高频专业课程设计LC振荡器西勒.doc

高频电子线路课程设计报告

设计题目： LC正弦波振荡器设计

专业班级 电信11-3
学 号
学生姓名 杨春卫
指引教师 王立国
教师评分

1月 10日
目 录
一、设计任务与规定…………….…………………………………………………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静态工作点设立…………………………………………………7
3.3西勒振荡器原理图……………………………………….………….…….8
3.4 仿真成果与分析……………………………………………….………….8
3.4.1软件简介……………………………………………………………8
3.4.2进行仿真……………………………………………………………9
3.4.3仿真成果分析………………………………………………………11
四、总结…………………………………………………………………….………11
五、重要参照文献………………………………………………………………….13

一、 设计任务与规定
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）分析、对比和讨论，以达到课程设计目和规定。在课程设计中，为了学习Multisim软件使用，以及锻炼电子仿真能力，我选用仿真软件是Multisim11.0版本，该软件提供了功能强大电子仿真设计界面和以便电路图和文献管理功能。
本课程设计中规定设计正弦波振荡器可以输出稳定正弦波信号，输出频率可调范畴为10~20MHz。本设计中所涉及仿真电路是比较简朴。但通过仿真得到结论在实际类似电路中有很普遍意义。
二、 设计方案
通过对高频电子线路有关知识学习，咱们懂得LC正弦波振荡器重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，合用于低频，而电容反馈三点式振荡器稳定性好，输出波形抱负，振荡频率可以做得较高。由所学知识可知，西勒电路具备该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，频率调节以便，适合做波段振荡器等长处。因此在本设计中拟采用并联改进型西勒电路振荡器。
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晶体管等效输出导纳，，此处为输出回路谐振阻抗。
震荡频率：

电感反馈震荡电路长处是：由于和之间有互感存在，因此容易起振。另一方面是变化回路电容来调节频率时，基本上不影响电路反馈系数，比较以便。这种电路重要缺陷是：与电容反馈震荡电路想比，其震荡波形不够好。这是由于反馈支路为感性支路，对高次谐波呈现高阻抗，故对于LC回路中高次谐波反馈较强，波形失真较大。另一方面是当工作频率较高时，由于和上分布电容和晶体管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，分布参数影响也愈严重，甚至也许使F减小到满足不了起振条件。因而，这种电路尽管它工作频率也能达到甚高频波段，但是在甚高频波段里，优先选取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表达式

不考虑各极间电容影响，这时谐振回路总电容量为、串联，即

振荡频率近似为

与电感三端震荡电路想比，电容三端振荡器长处是输出波形较好，这是由于集电极和基极电流可通过对谐波为低阻抗电容支路回到发射极，因此高次谐波反馈削弱，输出谐波分量减少，波形更加接近于正弦波。另一方面，该电路中不稳定电容（分布电容、器件结电容等）都是与该电路并联，因而恰当加大回路电容量，就可以削弱不稳定因素对振荡器影响，从而提高了频率稳定度。最后，当工作频率较高时，甚至可以只运用器件输入和输出电容作为回路电容。因而本电路合用于较高工作频率。
这种电路缺陷是:调或来变化震荡频率时，反馈系数也将变化。但只要在L两端并上一种可变电容器，并令与为固定电容，则在调节频率时，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LC震荡电路，电路图如下：

它特点是在前述电容三点式振荡谐振回路电感支路中增长了一种电容C3，其取值比较小，规定C3<< C1，C3<< C2。
先不考虑各极间电容影响，这时谐振回路总电容量CΣ为C1、C2 和C3串联，即

于是，振荡频率为

使上式成立条件是C1和C2都要选得比较大，由此可见，C1、C2对振荡频率影响明显减小，那么与C1、C2并接晶体管极间电容影响也就很小了，提高了振荡频率稳定度。
2.4 西勒电路振荡器
西勒电路是在克拉泼电路L两端并联上一种电容得到，有效改进了克拉泼电路可调范畴小缺陷，电路图如图所示：

因此振荡频率

该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，频率调节以便，适合做波段振荡器。
通过对以上几种电路分析，可以看出：
1. 电感反馈式三端振荡器：容易起振，调频以便，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，但调频不以便；
3. 克拉泼振荡器：调频以便但可调范畴小；
4. 西勒振荡器：频率稳定性高，振幅稳定，调频以便。
因此，在本设计中拟采用并联改进型西勒电路振荡器。
三、 设计内容
3.1 LC振荡器基本工作原理
振荡器是不需外信号勉励、自身将直流电能转换为交流电能装置。LC振荡器是一种能量转换器，由晶体管等有源器件和具备选频作用无源网络及反馈网络构成。振荡器依照自身输出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，构成一种振荡器必要具备下列三个条件：
1) 一套振荡回路，包括两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一种释放能量时，另一种就接受能量。释放与接受能量可以来回进行，其频率决定于元件数值。
2) 一种能量来源，补充由振荡回路电阻所产生能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。
3) 一种控制设备，可以使电源功率在对的时刻补充电路能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完毕。

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电容反馈振荡器，是在克拉泼电路上改进来，电路原理图如下所示：

震荡回路总电容为：

因此可以得到振荡频率为：

此时，为粗调，为细调，电路调频以便并且调频范畴大。
3.2.2静态工作点设立
合理地选取振荡器静态工作点，对振荡器起振，工作稳定性，波形质量好坏有着密切关系。－般小功率振荡器静态工作点应选在远离饱和区而接近截止区地方。依照上述原则，普通小功率振荡器集电极电流ICQ大概在0.8-4mA之间选用，故本实验电路中：
选ICQ=2mA， VCEQ=6V，β=100
则有

为提高电路稳定性Re值恰当增大，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
普通取流过Rb2电流为5-10IBQ ， 若取10IBQ
因：

因此取标称电阻为12KΏ。
因：

则：

3.2.2振荡回路元件参数计算
回路中各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两某些。拟定这些元件参量办法，是依照经验先选定一种，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，先选定哪种元件都同样，但从提高回路原则性观点出发，以保证回路电容Cp远不不大于总不稳定电容Cd原则，先选定Cp为宜。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大某些，这有助于减小并联在回路上晶体管极间电容等变化影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会减少，使振荡幅度减小，为理解决频稳与幅度矛盾，普通采用某些接入。反馈系数F=C1/C2，不能过大或过小，适当1/8—1/2。
因振荡器工作频率为：

当LC振荡时，按题目规定令
=10MHz ，L＝10μH
本电路中，则回路谐振频率重要由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条件，故取C2=680pf，则C3=680pf。
为了尽量地减小负载对振荡电路影响，振荡信号应尽量从电路低阻抗端输出。
3.3 西勒振荡器电路图：
如图，下图为西勒电路振荡器电路图，是Protel软件画出，Protel软件是一款功能强大原理图绘制及PCB制作软件。可以以便快捷进行原理图绘制：

3.4 西勒振荡器仿真：
3.4.1软件简介
Multisim是一种专门用于电子线路设计与仿真EDA工具软件，它是加拿大IIT公司（Interactive Image Technologise Ltd.）推出继EWB之后版本。它包括了电路原理图图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具备丰富仿真分析能力。NI Multisim软件结合了直观捕获和功能强大仿真，可以迅速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。学生可以很以便地把刚刚学到理论知识用计算机仿真真实再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己仪表。
Multisim软件特点:
(1)直观图形界面：整个操作界面就像一种电子实验工作台，绘制电路所需元器件和仿真所需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、波形和特性曲线犹如在真实仪器上看到同样。
(2)丰富元器件库：Multisim大大扩充了EWB元器件库， 涉及基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其她各种部件，且顾客可通过元件编辑器自行创立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扩充和更新服务。
(3)丰富测试仪器：除EWB具备数字万用表、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。特别与EWB不同是：所有仪器均可多台同步调用。
(4)完备分析手段：除了EWB提供直流工作点分析、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、传播函数分析、敏捷度分析、最坏状况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批解决分析、顾客定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足普通电子电路分析设计规定。
(5)强大仿真能力：Multisim 既可对模仿电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，特别是新增了射频(RF) 电路仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示也许出错因素，仿真成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电路图，是Multisim软件画出，可以对其进行仿真：

仿真电路图
仿真成果：

示波器输出波形

频率计显示频率
3.4.3仿真成果分析
采用西勒振荡电路，由于西勒振荡器接入系数与克拉泼振荡器相似，由于变化频率重要通过C4完毕，C4变化并不影响接入系数p，因此波段内输出较平稳。并且C4变化，频率变化较明显，故西勒振荡器频率覆盖系数较大，可达1.6~1.8。
由仿真成果可以看出，波形基本无失真，输出频率带15Mhz附近，符合课程设计规定。

四、 总结
本次课程设计我选取题目是LC正弦波设计，依照所学高频电路知识，我拟采用西勒电路震荡器，由于它是一种改进型电容反馈振荡器，是在克拉泼电路上改进来，具备频率稳定性高，振幅稳定，调频以便等长处。
一方面，我先对可以实现高频震荡器几种常用电路进行了分析与论证，通过度析，可以懂得特点：电感三点式振荡器虽然说调频以便，容易起振但输出波形不抱负。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变化可不影响反馈系数，振荡幅度比较稳定但可调范畴小。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，波段范畴内输出电压幅度比较平稳。综上考虑，我最后采用了西勒电路振荡器。
另一方面，在震荡器设计中，我一方面分析了振荡器工作原理，并画出了西勒电路原理图与仿真电路图。然后是对电路参数计算，使其可以达到震荡频率规定。由于受实际条件所限，我运用了仿真软件Multisim来对自己设计电路图进行仿真。在仿真过程中，我对正弦波震荡电路有了更进一步理解。通过这次课程设计，让我更好掌握了各种电路测试与计算；熟悉了电子仿真工作原理和其详细用法.更深刻理解课本知识。明白了正弦波振荡器分类办法以及各个类型电路震荡波形。也逐渐对振荡器振荡频率、震荡幅度等有关技术指标有了一定理解。
在本次设计报告中， 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（硬勉励），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，一方面要看相位平衡条件与否满足。对三端振荡电路要看与否满足相应相位平衡判断原则。此外，还要在振幅平衡条件所包括各种因素中找因素。
1、静态工作点选太小。
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，应恰当选用。
在这个设计当中，我学会了振荡电路中某些基本理论知识，在设计电路元件参数时候一方面要考虑电路起振条件和平衡条件，这分别包括振幅条件和相位条件。正反馈网络是西勒振荡器设计中一种重要环节，正反馈使输出起到与输入相似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此前忽视细节重要性。对我后来发展起到了很大推动作用。

五、 重要参照文献
[1]张肃文.《高频电子线路》第四版[M].高等教诲出版社..11
[2]冉晟伊，熊于菽.惯用LC正弦波振荡器特点[J]..19
[3]何中庸译.《高频电路设计与制作》[M].科学出版社..6
[4]黄智伟.《基于NI Multisim电子电路计算机仿真设计与分析》[M].电子工业出版社..1