完整高頻課程設計-LC振蕩器-克拉潑

1、河南理工大學課程設計報告書通信基本電路課程設計報告設計題目：LC正弦波振蕩器的設計專業(yè)班級：電子信息科學與技術11-1學 號：311108000527學生姓名：楊亞指導教師：王立國教師評分：河南理工大學課程設計報告書2014年1月10日目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 一、設計任務與要求 3二、設計方案 3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 電感反饋式三端振蕩器 4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 電容反饋式三端

2、振蕩器 4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 克拉波電路振蕩器 8 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 三、設計內容 .10 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document LC振蕩器的基本工作原理 .10 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 克拉潑電路 10振蕩原理.11克拉潑振蕩器仿真 12軟件簡介.12進行仿真.12電容參數(shù)改變對波形的影響 . -13四、電路制作與調試 . 19五、總結 19六、主要參考文獻

3、 . .202河南理工大學課程設計報告書一、設計任務與要求為了熟悉高頻電子線路課程中所學到的知識，在本課程設計中，我著中 對LC正弦波振蕩器進行了分析和研究。通過對幾種常見的振蕩器（電感反饋式 三端振蕩器、電容反饋式三端振蕩器、改進型電容反饋式振蕩器）進行分析論證, 我最終選擇了克拉潑振蕩器。在本次課程設計中，設計要求產生1020Mhz的振蕩頻率。振蕩器的種類很 多，適用的范圍也不相同，但它們的基本原理都是相同的，都由放大器和選頻網(wǎng) 絡組成，都要滿足起振，平衡和穩(wěn)定條件。然后通過所學的高頻知識進行初步設 計，由于受實踐條件的限制，在設計好后，我利用了模擬軟件進行了仿真與分析。 為了學習Mult

4、isim軟件的使用，以及鍛煉電子仿真的能力，我選用的仿真軟件 是Multisim11.0版本，該軟件提供了功能強大的電子仿真設計界面和方便的電 路圖和文件管理功能。它包含了電路原理圖的圖形輸入、 電路硬件描述語言輸入 方式，具有豐富的仿真分析能力。NI Multisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強 大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。最后我利用了仿真軟件對電路進行了一寫的仿真分析，如改變電容的參數(shù)， 分析對電路產生的影響等，再考慮輸出頻率和振幅的穩(wěn)定性，得到了與理論值比 較相近的結果，這表明電路的原理設計是比較成功的， 本次課程設計也是比較成 功的。河南理工大學課程設計報告書

5、本設計中的電路圖是使用Protel軟件繪制的，本設計中所涉及的仿真電路 是比較簡單的。在實驗條件受限的情況下，利用軟件仿真在實際中有很實際的意 義?？傮w方案通過學習高頻電子線路的相關知識，我們知道 LC正弦波振蕩器主要有電感 反饋式三端振蕩器、電容反饋式三端振蕩器以及改進型電容反饋式振蕩器 （克拉 波電路）等。通過老師所講和查閱相關資料可知， 克拉潑振蕩電路具有該電路頻 率穩(wěn)定性非常高，振幅穩(wěn)定，適合做波段振蕩器等優(yōu)點。所以在本設計中擬采用 改進型電容反饋式-克拉潑電路振蕩器。下面對幾種振蕩器進行分析論證：2.1電感反饋式三端振蕩器圖2.1電感三點式振蕩器電感反饋震蕩電路的優(yōu)點是：由于Li和L

6、2之間有互感存在，所以容易起振其次是改變回路電容來調整頻率時，基本上不影響電路的反饋系數(shù)，比較方便。河南理工大學課程設計報告書這種電路的主要缺點是：與電容反饋震蕩電路想比，其震蕩波形不夠好。這 是因為反饋支路為感性支路，對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，故對于 LC回路中的高次 諧波反饋較強，波形失真較大。其次是當工作頻率較高時，由于 L4DL2上的分 布電容和晶體管的極間電容均并聯(lián)于 Li與L2兩端，這樣，反饋系數(shù)F隨頻率變 化而變化。工作頻率愈高，分布參數(shù)的影響也愈嚴重，甚至可能使F減小到滿足 不了起振條件?？傊捎诖嬖诨ジ?，電路不好計算而且波形失真較大，在此不再仿真分析。 這種電路盡管它的工作頻率

7、也能達到甚高頻波段， 但是在甚高頻波段里，優(yōu)先選 擇的還是電容反饋振蕩器。2.2電容反饋式三端振蕩器電容三點式振蕩器又稱為考畢茲振蕩器，其電路原理圖如下:VCCCC圖2.2電容三點式振蕩器原理圖對于電容三點式振蕩器，反饋系數(shù) F的表達式為:河南理工大學課程設計報告書F-L_C1+C2不考慮各極問電容的影響,這時諧振回路的總電容量為 Ci、C2的串聯(lián)，即1C2+Ci振蕩頻率的近似為-1 = 12 向LC! C1c22n,C1+C2與電感三端震蕩電路想比，電容三端振蕩器的優(yōu)點是輸出波形較好，這是因為集電極和基極電流可通過對諧波為低阻抗的電容支路回到發(fā)射極，所以高次諧波的反饋減弱，輸出的諧波分量減少

8、，波形更加接近于正弦波。其次，該電路 中的不穩(wěn)定電容（分布電容、器件的結電容等）都是與該電路并聯(lián)的，因此適當 的加大回路電容量，就可以減弱不穩(wěn)定因素對振蕩器的影響， 從而提高了頻率穩(wěn) 定度。最后，當工作頻率較高時，甚至可以只利用器件的輸入和輸出電容作為回 路電容。因而本電路適用于較高的工作頻率這種電路的缺點是：調C1或C2來改變震蕩頻率時，反饋系數(shù)也將改變。但 只要在L兩端并上一個可變電容器，并令C1與C2為固定電容，則在調整頻率時, 基本上不會影響反饋系數(shù)。下面對其進行仿真分析：仿真電路圖：（原件標示符沒改）河南理工大學課程設計報告書C41：0pF30CpF2tt2222A123Jif1出-

9、 Q .圖2.3電容三點式仿真電路圖仿真結果:河南理工大學課程設計報告書Oscilfcscope-XSCl1丘圖2.4示波器顯示的波形圖2.5頻率計顯示頻率的頻率結果分析:理論計算的振蕩頻率為fo 1=10.2M, C=。3。4 。觀察到的振蕩波2 .LCC3 C4形如上圖所示，頻率基本上在13Mhz左右變化但從波形看出其振蕩極不穩(wěn)定， 且河南理工大學課程設計報告書波形失真較大。所以本次課程設計中不采用此設計2.3克拉波電路振蕩器克拉潑電路時一種高穩(wěn)定度的LC震蕩電路，電路圖如下:VCCC3圖2.6克拉波電路振蕩器原理圖T它的特點是在前述的電容三點式振蕩諧振回路電感支路中增加了一個電容C5,功

10、用主要是以增加回路總電容和減小管子與回路間的耦合來提高振蕩回路的 標準性，使振蕩頻率的穩(wěn)定度得以提高。先不考慮各極問電容的影響，這時諧振回路的總電容量C為C2、C4和C5的串聯(lián)，即C5C2C4C5于是，振蕩頻率為河南理工大學課程設計報告書使上式成立的條件是C4和C2都要都要遠遠大于C5,由此可見，C2、C4對 振蕩頻率的影響顯著減小，那么與 C2、C4并接的晶體管極間電容的影響也就很 小了，提高了振蕩頻率的穩(wěn)定度。仿真原理圖：（仿真電路圖標示符未改）圖2.7克拉波電路振蕩器仿真電路圖仿真結果:10河南理工大學課程設計報告書圖2.8示波器波形分析圖圖2.9頻率計顯示頻率結果分析：通過仿真，可以看

11、出輸出的波形基本上沒有失真， 同時輸出頻率也在要求的 范圍之內，并且可以通過更改 C5的值來改變頻率值。綜上，通過對電感反饋式三端振蕩器、電容反饋式三端振蕩器以及改進型電 容反饋式振蕩器（克拉波電路）的仿真論證分析，最終選擇克拉潑振蕩電路來實 現(xiàn)LC正弦波振蕩器的設計。三、設計內容3.1 LC振蕩器電路的基本工作原理振蕩器是不需外信號激勵、自身將直流電能轉換為交流電能的裝置。LC振蕩器是一種能量轉換器，由晶體管等有源器件和具有選頻作用的無源網(wǎng)絡及反饋 網(wǎng)絡組成。振蕩器根據(jù)自身輸出的波形可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器， 正弦波振蕩器在廣播通訊、自動控制、儀器儀表、高頻加熱、超聲探傷等領域有

12、著廣泛的應用。本課程設計討論的就是正弦波振蕩器。其框圖如圖所示。11河南理工大學課程設計報告書輸出圖3.1振蕩器原理框圖3.2克拉潑電路3.2.1振蕩原理克拉潑電路是一種改進型的電容反饋振蕩器，是在克拉潑電路上改進的來的，電路原理圖如下所示:VCCTR1R2圖3.2克拉潑電路原理圖2N39&412河南理工大學課程設計報告書震蕩回路的總電容為: c5i 5c7所以可以得到振蕩頻率為:3.3克拉潑振蕩器仿真結果與分析:軟件簡介Multisim 是一個專門用于電子線路設計與仿真的EDA工具軟件，它是加拿大 IIT 公司(Interactive Image Technologise Ltd. )推出的

13、繼 EW吆后的版 本。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的 仿真分析能力。NI Multisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快 速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。學生可以很方便地把剛剛學到的理論 知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術創(chuàng)造出真正屬于自 己的儀表。由于本次仿真主要用到了示波器和頻率計，所以在此對示波器和頻率計做簡單介紹： 雙通道示波器：XSC1 TOC o 1-5 h z 雙通道示波器主要用來顯示被測量信號的：波形，還可以用來測量被測信號的頻率和周期：等參數(shù)。如右圖所示。A,B表示兩個信號的通道，： Ext Trig

14、表示外接觸發(fā)信號輸入端，“-表示 接地。I頻率計：頻率計可以用來測量數(shù)字信號的頻率， 周期， 脈沖信號的上升沿和下降沿。如右圖所示。應當注煮 在Multisim中不能用頻率計來測量較低頻率的信號 3.3.2進行仿真下圖為克拉潑電路振蕩器的電路圖，是 Multisim軟件畫出的，可以對其進13河南理工大學課程設計報告書行仿真:圖3.5克拉潑仿真電路圖卜面給出當圖中C7變化時對波形的影響:3.3.3電容參數(shù)改變對波形的影響(1) C7 為 0% 即 C7=0pF;14河南理工大學課程設計報告書圖3.6示波器顯示波形圖rFrequency Counter-XFCl圖3.7 0%頻率計顯示仿真結果分析

15、：有圖可以看出，當C7=0pF時，波形本來是振蕩的，結果慢慢不再振蕩了, 說明此時不再滿足振蕩條件，不構成振蕩回路。當我把C7調為5%寸，又出現(xiàn)了振蕩曲線，如下圖所示，此時頻率大約為39Mhz 左右:圖3.7 5%時的頻率計顯示15河南理工大學課程設計報告書(2) C7 為 25%,即 C7=7.5pF;圖3.8 25%時的波形圖圖3.8 25%時的頻率圖仿真分析:由圖可以看出，當C7=7.5pF時，波形為正弦圖形且無失真，得到頻率為18.286Mhz 左右。16河南理工大學課程設計報告書(3) C7 為 50%,即 C7=15pF;圖3.9 50%時的波形圖圖3.10 50%時的頻率值仿真分

16、析:由圖可以看出，當C7=15pF時，波形為正弦圖形且無明顯失真，得到頻率值為 13.955Mhz 左右。17河南理工大學課程設計報告書(4) C7 為 75%,即 C7=22.5pF;圖3.11 75%時的波形圖Frequency Counter-XFCl圖3.12 75%的頻率值仿真分析：由圖可以看出，當C7=22.5pF時，波形為正弦圖形且無明顯失真，得到頻率值為11.782Mhz左右。18河南理工大學課程設計報告書(5) C7 為 100%,即 C7=30pF;圖3.13 100% 時的波形圖圖3.14100%寸的頻率值從以上振蕩波形可知，隨著C7的逐漸增大，振蕩波逐漸穩(wěn)定。當C7較小

17、時, 如，震蕩波不太穩(wěn)定，且太小時將不再起振。當C7較大時，如圖3.8到 圖3.13, 震蕩波比較穩(wěn)定。因此，C7不能太小，一般應較大些。19河南理工大學課程設計報告書四、電路制作與調試元件清單：電阻，56千歐、24千歐、1千歐、3千歐、5.1千歐各一個。三 極管2N2222A一個。電容1uF一個、10uF2個、100pF2個、5uF1個。可變電容 1uF一個，電感 300uF1 個，10uF1 個。五、總結在本次課程設計中，我選擇的題目是 LC正弦波的設計，根據(jù)所學的高頻電 路知識，我擬采用克拉潑電路震蕩器，它是一種改進型的電容反饋振蕩器， 具有 頻率穩(wěn)定性高，振幅穩(wěn)定等優(yōu)點。首先，我先對能

18、夠實現(xiàn)高頻震蕩器的幾種常見電路進行了分析與論證， 經過 分析，可以知道的特點：電感三點式振蕩器雖然說調頻方便， 容易起振但輸出波 形不理想。電容三點式振蕩器振蕩波形好但頻率穩(wěn)定性低。 克拉潑振蕩器振蕩頻 率改變可不影響反饋系數(shù)，振蕩幅度比較穩(wěn)定。綜上考慮，我最終采取了克拉珀 電路振蕩器。其次，在震蕩器的設計中，我首先分析了振蕩器的工作原理，并利用Protel 軟件畫出了克拉潑電路的原理圖，用做出了仿真電路圖。由于受實際條件所限， 我利用了 Multisim仿真軟件來對自己的設計電路圖進行仿真。 在仿真的過程中， 我對正弦波震蕩電路有了更進一步的了解。 通過這次課程設計，讓我更好的掌握 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。明 白了正弦波振蕩器的分類方法以及各個類型電路的震蕩波形，也逐漸對振蕩器的 振蕩頻率、震蕩幅度等相關技術指標有了一定的了解。改進：在實驗內容中通過對克拉潑電路震蕩器的仿真分析，可見當電感上串聯(lián)的電容容值改變時，頻率的范圍變化不大，頻率范圍大約為10.66939.395 （當C7=30pF時為10.669, C7=1.5pF時為39.395）。由此可見克拉潑振蕩器的可調范圍滿 足設計要求但是可調范圍較小。建議：若要改進振蕩器的可調范圍，可以在電感的兩端并上一個電