电容三端式振荡器(克拉泼振荡器)高频课设.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位：信息工程学院 题 目: 电容三端式振荡器（克拉泼振荡器） 初始条件：计算机、Multisim软件要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：1周2、技术要求：（1）学习Multisim软件。（2）正常工作状况时的波形图。（3）起振条件的仿真，要求改变偏置电阻、相位电容和电源电压值，再观察起振波形和振荡电压的变化情况。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：2014.9.18 下达任务书2014.9.19-9.26 根据要求设计电路，在计算机上仿真，并撰写课程设计报告书；2014年9月28日上午，鉴主13楼实验室答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘要IAbstractII1绪论12绪论设计方案及原理1 2.1克拉泼振荡器简介2 2.2 设计方案2 2.3 设计原理4 2.4 参数计算53 Multisim仿真分析6 3.1 软件介绍6 3.2 克拉泼振荡器的仿真7 3.3 仿真结果分析114心得体会12参考文献13附录14武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书摘要克拉泼振荡器是电容三点式振荡器的改进型电路，属于LC振荡器的一种，它的振荡频率改变不影响反馈系数，振荡幅度比较稳定，广泛应用于各类电子设备中，克拉泼振荡器频率覆盖率较小，因此克拉泼振荡器适合作为固定频率的振荡器。本文首先介绍了克拉泼振荡器的理论基础，紧接着计算了所设计电路的参数，从理论上论证了此电路的可行性，随后运用Multisim软件绘制了所设计的克拉泼振荡器并进行仿真，得到仿真结果，最后对仿真结果进行分析，并与理论值和理论波形进行比较。关键词：克拉泼振荡器；Multisim；振荡频率；幅度AbstractCarat oscillator is the improved circuit of three-point capacitance oscillator, belongs to a kind of LC oscillator, the oscillation frequency changes will not affect the feedback coefficient of oscillation amplitude is stable, widely used in all kinds of electronic equipment, carat spilt oscillator frequency coverage is small, so the carat spilt oscillator for a fixed frequency oscillator.This article first introduces the theory foundation of carat spilt oscillator was followed by the calculation of the designed circuit parameters, theoretically demonstrates the feasibility of this circuit, and then use Multisim software made by carat spilt oscillator design and simulation, simulation results, finally the results of simulation is analyzed, and compared with the theoretical value and theoretical waveform.Keywords: Carat spilt oscillator;Multisim;Oscillation frequency;amplitude 武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书1绪论在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期信号的电子电路，这种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振荡器。振荡器的种类很多，根据工作原理可以分为反馈型振荡器和负阻型振荡器。根据选频网络采用的器件可分为LC振荡器、晶体振荡器、变压器耦合振荡器等。振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。为此,振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路,也是从事电子技术工作人员必须要熟练掌握的基本电路。共基电容三点式振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，振荡幅度就不再增大了。于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于是得到单一频率的振荡信号输出。共基电容三点式振荡器的优点是：振荡波形好；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，若用调电容实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，改进电路的特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容串联于电感支路，功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频率的稳定度得以提高。与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感L支路上串联一个电容，它有以下特点：振荡频率改变可不影响反馈系数；振荡幅度比较稳定；但串联电容不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小； 为此，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器。2设计方案及原理2.1克拉泼振荡器简介正弦波振荡器是指在没有输入信号的情况下就能自动地将直流能量转换为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路。正弦波振荡器广泛运用于各种电子设备中。例如，无线发射机的载波信号源，超外差式接收机中的本地振荡信号源，电子测量仪器中的正弦波信号源，数字系统中的时钟信号源。在这些应用中，对振荡器提出的要求主要是振荡频率的准确性和稳定性，其中尤以振荡频率的准确性和稳定性最为重要。近年来，随着通信电子领域的迅速发展，对电子设备的要求越来越高，尤其是对像振荡器等这种基础部件的要求更是如此。克拉泼振荡器是电容三点式振荡器的改进型电路，在电容三点式电路中，要减小极间电容在回路总电容中的比重，可以采用部分接入的方法。在电容三点式振荡电路的回路中，仅多加一个串联电容即构成克拉泼振荡器。由于极间电容对电容反馈振荡器的回路电抗均有影响，所以对振荡器也会有影响。而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以其电路的频率稳定性不高。而克拉泼振荡器对电路做的改进恰恰减小了晶体管极间电容对回路的影响，因为它的频率的改变是取决于加入的串联电容的。克拉泼振荡器的频率覆盖系数（最高工作频率与最低工作频率之比）较小，一般只有1.21.3，它主要用于固定频率或波段范围较窄的场合。2.2 设计方案所设计的克拉泼振荡器的整体电路如图2-1所示，其中L2、C5和C6是滤波网络；三极管、R1、R2、R3和R4主要用于偏置和放大；C1、C2、C4和L1用于选频；Cb用于反馈；C3，RL是振荡器的负载；克拉泼振荡器的交流通路如图2-2所示。总体来看，它是由三部分构成的，即放大网络，选频回路和反馈网络。在振荡频率上可以将C4和L1串联电路等效为一电感，该电路满足三端式振荡器的组成原则，而且属于电容反馈振荡器。图2-1 克拉泼振荡器电路图图2-2 克拉泼振荡器交流通路克拉泼振荡器的振荡器的振荡频率改变可不影响反馈系数，振荡幅度比较稳定，但是克拉泼振荡器的频率覆盖范围较小。而本次的设计任务并没有高频率覆盖范围的技术要求，因此选用图2-1所示的电路可以满足本次的设计要求，完成本次设计任务。2.3 设计原理由图2-1可以看出，回路的总电容为 （1）可见，回路的总电容将主要由C4决定，而极间电容与C1，C2并联，所以极间电容的影响就很小；并且C1，C2只是回路的一部分，晶体管以部分接入的形式与回路连接，减弱了晶体管与回路之间的耦合。接入系数p为 （2）C1，C2的取值越大，接入系数p越小，耦合越弱。因此，克拉泼振荡器的频率稳定度得到了提高。但C1，C2不能过大，假设电感两端的电阻为R0（即回路的谐振电阻），则等效到晶体管c、e两端的负载电阻RL为 （3）因此，C1过大，负载电阻RL很小，放大器增益就较低，环路增益也就较小，有可能使振荡器停振。振荡器的振荡频率为 （4）反馈系数的大小为 （5）克拉泼振荡器主要用于固定频率或波段范围较窄的场合。这是因为克拉泼振荡器频率的改变是通过调整C4实现的，根据式（2）可知，C4的改变，负载电阻将随之改变，放大器的增益也将变化，调频率时有可能因环路增益不足而停振；另外，由于负载电阻的变化，振荡器的输出幅度也将变化，导致波段范围内输出幅度变化较大。克拉泼振荡器的频率覆盖系数（最高工作频率与最低工作频率之比）一般只有1.21.3。2.4 参数计算三极管选用2N2222A，其DATA SHEET的quick reference data项如图2-3所示，参数计算必须要考虑并满足图中的要求。图2-3 2N2222A quick reference data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。般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间选取。故选取ICQ=2mA，VCEQ=6V，取VCC=12V，则易得R3+R4=3K，为提高电路的稳定性R4值适当增大，取R3=1K则R42K。根据基尔霍夫电压定理和欧姆定理易得偏置电路的电阻可取为R1为100K的可变电阻，R2=12K，以满足电路的技术要求。其它的参数设置如下，Cb=1uF，L2=300uH，C5=C6=10nF,负载C3=1uF，RL=5.1K。选频网络C1=900pF，C2=3000pF，L1=100uH，C4取为100pF的可变电容。则根据 （6）可得振荡频率大概在1.5Mhz到5.5Mhz，中心频率大概在3.5Mhz，由于克拉泼振荡器的频率覆盖系数较小，故边缘频率相对不稳定。根据式（5），反馈系数为0.3。并且以上参数均不违背三极管数据表的要求。3 Multisim仿真分析3.1 软件介绍Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。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。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。它有丰富的元件库，并开设了网站，为用户提供元器件模型的扩充和技术。而且Multisim的虚拟测试仪器仪表种类齐全，其操作方法与实际仪器十分相似；具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等18种电路分析方法，基本上能满足一般电子电路的分析设计的要求；并且提供了多种输入输出接口。Multisim可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的文件接口，也能通过Windows电路图送往文字出路系统中进行编辑排版，同时还支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。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。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。3.2 克拉泼振荡器的仿真根据前述设计方案的电路图和相关参数，利用Multisim绘制出得电路图如图3-1所示。图3-1 克拉泼振荡器电路图正常工作状态时的波形图如图3-2所示。图3-2 克拉泼振荡器波形图增大偏置电阻R1的值，波形图如图3-3所示。图3-3 增大偏置电阻后克拉泼振荡器波形图减小偏置电阻R1的值，波形图如图3-4所示。图3-4 减小偏置电阻后克拉泼振荡器波形图改变电源电压为8V，得到的波形图如图3-5所示。图3-5 电源电压为8V时波形图改变电源电压为20V，得到的波形图如图3-6所示。、图3-6 电源电压为20V时波形图改变C3的大小，当C3=100p,20p,10p时振荡频率分别如图3-7,图3-8,图3-9所示图3-7 可变电容为100pF时振荡频率图3-8 可变电容为20pF时振荡频率图3-9 可变电容为10pF时振荡频率3.3 仿真结果分析由仿真结果可得，此克拉泼振荡器电路工作正常，可以输出正常波形。增大偏置电阻R1的值，振荡器波形幅度减小，甚至停振；减小偏置电阻R1的值，出现波形失真的现象。减小电源电压值则波形幅度减小，若电源电压过小，则电路不能工作；增大电源电压值则波形幅度增大。改变可变电容C3的值则振荡频率会发生变化，此电路能输出1.5Mhz到5.5Mhz的正常振荡波形，中心频率3.5Mhz，同时调频率时负载电阻将随之变化，因此放大器的增益会发生变化，有可能因为环路增益不足而停振。实际仿真波形的频率和幅度符合所计算的理论值。4心得体会在本次课程设计过程中，我所进行的是“电容三端式振荡器（克拉泼振荡器）”这一题目，通过认真地学习，成功地得到了克拉泼振荡器的波形图和仿真结果。感觉通过这个课程设计，收获颇丰。不仅掌握了Multisim这一电路仿真软件的运用，而且对所学的知识进行了一次成功的梳理和巩固，这是一次很好的锻炼。对这次高频电子线路课程设计，我感觉自己的收获还不仅仅局限于此，因为实际的仿真调试过程，远非自己原来想象的那么简单。一次次的查阅教材和其它书籍，一次次地进行参数更正，一次次地进行分析，在不断的，一次次的重复过程中，坚持不懈，最终完成了达到仿真过程，得到了正确结果。当然，进行高频电子线路课程设计过程中，也不全是辛劳，看着自己的仿真作品一点点地趋向完美也是一种巨大的快乐；能和同学们一起调试分析，大家互相探讨，相互促进，共同提高，亦不失为一种莫大的享受；进行高频电子线路课程设计的日子里，感觉自己的生活和学习更加充实了，心中更是有一种莫名的欣慰。总之，通过本次高频电子线路课程设计，我收获颇丰，感触良多，以后在扎实掌握理论知识的基础上，还要更加注重培养自己的实践动手能力。当然，最后还要感谢老师们，因为有了老师们的谆谆教导和诲人不倦的精神，才有了我们的进步。参考文献1 陈邦媛.射频通信线路.北京：科学出版社，2002.52 曾兴雯，刘乃安，陈健.高频电子线路.北京：高等教育出版社，2004.93 张肃文.高频电子线路.北京：高等教育出版社，2005.124 谢嘉奎.电子线路.北京：高等教育出版社，2013.35 童诗白.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001.66 黄亚平.高频电子技术.北京：机械工业出版社，2009.3附录：元件清单名称数量1K电阻12K电阻15.1K电阻112K电阻1100K可调电阻（电位器）1900pF电容13000pF电容110nF电容21uF电容2100pF可调电容1900pF电容2100uH电感1300uH电感12N2222A三极管1排针、导线若干13本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别 专业、班级题 目：电容三端式振荡器（克拉泼振荡器）答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日