高频课程设计LC振荡器西勒.doc

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 王立国
教师评分

2014年 1月 10日
河南理工大学课程设计报告书
目 录
一、设计任务与要求…………….…………………………………………………1
二、设计方案…………….…………………………………………………………1
2.1电感反馈式三端振荡器……………………………………...……………1
2.2电容反馈式三端振荡器………………………………………...…………2
2.3克拉波电路振荡器………………………………………………...………3
2.4西勒电路振荡器………………………………………………………...…4
三、设计内容………………………………………………………………………..5
3.1 LC振荡器的基本工作原理………………………………………… ..…..5
3.2西勒电路原理图及分析…………………………………...….………..….6
3.2.1振荡原理……………………………………………………………7
3.2.2静态工作点的设置…………………………………………………7
3.3西勒振荡器原理图……………………………………….………….…….8
3.4 仿真结果与分析……………………………………………….………….8
3.4.1软件简介……………………………………………………………8
3.4.2进行仿真……………………………………………………………9
3.4.3仿真结果分析………………………………………………………11
四、总结…………………………………………………………………….………11
五、主要参考文献………………………………………………………………….13

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振荡器能够输出稳定正弦波信号，输出频率可调范围为10~20MHz。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勒电路振荡器。
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
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：

式中，为考虑震荡回路阻抗后的晶体管等效输出导纳，，此处为输出回路的谐振阻抗。
震荡频率：

电感反馈震荡电路的优点是：由于和之间有互感存在，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，由于和上的分布电容和晶体管的极间电容均并联于与两端，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：

反馈系数F的表达式

不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量为、的串联，即

振荡频率的近似为

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:调或来改变震荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令与为固定电容，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：

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。
先不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量CΣ为C1、C2 和C3的串联，即

于是，振荡频率为

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：

所以振荡频率

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，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。其框图如图1所示。
放大电路
选频网络
正反馈网络
输出

振荡器原理框图
由所学知识可知，构成一个振荡器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：

震荡回路的总电容为：

所以可以得到振荡频率为：

此时，为粗调，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。－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，故本实验电路中：
选ICQ=2mA， VCEQ=6V，β=100
则有

为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1KΩ则Rc＝2KΩ
因：UEQ=ICQ·RE 则：UEQ =2mA×1K=2V
因： IBQ=ICQ/β 则： IBQ =2mA/100=0.02mA
一般取流过Rb2的电流为5-10IBQ , 若取10IBQ
因：

所以取标称电阻为12KΏ。
因：

则：

3.2.2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1/8—1/2。
因振荡器的工作频率为：

当LC振荡时，按题目要求令
=10MHz ，L＝10μH
本电路中，则回路的谐振频率主要由C4、C6决定，即

有

取C4 =75pf，C6=82pf，因要遵循C2，C3>>C4,C6，C2/C3=1/8—1/2的条件，故取C2=680pf，则C3=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EDA工具软件，它是加拿大IIT公司（Interactive Image Technologise Ltd.）推出的继EWB之后的版本。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)丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库， 包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，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EWB具备的数字万用表、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EWB不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EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、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。

34.2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：

仿真电路图
仿真结果：

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1.6~1.8。
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。
在这个设计当中，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.2004.11
[2]冉晟伊，熊于菽.常用LC正弦波振荡器的特点[J].2010.19
[3]何中庸译.《高频电路设计与制作》[M].科学出版社.2008.6
[4]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
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