2 其中R f=R w+R2+R3/R d 由其电路元件特性 R=10KΩ C=10nF 电路产生自激震荡，微弱的信号1/RC 经过放大，通过反馈的选频网络，使输出越来越大，最后经过电路中非线性器件的限制，使震荡幅度稳定了下来，刚开始时A v=1+R f/R i >3。 平衡时A v=3，F v=1/3(w=w0=1/RC) 五.仿真及结果分析 在multisim中进行仿真，先如图一连接好电路，运行电路，双击示波器，产生波形如下图 图2 刚开始运行电路时，输出波形如图2，几乎与X轴平行，没有波形输出。 LC正弦波振荡电路详解 LC正弦波振荡电路与RC桥式正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相同的，只是选频网络采用LC电路。在LC振荡电路中，当f=f0时，放大电路的放大倍数数值最大，而其余频率的信号均被衰减到零；引入正反馈后，使反馈电压作为放大电路的输入电压，以维持输出电压，从而形成正弦波振荡。由于LC正弦波振荡电路的振荡频率较高，所以放大电路多采用分立元件电路。 一、LC谐振回路的频率特性 LC正弦波振荡电路中的选频网络采用LC并联网络，如图所示。图(a)为理想电路，无损耗，谐振频率为 （推导过程如下） 公式推导过程： 电路导纳为 令式中虚部为零，就可求出谐振角频率 式中Q为品质因数 当Q>>1时，，所以谐振频率 将上式代入，得出 当f=f0时，电抗 当Q>>1时，，代入，整理可得 在信号频率较低时，电容的容抗() 很大，网络呈感性；在信号频率较高时，电感的 感抗()很大，网络呈容性；只有当f=f0时， 网络才呈纯阻性，且阻抗最大。这时电路产生电 流谐振，电容的电场能转换成磁场能，而电感的 磁场能又转换成电场能，两种能量相互转换。 实际的LC并联网络总是有损耗的，各种损耗等 效成电阻R，如图(b)所示。电路的导纳为 回路的品质因数 （推导过程如下）公式推导过程： 电路导纳为 令式中虚部为零，就可求出谐振角频率 式中Q为品质因数 当Q>>1时，，所以谐振频率 将上式代入，得出 当f=f0时，电抗 当Q>>1时，，代入，整理可得 上式表明，选频网络的损耗愈小，谐振频率相同时，电容容量愈小，电感数值愈大，品质因数愈大，将使得选频特性愈好。 当f=f0时，电抗（推导过程如下） 目录 1 引言 (2) 2 振荡器的原理 (5) 2.1 振荡器的功能、分类与参数 (5) 2.2 起振条件 (9) 2.3 压控振荡器的数学模型 (10) 3 利用ADS仿真与分析 (11) 3.1 偏置电路的的设计 (12) 3.2 可变电容VC特性曲线测试 (13) 3.3 压控振荡器的设计 (15) 3.4 压控振荡器相位噪声分析 (18) 3.5 VCO振荡频率线性度分析 (23) 4 结论 (24) 致谢 (25) 参考文献 (25) 压控振荡器的设计与仿真 Advanced Design System客户端软件设计 电子信息工程（非师范类）专业 指导教师 摘要：ADS可以进行时域电路仿真，频域电路仿真以及数字信号处理仿真设计，并可对设计结果进行成品率分析与优化，大大提高了复杂电路的设计效率。本论文运用ADS仿真软件对压控振荡器进行仿真设计，设计出满足设计目标的系统，具有良好的输出功率，相位噪声性能及震荡频谱线性度。本论文从器件选型开始，通过ADS软件仿真完成了有源器件选型，带通滤波器选型，振荡器拓扑结构确定，可变电容VC特性曲线，瞬态仿真及谐波平衡仿真。实现了准确可行的射频压控振荡器的计算机辅助设计。关键字：压控振荡器，谐波平衡仿真，ADS 1 引言 振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压:在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热;某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制;电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。尤其在通信系统电路中，压控振荡器(VCO)是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。 人们对振荡器的研究未曾停止过。从早期的真空管时代当后期的晶体管时代，无论是理论上还是电路结构和性能上，无论是体积上还是制作成本上无疑都取得了飞跃性的 第五章 正弦波振荡器 5－1 把题图5－1所示几个互感反馈振荡器交流等效电路改画成实际电路，并注明变压器的同名端（极性）。 5－9 用相位平衡条件的判断规则说明题5－2所示几个三点振荡器交流等效电路中，哪个电路是正确的（可能振荡），哪个电路是错误的（不可能振荡）。 [解]： （a ）、（b ）、（c ）不能振荡。（d ）、（e ）、（f ）可能振荡，但（e ）应满足 11011C L g = >ωω （f ）应满足11221 1 C L C L > 使0201ωωω< 华侨大学电子工程系 电子电路设计实验 模数电技术 Lab # 4 正弦波振荡器设计 实 验 时 间2016 年第 周 机电信息实验大楼Ａ526 文 档 名 称 正弦波振荡器设计 文 档 类 型 实验教学文档 文 档 撰 写 HWW 文 档 版 本 Ver：1.2 更 新 时 间 2014.04.15 更 新 内 容 结构调整，优化已知错误 文 档 更 新 新建文档，配套实验报告 支 持 软 件 NI Multisim 12 适 用 专 业 电子信息工程/集成电路设计专业华侨大学厦门专用集成电路与系统重点实验室 国立华侨大学 信息科学与工程学院电子工程系 电子电路设计实验 模数电技术 #4 正弦波振荡器设计 实验指导教师：HWW 实验时间：：2016- - ： - ： 地点：机电信息实验大楼Ａ526 实验要求说明： 1.完成实验报告内容中的预习部分的内容 2.独立完成实验，实验中不清楚的可以相互讨论或询问指导老师 3.数据严禁抄袭，发现抄袭现象，抄袭者和被抄袭者本次实验都得0分 4.实验需要先打印实验报告第一页，用于实验数据签字确认，实验完成后经实验指导老师签字后方可离开。数据记录中因为存在仿真波形抓取，所以等实验完成后再打印实验报告后几页。 5.本次实验的实验报告(封面+实验内容装订一起)在下次实验课时一起缴交 正弦波振荡器概述 运放振荡器是有意设计成维持不稳定状态的电路，可以用来产生均匀的信号，这种均匀的信号可以在许多运用中作为基准信号：比如可以应用在音频电路、函数发生器、数字系统和通信系统。振荡器可以分为两大类：正弦波振荡器和张弛振荡器、正弦波振荡器由放大器和RC或LC电路构成，这种振荡器的频率是可调的；正弦波振荡器也可以使用晶振构成，但是晶振的振荡频率是固定的。弛张振荡器可以用来产生三角波、锯齿波、方波、脉冲波或指数型波形。本实验讨论的是正弦波振荡器的设计。 运放的正弦波振荡器的工作不需要外加输入信号，这种振荡器利用了正反馈或负反馈的某些组合把运放驱动到不稳定的状态，这样输出就不断的来回翻转。振荡的幅度和频率可以通过围绕中心运放的那些无源和有源器件共同设定。 需要注意的是运放的振荡器被限制在频谱的低频区，因为运放没有足够的带宽以实现高频下的低相移。电压反馈运放被限制在很低的数千赫范围，因为开路的主极点可以低到10Hz。晶振可以拥有高到数百兆赫的高频范围。 图4.1 带有正反馈或负反馈的反馈系统 压控振荡器（VCO 一应用范围 用于各种发射机载波源、扩频通讯载波源或作为混频器本振源。 二基本工作原理 利用变容管结电容Cj 随反向偏置电压VT 变化而变化的特点（VT=OV 时Cj 是最大值，一 般变容管VT 落在2V-8V 压间，Cj 呈线性变化，VT 在8-10V 则一般为非线性变化，如图1 所示，VT 在10-20V 时，非线性十分明显），结合低噪声振荡电路设计制作成为振荡器，当 改变变容管的控制电压，振荡器振荡频率随之改变，这样的振荡器称作压控振荡器（VCO 。 压控振荡器的调谐电压 VT 要针对所要求的产品类别及典型应用环境（例如用户提供调谐要 求，在锁相环使用中泵源提供的输出控制电压范围等 ）来选择或设计，不同的压控振荡器， 对调谐电压VT 有不同的要求，一般而言，对调谐线性有较高要求者， VT 选在1-10V ，对宽 频带调谐时，VT 则多选择1-20V 或1-24V 。图1为变容二极管的V — C 特性曲线。 图1变容二极管的V — C 特性曲线 三压控振荡器的基本参数 1工作频率：规定调谐电压范围内的频率范围称作工作频率，通常单位为“ MHZ 或 “GHz 。 2输出功率：在工作频段内输出功率标称值，用 Po 表示。通常单位为“ dBmW 。 3输出功率平稳度：指在输出振荡频率范围内，功率波动最大值，用△ P 表示，通常 单位为“ dBmW 。 4调谐灵敏度：定义为调谐电压每变化1V 时，引起振荡频率的变化量，用 MHz/ △ VT 表示，在线性区，灵敏度最咼，在非线性区灵敏度降低。 5谐波抑制：定义在测试频点，二次谐波抑制 =10Log （P 基波/P 谐波）（dBmw ）。 6推频系数：定义为供电电压每变化1V 时，引起的测试频点振荡频率的变化量，用 MHz/V 表 示。 7相位噪声：可以表述为，由于寄生寄相引起的杂散噪声频谱，在偏移主振 f0为fm 的带内，各杂散能量的总和按fin 平均值+15f0点频谱能量之比，单位为dBC/Hz 相位噪 声特点是频谱能量集中在f0附近，因此fm 越小，相噪测量值就越大，目前测量相噪选定 WV) 0 8 10 目录 摘要 (2) 1．系统基本方案 (2) 1.1 正弦波振荡电路的选择与论证 (2) 1.2. 运算放大器的选择 (3) 1.3最终的方案选择 (3) 2.正弦波发生器的工作原理 (3) 2.1正弦波振荡电路的组成 (3) 2.1.1 RC选频网络 (3) 2.1.2放大电路 (6) 2.1.3正反馈网络 (6) 2.2产生正弦波振荡的条件 (6) 2.3.判断电路是否可能产生正弦波的方法和步骤 (7) 3．系统仿真 (7) 4．结论 (8) 参考文献： (11) 附录 (13) 1KHZ 桥式正弦波震荡器电路的设计与制作 摘要 本设计的主要电路采用文氏电桥振荡电路。如图1-1文氏桥振荡电路由放大电路和选频网络两部分组成,施加正反馈就产生振荡，振荡频率由RC 网络的频 率特性决定。它的起振条件为： ，振荡频率为： 。运算放大 器选用LM741CN,采用非线性元件（如温度系数为负的热敏电阻或JFET ）来自动调节反馈的强弱以维持输出电压的恒定，进而达到自动稳幅的目的，这样便可以保证输出幅度为2Vp-p ；而频率范围的确定是根据式RC f π21 0= 以及题目给出的频 率范围来确定电阻R 或电容C 的值，进而使其满足题目的要求。 关键词：文氏电桥、振荡频率、LM741CN 1．系统基本方案 1.1 正弦波振荡电路的选择与论证 本设计选用文氏电桥振荡电路。 图1 RC 桥式振荡电路 这种电路的特点是：它由放大器即运算放大器与具有频率选择性的反馈网络构成，施加正反馈就产生振荡。振荡频率由RC 网络的频率特性决定。它的起振条件为： 12R R f > 。它的振荡频率为：RC f π21 0= 。 1.2. 运算放大器的选择 考虑到综合性能和题目要求的关系这里我们选用LM741CN 作为运算放大。 1.3最终的方案选择 文氏电桥振荡电路适用的频率范围为几赫兹到几千赫兹，可调范围宽，电路简单易调整，同时波形失真系数为千分之几。很适合我们题目的要求。故采用文氏电桥振荡电路. RC 文氏电桥振荡电路是以RC 选频网络为负载的振荡器. 这个电路由两部分组成，即放大电路和选频网络。放大电路由集成运放所组成的电压串联负反馈放大电路，取其输入阻抗高和输出阻抗低的特点。而选频网络则由Z1、Z2组成，同时兼做正反馈网络。 2正弦波发生器的工作原理 2.1正弦波振荡电路的组成 放大电路 选频网络 正反馈网络 2.1.1 RC 选频网络 高频电子线路课程设计报告 题目: LC正弦波振荡器的设计 学院: 专业班级: 姓名: 学号: 指导教师: 二〇一三年一月八日 摘要：振荡器（英文：oscillator）是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。其构成的电路叫振荡电路，能将直流信号转换为具有一定频率的交流电信号输出。振荡器的种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。 三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合, 可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点, 是一种广泛应用的振荡电路, 其工作频率可达到几百兆赫。本文将围绕高频电感三点式正弦波振荡器进行具有具体功能的振荡器的理论分析与设计。 关键词：高频三点式正弦波振荡器。 目录 1系统方案设计 (4) 1.1设计说明及任务要求 (4) 1.1.1设计说明 (4) 1.1.2设计要求 (5) 1.2 方案1 (6) 1.3 方案2 (7) 2电路设计 (8) 2.1工作原理 (8) 2.2设计内容 (9) 2.2.1原理图 (9) 2.2.2参数计算 (9) 2.2.2注意事项 (10) 3系统测试 (10) 3.1振荡器正常工作 (10) 3.2实现输出频率可变功能 (10) 4结论 (11) 5参考文献 (11) 6附录 (11) 6.1元器件明细表 (11) 6.2电路图图纸.......................................................................................... 错误！未定义书签。 6.2.1Altium Designer 原理图设计 (12) 6.2.2PCB制作 (13) 6.2.3成品展示 (13) 6.3电路使用说明 (13) 实验二压控LC 电容三点式振荡器设计及仿真 一、实验目的 1、了解和掌握LC 电容三点式振荡器电路组成和工作原理。 2、了解和掌握压控振荡器电路原理。 3、理解电路元件参数对性能指标的影响。 4、熟悉电路分析软件的使用。 二、实验准备 1、学习LC 电容三点式西勒振荡器电路组成和工作原理。 2、学习压控振荡器的工作原理。 3、认真学习附录相关内容，熟悉电路分析软件的基本使用方法。 三、设计要求及主要指标 1、采用电容三点式西勒振荡回路，实现振荡器正常起振，平稳振荡。 2、实现电压控制振荡器频率变化。 3、分析静态工作点，振荡回路各参数影响，变容二极管参数。 4、振荡频率范围：50MHz~70MHz，控制电压范围3~10V。 5、三极管选用MPSH10（特征频率最小为650MHz，最大IC 电流50mA，可 满足频率范围要求），直流电压源12V，变容二极管选用MV209。 四、设计步骤 1、整体电路的设计框图 整个设计分三个部分，主体为LC 振荡电路，在此电路基础上添加压控部分，设计中采用变容二极管MV209 来控制振荡器频率，由于负载会对振荡电路的 频 率产生影响，所以需要添加缓冲器隔离以使振荡电路不受负载影响。 2、LC 振荡器设计 首先应选取满足设计要求的放大管，本设计中采用MPSH10 三极管，其特征频率f T=1000MHz。LC 振荡器的连接方式有很多，但其原理基本一致，本实验中采用电容三点式西勒振荡电路的连接方式，该振荡电路在克拉泼振荡电路的基础上进行了细微的改良，增加了一个与电感L 并联的电容，主要利用其改变频率而不对振荡回路的分压比产生影响的特点。电路图如下所示： 第三章 正弦波振荡器习题解 3-5 (a) 不振。不满足正反馈；(b)能振。变压器耦合反馈振荡器；(c)不振。不满足三点式振荡电路的组成法则；(d)能振。当ω1<ωosc <ω2(ω1、ω2分别L 1C 1、L 2C 2谐振频率)，即L 2C 2回路呈感性，L 1C 1回路呈容性，组成电感三点式振荡电路；(e)能振。计入结电容e 'b C ，组成电容三点式振荡电路；(f)能振。 (b) 当ω1、ω2<ωosc (ω1、ω2分别L 1C 1并联谐振回路、L 2C 2串联谐振回路谐振频率)时，L 1C 1回路呈容性，L 2C 2回路呈感性，组成电容三点式振荡电路。 3-6 交流通路如图3-6所示。 (a)、(c)、(f)不振；不满足三点式振荡电路的组成法则；(b)、(d)、(e)、(g)能振。(b)、(d)为电容三点式振荡电路，其中(d)的管子发射结电容e 'b C 成为回路电容之一，(e)为电感三点式振荡电路，(g)LC 1o osc = ω≈ω,电路 同时存在两种反馈。由于LC 串联谐振回路在其谐振频率o ω上呈现最小的阻抗，正反馈最强，因而在o ω上产生振荡。 L 图3-7 C L 2 L 1 T C R C L 1 L 2 M T R E L C 2 C 1 T C L 1 L 2 R D T R E1 R E3 C L R C1 R C2 R T 1 T 2 C 2 C 1 L T (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) 3-7 按并联谐振回路相频特性可知：在电感三点式振荡电路中ωo3<ωosc <ωo1、ωo2,在电容三点式振荡电路中ωo1、ωo2<ωosc <ωo3。振荡电路如图3-7所示，图中 1C C 、2C C 、B C 、E C 对交流呈短路。设1B R 、2B R 阻抗较大，对回路影响不大。 3-8 改正后的电路如图3-8所示。 说明，图(c)中可在2B R 两端并联旁路电容B C 。 3-9 图(a)满足正反馈条件，LC 并联回路保证了相——频特性负斜率，因而满足相位稳定条件，电路可振。图(b)不满足正反馈条件，将1T 基极开路，反馈电压f V 比1i V 滞后一个小于 90的相位。图(c)不满足正反馈条件，不振。 3-10 用万用表测量发射极偏置电阻E R 上的直流电压：先使振荡器停振（例如回路线 (a) B C C R B1 R B2 E CC C CC R B1 R B2 (b) (c) (e) (f) (g) R f 通信基本电路课程设计报告设计题目：LC正弦波振荡器设计 专业班级电信10-03 学号 311008001022 学生姓名王勇 指导教师高娜 教师评分 2012年12月4日 目录 第一章设计任务与要求 (3) 1.1. 设计任务 (3) 1.2. 设计要求 (3) 第二章总体方案 (3) 2.1振荡器的选择 (3) 2.2信号输出波形的仿真选择 (4) 第三章电路工作原理 (4) 3.1 LC三点式振荡组成原理图 (4) 3.2 起振条件 (5) 3.3 频率稳定度 (5) 3.4 总原理图 (6) 3.5 LC振荡模块设计 (7) 第四章电路制作和调试 (12) 4.1元器清单 (12) 4.2 按设计电路安装元器件 (14) 4.3 测试点选择 (14) 4.4调试 (14) 4.5 实验结果与分析 (15) 4.6频率稳定度 (16) 第五章总结 (16) 第六章参考文献 (17) 第一章设计任务与要求 1.1 设计任务 (1).熟悉LC正弦波振荡器的工作原理，以及示波器的原理及用法。 (2).掌握LC正弦波振荡器的基本设计方法。 (3).理解LC正弦波振荡回路并掌握LC振荡器的设计，装载，调试，及其主要性能参数的测试方法和如何选择电路的测试点。 (4).了解外界因素、元件参数对振荡器工作稳定性及频率稳定度的影响情，以便提高振荡器的性能。 1.2 设计要求 (1).设计一个LC正弦波频振荡器。 (2).利用三端式振荡器原理产生正弦波信号，采用的具体电路不限。要求给出所选电路的优点和缺点并通过测量值进行证明。也可以进行不同三端式振荡器的性能比较。 (3).了解电路分布参数的影响及如何正确选择电路的静态工作点。 (4).电路的基本原理，LC正弦波振荡器是各种接收机和发射机中一种常见的电路，常用作载波振荡、本振混频振荡等。其典型形式为“三点式”振荡电路，其电路简单、频率稳定度高，它的工作原理是在正反馈的基础上，将直流电源提供的能量变成正弦交流输出。 (5).选择所需的方案，画出有关的电路原理图。 第二章总体方案 2.1振荡器的选择 LC振荡器的电路种类比较多，根据不同的反馈方式，又可分为互感反馈振荡器，电感反馈三点式振荡器，电容反馈三点式振荡器，其中互感反馈易于起振，但稳定 3-1 若反馈振荡器满足起振和平衡条件，则必然满足稳定条件，这种说法是否正确？为什么？ 解：否。因为满足起振与平衡条件后，振荡由小到大并达到平衡。但当外界因素(T 、V CC )变化时，平衡条件受到破坏，若不满足稳定条件，振荡器不能回到平衡状态，导致停振。 3-2 一反馈振荡器，欲减小因温度变化而使平衡条件受到破坏，从而引起振荡振幅和振荡频率的变化，应增大 i osc )(V T ??ω和ω ω???) (T ，为什么？试描述如何通过自身调节建立新平衡状态的过程（振幅和相位）。 解：由振荡稳定条件知： 振幅稳定条件： 0) (iA i osc 3-5 试判断下图所示交流通路中，哪些可能产生振荡，哪些不能产生振荡。若能产生振荡，则说明属于哪种振荡电路。 解： (a) 不振。同名端接反，不满足正反馈； (b) 能振。变压器耦合反馈振荡器； 第一章 设计内容 第一节：设计题目：正弦波振荡电路的设计与实现 第二节：设计指标 振荡频率: f=7MHZ ； 频率稳定度:小时/105/30-?≤?f f ； 电源电压：V=12V ； 波形质量 较好； 第三节： 方案设计与选择 LC 振荡器的电路种类比较多，根据不同的反馈方式，又可分为互感反馈振荡器，电感反馈三点式振荡器，电容反馈三点式振荡器，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。 所以选择电容反馈三点式振荡器是不容置疑的，而电容反馈三点式振荡器又分为考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器。本次课程设计我们选择考毕兹振荡器,因为此振荡电路适用于较高的工作频率。 第二章 设计原理 第一节 自激振荡的工作原理 正弦波振荡器：一种不需外加信号作用，能够输出不同频率正弦信号的自激振荡电路。 LC 回路中的自由振荡如图1(a)所示。 自由振荡——电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。 阻尼振荡——因损耗等效电阻R 将电能转换成热能而消耗的减幅振荡。图1(b)所示。 等幅振荡——利用电源对电容充电，补充电容对电感放电的振荡过程，图1(c) 所示。这种等幅正弦波振荡的频率称为LC 回路的固有频率，即 LC f π= 210 图1 LC 回路中的电振荡 一、自激振荡的条件 振荡电路如图2所示。 振荡条件：相位平衡条件和振幅平衡条件。 1．相位平衡条件 反馈信号的相位与输入信号相位相同，即为正反馈，相位差是180?的偶数倍，即 ?=2n π 。其中，? 为vf 与vi 的相位差，n 是整数。vi 、vo 、vf 的相互关系参见图3。 2.振幅平衡条件 反馈信号幅度与原输入信号幅度相等。即 AVF=1 图2 变调谐放大器为振荡器 图3 自激振荡器方框图 二、自激振荡建立过程 自激振荡器：在图2中，去掉信号源，把开关S 和点“2”相连所组成的电路。 综合设计 正弦波振荡器的设计与测试 一．实验目的 1． 掌握运用Multisim 设计RC 振荡电路的设计方法 2． 掌握RC 正弦波振荡器的电路结构及其工作原理 3． 熟悉RC 正弦波振荡器的调试方法 4． 观察RC 参数对振荡器的影响，学习振荡器频率的测定方法 二．实验原理 在正弦波振荡电路中，一要反馈信号能够取代输入信号，即电路中必须引入正反馈；二要有外加 的选频网络，用以确定振荡频率。正弦波振荡的平衡条件为：.. 1AF = 起振条件为.. ||1AF > 写成模与相角的形式：.. ||1AF = 2A F n πψ+ψ=（n 为整数） 电路如图1所示： 1． 电路分析 RC 桥式振荡电路由RC 串并联选频网络和同相放大电路组成，图中RC 选频网络形成正反馈电路， 决定振荡频率0f 。1R 、f R 形成负反馈回路，决定起振的幅值条件，1D 、2D 是稳幅元件。 该电路的振荡频率 ： 0f =RC π21 ① 起振幅值条件：311 ≥+ =R R A f v ② 式中 d f r R R R //32+= ，d r 为二极管的正向动态电阻 2． 电路参数确定 （1） 根据设计所要求的振荡频率0f ，由式①先确定RC 之积，即 RC= 21 f π ③ 为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻i R 和输出电阻o R 的影响，应使 R 满足下列关系式：i R >>R>>o R 一般i R 约为几百千欧以上，而o R 仅为几百欧以下，初步选定R 之后，由式③算出电容C 的值，然后再算出R 取值能否满足振荡频率的要求 （2） 确定1R 、f R ：电阻1R 、f R 由起振的幅值条件来确定，由式②可知f R ≥21R ， 通常 取f R =（2.1~2.5）1R ，这样既能保证起振，也不致产生严重的波形失真。此外，为了减小输入失调电流和漂移的影响，电路还应满足直流平衡条件，即： R=1R //f R （3） 确定稳幅电路：通常的稳幅方法是利用v A 随输出电压振幅上升而下降的自动调节作用实 现稳幅。图1中稳幅电路由两只正反向并联的二极管1D 、2D 和电阻3R 并联组成，利用二极管正向动态电阻的非线性以实现稳幅，为了减小因二极管特性的非线性而引起的波形失真，在二极管两端并联小电阻3R 。实验证明，取3R ≈d r 时，效果最佳。 三．实验任务 1．预习要求 （1） 复习RC 正弦波振荡电路的工作原理。 （2） 掌握RC 桥式振荡电路参数的确定方法 2． 设计任务 设计一个RC 正弦波振荡电路。其正弦波输出要求： （1） 振荡频率：接近500Hz 或1kHz 左右，振幅稳定，波形对称，无明显非线性失真 （2）* 振荡频率：50Hz~1kHz 可调，其余同（1） 四．实验报告要求 1． 简述电路的工作原理和主要元件的作用 2． 电路参数的确定 3． 整理实验数据，并与理论值比较，分析误差产生的原因 4． 调试中所遇到的问题以及解决方法 五．思考题 1． 在RC 桥式振荡电路中，若电路不能起振，应调整哪个参数？若输出波形失真应如何调整？ 2． 简述图-1中21D D 和的稳幅过程。 六．仪器与器件 仪器： 同实验2 单管 器件： 集成运算放大器μA741 二极管 1N4001 电阻 瓷片电容 若干 目录 摘要： (1) 0 前言 (2) 1 振荡器 (2) 1.1 什么是振荡器 (2) 1.2 振荡器的相关知识 (2) 1.3 反馈式振荡器的原理知识 (3) 2 正弦波振荡电路振幅条件的判定方法 (3) 3 LC正弦波振荡电路相位条件的判定方法 (5) 3.1 变压器耦合振荡器 (5) 3.2 三点式振荡器 (6) 4 判断三点式振荡器是否满足相位条件的简单方法 (9) 4.1 晶体管极间支路的电抗特性的分析 (9) 4.2 判断方法的实例应用 (14) 5 结论 (16) 参考文献 (16) 浅析LC正弦波振荡电路振荡的判断方法 摘要： 本文主要对LC正弦波振荡电路能否振荡的判断方法进行了浅要分析。当振荡电路同时满足起振的振幅条件和相位条件时就能产生振荡。于是本文主要阐述了正弦波振荡电路振幅条件的判定方法和LC正弦波振荡电路相位条件的判定方法。针对较复杂的三点式振荡器相位条件的辨别，通过对晶体管极间支路的电抗性质进行较全面的分析，并作出总结，之后利用这些结论，可使判断过程大大简化。 关键词： LC正弦波振荡电路；振幅条件；相位条件；电抗性质 0 前言 正弦波振荡器是《通信电子线路》一书中的重点章节。本文试图通过对LC正弦波振荡电路能否振荡的判断方法的浅要分析，来更深入地理解该章内容。 在实践中，正弦波振荡器有着相当广泛的应用。如在通讯、广播、电视系统中用作载波信号源，在工业方面用于高频加热、熔炼、淬火、超声波焊接，在医学方面用于超声诊断、核磁共振成象等。由此可见，学好正弦波振荡器是十分必要的！ 从结构上看，正弦波振荡器就是一个没有输入信号的带有选频网络的正反馈放大器。它也是一种能量转换器，无需外加信号，就能自动地把直流电转换成具有一定频率、一定波形和一定幅度的正弦交流电。 正弦波振荡器一般可分为：RC正弦波振荡器、LC正弦波振荡器、石英晶体振荡器，其中LC正弦波振荡器又可分为：变压器耦合振荡器、三点式振荡器。 本文通过对LC正弦波振荡电路的分析说明：当振荡电路同时满足起振的振幅条件和相位条件时就能产生振荡。需要特别指出的是，当三点式振荡器符合“射同基反”的构成原则时，就满足了振荡的相位条件[1-2]；对于电路较复杂的三点式振荡器，通过分析晶体管极间支路的电抗性质，并利用其分析结果，可以使其相位条件的判断过程大大简化。 1 振荡器 1.1 什么是振荡器 不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路称为振荡器。 1.2 振荡器的相关知识 1.2.1振荡器的分类 1高频压控振荡器设计
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