LC正弦波振蕩器的設(shè)計解析

1、課程設(shè)計報告題目：LC正弦波震蕩設(shè)計學(xué)生姓名：二學(xué)生學(xué)號:*系另U：電氣信息工程學(xué)院專業(yè)：通信工程屆別：2014屆指導(dǎo)教帥：*電氣信息工程學(xué)院制2013年5月LC正弦震蕩設(shè)計學(xué)生：*指導(dǎo)教師：*電氣信息工程學(xué)院通信工程專業(yè)1課程設(shè)計的任務(wù)與要求1.1課程設(shè)計的任務(wù)正弦波振蕩器廣泛用丁各種電子設(shè)備中。正弦波振蕩器不僅提供了振蕩頻率和振蕩振幅的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。正弦波振蕩器還是作為高頻加熱設(shè)備和醫(yī)用電療儀器中的正弦交變能源。本次設(shè)計中，主要完成：(1) 查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解LC正弦波振蕩器的相關(guān)知識；(2) 確定設(shè)計方案、手工繪制電路原理圖；(3) 計算各個正弦波振蕩器所對應(yīng)的反饋系數(shù)和頻率；(4

2、) 在Mutisim下繪制電路圖，仿真驗證并觀察波形；(5) 撰寫課程設(shè)計說明書。1.2課程設(shè)計的要求本次設(shè)計中，使用電感、電容等器件設(shè)計兩個LC正弦波振蕩器，包括方案設(shè)計、電路設(shè)計和參數(shù)計算。具體設(shè)計要求：(1) 振蕩頻率fo=7MHz土0.5KHz;(2) 頻率穩(wěn)定度f/fo<10-1;(3) 輸出幅度大小穩(wěn)定的比較。1.3課程設(shè)計的研究基礎(chǔ)(1) 原理分析反饋型振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個閉合環(huán)路。它由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成。放大器通常以某種選頻網(wǎng)絡(luò)(如振蕩回路)作負(fù)載，是一種調(diào)諧放大器；反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。(2) 平衡條件記閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Ku(

3、s),開環(huán)電壓放大倍數(shù)K(s),電壓反饋系數(shù)F(s),環(huán)路增益T(s)，反饋系數(shù)F'(j3)=-F(j3)自激振蕩的條件就是環(huán)路增益為1,即T(j3)=K(j3)F(j3)=1,通常乂稱為振蕩器的平衡條件。(3) 起振條件為使振蕩過程中輸出幅度不斷增加，應(yīng)使反饋回來的信號比輸入到放大器的信號大,即振蕩開始時應(yīng)為增幅振蕩，即T(j3)>1,稱為自激振蕩的起振條件。與平'衡條件相應(yīng)的，振蕩器的起振條件乂可細(xì)分為起振的振幅條件(|T(j3)|>1)和相位條件(n(T)=n(K)+n(F)+n(F')=土2n兀,n=0,1,2),其中起振的相位條件即為正反饋條件。(

4、4) 穩(wěn)定條件振蕩器的穩(wěn)定條件相應(yīng)地可分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。1) 振幅穩(wěn)定條件要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力。具體來說，就是在平衡點(diǎn)附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅增大時，環(huán)路增益將減小，從而使振幅減小。2) 相位穩(wěn)定條件同理，要使相位穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止相位變化的能力。(5) 頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指由丁外界條件的變化，引起振蕩器的實(shí)際工作頻率偏離標(biāo)稱頻率的程度，它是振蕩器的一個很重要的指標(biāo)。頻率穩(wěn)定度乂可分為：長期頻率穩(wěn)定度(一般是指一天以上甚至幾個月的時間間隔內(nèi)頻率的相對變化)、短期頻率穩(wěn)定度(一般是指一天以內(nèi)，以小時、分鐘或秒記的時間間

5、隔內(nèi)頻率的相對變化)和瞬時頻率穩(wěn)定度(一般是指秒或毫秒的時間間隔內(nèi)頻率的相對變化)。2正弦振蕩系統(tǒng)方案制定2.1方案提出圖1振蕩器框區(qū)注:還需要滿足振蕩器的兩個條件(1) 相位平衡條件：即必須是正反饋)(2) 幅度平衡條件：AF>=1(每次反饋保證反饋信號大丁等丁原輸入信號)2.2方案論證(1) LC振蕩器的電路分類LC振蕩器的電路種類比較多，根據(jù)不同的反饋方式，乂可分為互感反饋振蕩器，電感反饋三點(diǎn)式振蕩器，電容反饋三點(diǎn)式振蕩器，其中互感反饋易丁起振，但穩(wěn)定性差，適用丁低頻，而電容反饋三點(diǎn)式振蕩器穩(wěn)定性好，輸出波形理想，振蕩頻率可以做得較高。所以選擇電容反饋三點(diǎn)式振蕩器是不容置疑的，而電

6、容反饋三點(diǎn)式振蕩器乂分為考畢茲振蕩器，克拉波振蕩器，西勒振蕩器。本次只設(shè)計前面兩個振蕩器。信號輸出波形的仿真步驟兩種振蕩器輸出信號波形全部用Multisim仿真軟件得出；最后的兩種振蕩器由公式以及已知的器件給出的參數(shù)計算得出頻率。3正弦振蕩系統(tǒng)方案設(shè)計3.1考畢茲振蕩器各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計考畢茲振蕩器L2rhR3C610nFC7土10nF-V1R227k!C3C41nF0.1uFQ2C1100pF-V112VC51nF2N2222A%L1-10uHR55.1klR15.1k!R41k!C2100pF300mH(1) 考畢茲振蕩器的介紹圖中的L1、C1、C2組成諧振回路，作為晶體管放大器

7、的負(fù)載阻抗。反饋信號從電容器C2兩端取得，送回放大器的基極b上，而且也是將LC回路的三個端點(diǎn)分別與晶體管的三個電極相連，故將這種電路成為電容三點(diǎn)式振蕩器。由申聯(lián)電容與電感回路及正反饋放大器組成。因振蕩回路兩申聯(lián)電容的三個端點(diǎn)與振蕩管三個管腳分別相接而得名。(2) 波形頻率的計算及分析在考畢茲振蕩器中，C1=C2=100pF反饋系數(shù)F為F=C1/C2=1理論計算振蕩器的頻率為觀察到的振蕩波形如圖2J(GC2)C1C27MHz4所示，從波形看出測試其波形頻率為155109=6.5MHz2R4500|?R14.7k|?Q1C3199pFC1Key=A500pF50%C5HIXFC110nF12318

8、XSC1C4D42C1R25.1k|?1uFR5300|?C21nF這里C1、C2為定值，反饋系數(shù)不變。3.2克拉潑振蕩器各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計克拉潑振蕩器VCC12VR350%100k|?Key=C圖3克拉潑振蕩器(1) 克拉潑振蕩器的介紹在電容三點(diǎn)式電路中，要減小極問電容在回路總電容中的比重，可以采用部分接入的方法。一種電容三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)型電路一一克拉潑(Clapp)振蕩器就是從這一點(diǎn)出發(fā)得到的。在電容三點(diǎn)式振蕩器電路的回路中僅多加一個與C1、C2相并聯(lián)的電容C3即構(gòu)成了克拉潑振蕩器(2) 波形頻率的計算及分析在克拉潑振蕩器中，電容一般取10-1000pF,電感一般取0.1-10

9、0UF。保證反饋系數(shù)F在0.1-0.5之間：F=CC2C3C1,C3C2在滿足上面的條件下C3和L1決定振蕩頻率，即應(yīng)滿足:7-=2rtfal3l1由條件3,C1、C2應(yīng)盡量大，同時考慮條件1、2,選C1為500pF,C2為1nF。由正弦波條件可知，選L1為20uH,電路中C3為可變電容，調(diào)整它即可在一定范圍內(nèi)調(diào)整期振蕩頻率。C3的估計值為25.8pF,故選擇99pF的可調(diào)電容。理論計算振蕩器的頻率為f=7MHz(CiC3C2C3)2.L2C3觀察到的振蕩波形如圖5所示，從波形看出測試其波形頻率為f6.9MHz調(diào)節(jié)C3的值，可知反饋系數(shù)不變，但波形頻率f變化。4正弦振蕩系統(tǒng)仿真和調(diào)試正弦振蕩系

10、統(tǒng)仿真和調(diào)試4.1仿真軟件介紹Multisim10.0是EWEJ勺升級，是目前推出的一款高版本的電路設(shè)計與仿真軟件。它具有以下一些特點(diǎn)：(1)直觀的圖形界面創(chuàng)建電路。在計算機(jī)屏幕上模仿真實(shí)實(shí)驗室的工作臺，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選取。(2) 軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實(shí)物相似，可以實(shí)時顯示測量結(jié)果。(3) 軟件帶有豐富的電路元件庫,提供多種強(qiáng)大的電路分析方法。(4) 作為設(shè)計工具，它可以同其它流行的電路分析、設(shè)計和制板軟件交換數(shù)據(jù)。Multisim10.0軟件是一個優(yōu)秀的電子技術(shù)訓(xùn)練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實(shí)驗室中更靈活的方式進(jìn)行電路實(shí)

11、驗，仿真電路的實(shí)際運(yùn)行情況，熟悉常用電子儀器測量方法。Multisim10.0軟件具有很強(qiáng)的仿真設(shè)計功能，包括：全功能電路仿真系統(tǒng)：有元器件的編輯、選取、放置；電路圖的編輯、繪制；電路工作狀況的測試；電路特性的分析；電路圖報表輸出、打??；檔案的轉(zhuǎn)出/轉(zhuǎn)入。完整的系統(tǒng)設(shè)計工具，其強(qiáng)大功能包含：結(jié)合SPICEVHDLVerilog共同仿真；電路圖的建立；完整的零件庫；SPICE仿真；高階RF設(shè)計功能；虛擬儀器測試及分析功能；計劃及團(tuán)隊設(shè)計功能；VHD應(yīng)Verilog設(shè)計與仿真；FPG*CPLCffl件合成；PC蟻件轉(zhuǎn)換功能。因此非常適合電子類課程的教學(xué)和實(shí)驗。4.2系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)(1)考畢茲振蕩器測

12、試時，將示波器的A結(jié)點(diǎn)接在C1和C3處，看到了如圖4的波形。圖4考畢茲振蕩器輸出信號波形(2)克拉潑振蕩器測試時，輸出信號的幅值、頻率等用時時監(jiān)測法測試，調(diào)整C3觀測震蕩信號的波形和頻率變化。將示波器的B結(jié)點(diǎn)接在C5處，看到如圖5的波形。圖5克拉潑振蕩器輸出信號波形4.3系統(tǒng)測試在Multisim中可以看出，考畢茲振蕩器的輸出波形不均勻，有波形的起伏不一，且無法調(diào)節(jié)；而在克拉潑振蕩器的輸出波形均勻，波形的起伏近乎一致，且波幅可以調(diào)節(jié)，因此看到的圖像良好。4.4數(shù)據(jù)分析本實(shí)驗理論計算中，考畢茲振蕩器的頻率穩(wěn)定度f/fo7.14%,克拉潑經(jīng)過調(diào)節(jié)后的頻率穩(wěn)定度f/fo1.43%,可知克拉潑振蕩器優(yōu)

13、丁考畢茲振蕩器。5總結(jié)5.1設(shè)計小結(jié)在完成了對丁實(shí)驗?zāi)康牡囊约皟?nèi)容，在這其中完成了對丁其輸出正弦波的要求。對比的設(shè)計了兩個LC正弦波振蕩器的電路，且這兩者是典型的正弦波輸出波形器，在工業(yè)電器中也是基礎(chǔ)的兩個電路。系統(tǒng)的可以看出，考畢茲振蕩器要求的比較簡單，系統(tǒng)單一，輸出的波形不會自然的改變。而克拉潑振蕩器要求相對來說復(fù)雜一點(diǎn)，在考畢茲振蕩器的原有基礎(chǔ)上，增加了一個可變電容C3,供調(diào)節(jié)電路的波形頻率。5.2收獲體會課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。此次課程設(shè)計，使我的動手能力得到進(jìn)一步的提高。與模

14、擬電子技術(shù)課程設(shè)計數(shù)字電子線路課程設(shè)計比，高頻電子線路的課程設(shè)計具有更大的難度和更強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。在設(shè)計過程中不僅鍛煉了我們最基本的高頻電子線路的設(shè)計能力，更重要的是讓我們更深刻的認(rèn)識了高頻電子線路這門課程在實(shí)際中的應(yīng)用。此次課程設(shè)計主要針對各種電容反饋三點(diǎn)式電路提出自己的設(shè)計方案，并利用仿真軟件Multisim來實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計電路圖。設(shè)計中用到了考畢茲振蕩器，克拉波振蕩器，西勒振蕩器電路等在高頻電子線路課程中學(xué)到的知識。由丁對所學(xué)電路不熟悉，導(dǎo)致在設(shè)計的過程中無法畫出正確的電路圖，算不出電路中元器件的參數(shù)，使得在設(shè)計過程中繞了許多彎路，做了許多的無用功。但在室友們的幫助下，再加上自己不斷的查找相

15、關(guān)資料，利用圖書館和網(wǎng)絡(luò)，最終克服了所有困難。同時也鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合的必要性，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。通過對上述不同振蕩器的設(shè)計與仿真，了解了各種正弦波振蕩器在結(jié)構(gòu)上的利與弊，是我們在選擇正弦波振蕩器時更加明確那種振蕩器更適合。這次技能訓(xùn)練，讓我們更好的掌握了各種電路的測試與計算；熟悉了電子仿真的工作原理和其具體的使用方法.更深刻的理解課本知識?？傊?，從中我學(xué)習(xí)到了如何對待遇到的困難

16、，增強(qiáng)了對設(shè)計電路的思考能力。在這次的設(shè)計中，張老師給了我們很大的自由空間，可自己選擇題目，這次課程設(shè)計培度了我一絲不茍的科學(xué)態(tài)度，提高了我實(shí)踐能力。最后要真誠的感謝張老師的指導(dǎo)！6參考文獻(xiàn)電子線路設(shè)計實(shí)驗測試，第三版，謝自美主編，華中科技大學(xué)出版社高頻電子線路實(shí)驗與課程設(shè)計,楊翠娥主編，哈爾濱工程大學(xué)出版社高頻電路設(shè)計與制作，何中庸譯，科學(xué)出版社通信電子線路，第三版，高如公主編，西安電子科技大學(xué)出版社模擬電子技術(shù)。胡宴如主編，高等教育出版社電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗與課程設(shè)計指導(dǎo)，第二版，高吉祥，主編，電子工業(yè)出版社7附錄器件活單1考畢茲振蕩器所需電子器件元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注R1P5.1KQ1R227KQ1R33.0KQ1R4P1.0KQ1R55.1K