正弦波振蕩電路的設(shè)計與分析

2014屆《通信原理》課程設(shè)計《正弦波振蕩電路的設(shè)計與分析》課程設(shè)計說明書學(xué)生姓名張永良學(xué)號5021211107所屬學(xué)院信息工程學(xué)院專業(yè)通信工程班級通信工程15-1指導(dǎo)教師姚娜教師職稱講師塔里木大學(xué)教務(wù)處制目錄前言1工程概況1正文2設(shè)計的目的和意義2設(shè)計目的2克拉潑電容三點式振蕩電路的根本原理23.2.1振蕩器組成原那么23.2.2電路原理及分析3改良型電容三點式〔克拉潑振蕩器〕53.2.4克拉潑振蕩器的電路分析5克拉潑振蕩器的起振條件6克拉潑振蕩器的振蕩頻率6克拉潑振蕩器的電容參數(shù)影響7設(shè)計方法和內(nèi)容8電容三點式和改良型電容三點式仿真比擬8克拉潑振蕩器電容參數(shù)改變對波形的影響9結(jié)論10致謝10參考文獻：11前言振蕩器用于產(chǎn)生一定頻率和幅度的信號，它不需要外加輸入信號的控制，就能自動的將直流電能轉(zhuǎn)化為所需要的交流能量輸出。振蕩器的種類很多，根據(jù)產(chǎn)生振蕩波形的不同，可分為正弦波振蕩器和非正弦波震蕩器。正弦波振蕩器從組成原理來看，可分為反應(yīng)振蕩器和負阻振蕩器。正弦波振蕩器的作用是產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、幅度不變的正弦波輸出。以LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)振蕩器稱為LC正弦振蕩器。三點式振蕩器屬于LC振蕩器的一種，由于電容三點式頻率調(diào)節(jié)不便引起電路工作性能的不穩(wěn)定使該電路只適宜產(chǎn)生固定頻率的振蕩，所以選擇了改良型電容三點式〔克拉潑電路〕，即在電容三點式電路的根底上，在諧振回路的電感支路上串聯(lián)一個可調(diào)電容。此次設(shè)計的電路是建立在反應(yīng)電路根底之上的，在熟悉了改良型電容三點式的原理下，對電路進行仿真，由輸出波形比擬它們的不同，最后得出可調(diào)電容的值越大，振蕩頻率穩(wěn)定度越高。振蕩器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如，在無線電通信、播送、電視設(shè)備中來產(chǎn)生所需要的載波和本機振蕩信號；在電子測量儀器中用來產(chǎn)生各種頻段的正弦信號。工程概況此次課程設(shè)計是在multisim軟件下對改良型電容三點式克拉潑電路的輸出波形進行仿真。由于振蕩器的種類很多，適用的范圍也不相同，但它們的根本原理都是相同的，都由放大器和選頻網(wǎng)絡(luò)組成，都要滿足起振，平衡和穩(wěn)定條件。本次課程設(shè)計要求振蕩器的輸出頻率為10Mhz，屬于高頻范圍。所以選擇LC振蕩器作為參考對象，再考慮輸出頻率和振幅的穩(wěn)定性，最終選擇了克拉潑振蕩器。此次可設(shè)用了兩周的時間，對改良型電容三點式克拉潑電路進行仿真，發(fā)現(xiàn)了克拉潑電路的優(yōu)缺點。正文設(shè)計目的熟悉multisim軟件，運用軟件里的一些元器件連接電路圖，完成課程設(shè)計：改變型電容三點式〔克拉潑電路〕設(shè)計仿真。1.對改良型電容三點式〔克拉潑電路〕進行輸出波形仿真，并分析。3.調(diào)節(jié)可變電容的值，觀察輸出波形的變化，并與實際理論值進行比擬。設(shè)計意義設(shè)計的改良型電容三點式電路克服了電容三點式電路的頻率高的缺點，在實際應(yīng)用中的范圍更加廣泛。拉潑電容三點式振蕩電路的根本原理振蕩器組成原那么電容反應(yīng)式振蕩電路的根本電路就是通常所說的三端式〔又稱三點式〕的振蕩器，即LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接而成的電路，如下圖3-2-1。由圖可見，除晶體管外還有三個電抗元件X1、X2、X3，它們構(gòu)成了決定振蕩器頻率的并聯(lián)諧振回路，同時構(gòu)成了正反應(yīng)所需的網(wǎng)絡(luò)，為此根據(jù)振蕩器組成原那么，三端式振蕩器有兩種根本電路，如圖3-2-1〔a〕〔b〕圖3-2-1三端式振蕩器根本電路電路由放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)組成?？傮w設(shè)計方案框圖如下：選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)放大電路放大電路反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)圖3-2-2電容反應(yīng)式振蕩電路設(shè)計框圖三點式LC正弦波振蕩器的組成法那么是：與晶體管發(fā)射極相連的兩個電抗元件應(yīng)為同性質(zhì)的電抗，而與晶體管集電極—基極相連的電抗元件應(yīng)與前者性質(zhì)相反。也就是說上圖〔b〕中、與的性質(zhì)必須相反振蕩器才能起振。電路原理及分析電容反應(yīng)式電路工作原理及分析圖3-2-3〔a〕是電容三點式電路一種常見形式,〔ｂ〕是其高頻等效電路。圖中Ｃ1、Ｃ3是回路電容,Ｌ1是回路電感,Ｃ2和Ｃ5分別是高頻旁路電容和耦合電容。一般來說,旁路電容和耦合電容的電容值至少要比回路電容值大一個數(shù)量級以上。有些電路里還接有高頻扼流圈,其作用是為直流提供通路而又不影響諧振回路工作特性。對于高頻振蕩信號,旁路電容和耦合電容可近似為短路,高頻扼流圈可近似為開路?！瞐〕〔b〕圖3-由于電容三點式電路已滿足反應(yīng)振蕩器的相位條件,只要再滿足振幅起振條件就可以正常工作。因為晶體管放大器的增益隨輸入信號振幅變化的特性與振蕩的三個振幅條件一致,所以只要能起振,必定滿足平衡和穩(wěn)定條件。(1)平衡條件振蕩器的平衡條件即為，也可以表示為：，即為振幅平衡條件和相位平衡條件。平衡狀態(tài)下，電源供應(yīng)的能量正好抵消整個環(huán)路損耗的能量，平衡時輸出幅度將不在變化：振幅平衡條件決定了振蕩器輸出信號振幅的大?。画h(huán)路只有在某一特定的頻率上才能滿足相位平衡條件：相位平衡條件決定了振蕩器輸出信號頻率的大小。(2)起振條件振蕩器在實際應(yīng)用時不應(yīng)有外加信號，而應(yīng)是一加上電后即產(chǎn)生輸出；振蕩的最初來源是振蕩器在接通電源時不可防止地存在的電沖擊及各種熱噪聲。振蕩開始時鼓勵信號很弱，為使振蕩過程中輸出幅度不斷增加，應(yīng)使反應(yīng)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。由可知，稱為自激振蕩的起振條件，也可寫為，分別稱為起振的振幅條件和相位條件，其中起振的相位條件即為正反應(yīng)條件。(3)穩(wěn)定條件振蕩器的穩(wěn)定條件分為振幅穩(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，振蕩器在其平衡點必須具有阻止振幅變化的能力。具體來說，就是在平衡點附近，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)定條件振蕩器的相位平衡條件是φT〔ω0〕＝２ｎπ。在振蕩器工作時,某些不穩(wěn)定因素可能破壞這一平衡條件。如電源電壓的波動或工作點的變化可能使晶體管內(nèi)部電容參數(shù)發(fā)生變化,從而造成相位的變化,產(chǎn)生一個偏移量Δφ。由于瞬時角頻率是瞬時相位的導(dǎo)數(shù),所以瞬時角頻率也將隨著發(fā)生變化。為了保證相位穩(wěn)定,要求振蕩器的相頻特性φT〔ω〕在振蕩頻率點應(yīng)具有阻止相位變化的能力。具體來說,在平衡點ω=ω0附近,當(dāng)不穩(wěn)定因素使瞬時角頻率ω增大時,相頻特性φT〔ω0〕應(yīng)產(chǎn)生一個-Δφ,從而產(chǎn)生一個-Δω,使瞬時角頻率ω減小。改良型電容三點式〔克拉潑振蕩器〕在電容三點式電路中，要減小極間電容在回路總電容中的比重，可以采用局部接入的方法。一種電容三點式振蕩器的改良型電路——克拉潑振蕩器就是從這一點出發(fā)得到的。在電容三點式振蕩器電路的回路中僅多加一個與、相串聯(lián)的電容即構(gòu)成了克拉潑振蕩器。3.克拉潑振蕩器的電路分析(a)實際電路(b)交流通路圖3-2-圖3-2-4〔a〕和〔b〕分別是克拉潑振蕩器的實際電路和相應(yīng)的交流通路。由圖3-2-4〔a〕可知，克拉潑電路與電容三點式電路的差異，僅在回路中多加一個與、相串聯(lián)的電容。通常取值較小，滿足，，回路總電容主要取決于。而回路中的不穩(wěn)定電容主要是三極管的極間電容、、，它們又都直接并接在、上，不影響值，結(jié)果是減小了這些不穩(wěn)定電容對振蕩頻率的影響，而且越小，這種影響就越小，環(huán)路增益就越小，回路標(biāo)準(zhǔn)性就越高。實際情況下，克拉潑電路的頻穩(wěn)度大體上比電容三點式電路高一個量級，達。3.克拉潑振蕩器的起振條件〔a〕克拉潑電路〔b〕開環(huán)電路圖3-3-5在如圖〔a〕所示的克拉潑電路中，、的串聯(lián)支路呈感性，符合三點式電路的組成法那么，即與發(fā)射極連接的為和，而不與發(fā)射極連接的為感性電抗。該電路滿足相位平衡條件。在×處斷開，可以得到如圖〔b〕所示的開環(huán)電路。它的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)系數(shù)保持不變，仍為，，不同的僅是需要通過和的電容分壓網(wǎng)路折算到集電極上，折算后的數(shù)值為〔或〕，其中。因此，該電路的振幅起振條件其中，。3.克拉潑振蕩器的振蕩頻率克拉潑振蕩電路是在電容三點式振蕩電路的根底上，采用和的串聯(lián)電路代替原來的而構(gòu)成的。由圖3-2-4〔b〕可知，在工作頻率上，與串聯(lián)支路應(yīng)等效為一個電感，和以及并接在，上的，只是整個回路電容的一局部，晶體管以局部接入的方式與回路聯(lián)接，這樣就減弱了晶體管與回路的耦合。由于，，因而回路總電容近似等于，振蕩器的振蕩頻率為：顯然，管子的結(jié)電容對的影響是很小的，而且越小，結(jié)電容對振蕩頻率的影響就越小。但是，由于，只是整個振蕩回路的一局部，晶體管是以局部接入的方式與回路連接，減弱了晶體管與回路之間的耦合。而晶體管的電壓反應(yīng)系數(shù)為：。如果設(shè)回路L兩端的等效負載為，那么折合到集電極回路作為集電極負載電阻:為回路總阻抗反映到管子ce端的接入系數(shù)，其值為可見減小也減小，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)下降，會影響起振條件。由于通過改變來改變振蕩頻率的同時會影響負載電阻變化，進而影響振蕩器的性能，故克拉潑振蕩器不適合用作頻率可變振蕩器。3.克拉潑振蕩器的電容參數(shù)影響如圖3-2-4〔a〕所示，在電容三點式振蕩電路中接入后，雖然振蕩器的反應(yīng)系數(shù)不變，但是接在兩端的電阻折算到振蕩管集基極間的數(shù)值〔設(shè)為〕減小，其值為：式中，是、和包括各極間電容在內(nèi)的總電容。因而，放大器的增益亦即環(huán)路增益將相應(yīng)減小。顯然，越小，環(huán)路增益就越小?？芍谶@種振蕩電路中，減小來可提高回路標(biāo)準(zhǔn)性。但取值過小，振蕩器就不會滿足振幅起振條件而停振。電容三點式和改良型電容三點式仿真比擬圖3-3-1電容三點式電路仿真圖3-3-2與共基電容三點式振蕩器電路相比，在電感支路上串連一個電容。但它有以下特點：1、振蕩頻率改變不影響反應(yīng)系數(shù)；2、震蕩幅度比擬穩(wěn)定；3、電路中C3為變電容，調(diào)整它可一定范圍內(nèi)調(diào)整震蕩頻率；但C3不能太小，否那么導(dǎo)致停振，所以克拉潑振蕩器頻率覆蓋率較小，僅達1.2-1.4。為此，克拉潑振蕩器適合作固定頻率振蕩器。圖3-3-3改良型電容三點式-克拉潑電路共基極仿真電路圖3-3-4改良型電容三點式(克拉潑電路)輸出波形仿真比擬電容三點式電路和改良型電容三點式電路，可以發(fā)現(xiàn)，電容三點式的優(yōu)點是電容對高次諧波呈現(xiàn)較小容抗，反應(yīng)信號中高次諧波分量小，故震蕩輸出波形好；缺點是頻率調(diào)節(jié)不方便，只適用于頻率調(diào)節(jié)范圍不大的場合，而且晶體管之間會存在寄生電容，他們均與諧振回路并聯(lián)，會使振蕩頻率發(fā)生偏移，同時極間電容會隨晶體管的工作狀態(tài)變化。改良型電容三點式(克拉潑電路)的優(yōu)點是減小晶體管的極間電容，使振蕩頻率穩(wěn)定度明顯提高了；缺點接入可變電容后，使晶體管的輸出端和回路耦合減弱，放大器的放大倍數(shù)減小，從而使振蕩器輸出的幅度小。3.克拉潑振蕩器電容參數(shù)改變對波形的影響由克拉潑振蕩器的起振條件可知，當(dāng)C6改變時會對電路的起振條件會產(chǎn)生很大的影響。如果C6取值過小，振蕩器就不會不滿足振幅起振條件而停振。設(shè)C6為15pF，20%時，可以得到電路的仿真波形如下圖?？砂l(fā)現(xiàn)，波形明顯失真了。圖3-3-5改變C6后的仿真波形電容三點式振蕩器的反應(yīng)信號取自電容兩端，因為電容對高次諧波呈現(xiàn)較小的容抗，反應(yīng)信號中高次諧波分量小，故震蕩輸出波形好。但當(dāng)通過改變或來調(diào)節(jié)振蕩頻率時，同時會改變正反應(yīng)量的大小，因而會使輸出型號幅度發(fā)生變化，甚至?xí)拐袷幤魍Ｕ?，所以電容三點式振蕩電路頻率調(diào)節(jié)很不方便，故使用于頻率調(diào)節(jié)范圍不大的場合。而改良型電容三點式僅在諧振回路電感支路增加了一個電容，卻能克服這些缺點。致謝經(jīng)過一周的時間，終于順利的完成了此次課程設(shè)計，回憶這次課程設(shè)計的過程，感覺自己收獲了很多，同時也發(fā)現(xiàn)了自身存在一些問題，我發(fā)現(xiàn)了自己對書本上的知識掌握的不好，理解的程度也不夠。這次課程設(shè)計，通過查閱相關(guān)資料和對課本知識的仔細研究，使我對抽象的理論有了具體的認識，我掌握了電容三點式、改良型電容三點式電路的原理以及優(yōu)缺點，熟悉了multisim軟件的使用和電路圖的仿真，以及改變參數(shù)時對仿真圖形進行比擬和分析。對于電路的設(shè)計過程我以為電容三點式振蕩器的設(shè)計很難，設(shè)計比擬煩瑣，有靜態(tài)工作點的要求，各電阻、電容值的設(shè)計，還有好多要求，看起來十分復(fù)雜。后來通過查資料，才了解到先要計算好各電阻的值，再根據(jù)各電容的作用，確定電容的值，畫出電路圖，一切都會變得簡單。同樣，在這次課程設(shè)計中也遇到了不少問題，尤其是編輯公式時，操作不靈便，編輯好的文檔沒有及時保存，以至于從頭再來，浪費了很多時間。但吃一塹長一智，現(xiàn)在遇到這些問題，及時解決，以后再做這類事情就會多一點經(jīng)驗，就會少出一些類似問題?；貞浧鸫苏n程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，從理論到實踐，在這段日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時不僅可以穩(wěn)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際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會效勞，從而