高頻課程設計LC振蕩器西勒

1、高頻電子線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 電信11-3 學 號 學生姓名 楊春衛(wèi) 指導教師 王立國 教師評分 2014年 1月 10日目 錄一、設計任務與要求.1二、設計方案.12.1電感反饋式三端振蕩器.12.2電容反饋式三端振蕩器.22.3克拉波電路振蕩器.32.4西勒電路振蕩器.4三、設計內(nèi)容.53.1 LC振蕩器的基本工作原理 .53.2西勒電路原理圖及分析.6振蕩原理7靜態(tài)工作點的設置73.3西勒振蕩器原理圖.83.4 仿真結果與分析.8軟件簡介8進行仿真9仿真結果分析11四、總結.11五、主要參考文獻.13一、 設計任務與要求在本課程設計中，為了熟悉高頻電

2、子線路課程，著眼于LC正弦波振蕩器的分析和研究。通過對電感反饋式三端振蕩器（哈特萊振蕩器）、電容反饋式三端振蕩器（考畢茲振蕩器）以及改進型電容反饋式振蕩器（克拉波電路和西勒電路）的分析、對比和討論，以達到課程設計的目的和要求。在課程設計中，為了學習Multisim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。本課程設計中要求設計的正弦波振蕩器能夠輸出穩(wěn)定正弦波信號，輸出頻率可調(diào)范圍為1020MHz。本設計中所涉及的仿真電路是比較簡單的。但通過仿真得到的結論在實際的類似電路中有很普遍的意義。

3、二、 設計方案通過對高頻電子線路相關知識的學習，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（克拉波電路和西勒電路）等。其中互感反饋易于起振，但穩(wěn)定性差，適用于低頻，而電容反饋三點式振蕩器穩(wěn)定性好，輸出波形理想，振蕩頻率可以做得較高。由所學知識可知，西勒電路具有該電路頻率穩(wěn)定性非常高，振幅穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)方便，適合做波段振蕩器等優(yōu)點。所以在本設計中擬采用并聯(lián)改進型的西勒電路振蕩器。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電感三點式振蕩器又稱哈特萊振蕩器，其原理電路如圖所示:起振條件：式中，為考慮震蕩回路阻抗后的晶體管等效輸出

4、導納，此處為輸出回路的諧振阻抗。震蕩頻率：電感反饋震蕩電路的優(yōu)點是：由于和之間有互感存在，所以容易起振。其次是改變回路電容來調(diào)整頻率時，基本上不影響電路的反饋系數(shù)，比較方便。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，由于和上的分布電容和晶體管的極間電容均并聯(lián)于與兩端，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。因此，這種電路盡管它的工作頻率也能達到甚高頻波段，但是在甚高頻波段里，優(yōu)先選擇

5、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，其原理電路如圖：反饋系數(shù)F的表達式不考慮各極間電容的影響，這時諧振回路的總電容量為、的串聯(lián)，即振蕩頻率的近似為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，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?shù)募哟蠡芈冯娙萘浚涂梢詼p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

6、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(diào)或來改變震蕩頻率時，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，并令與為固定電容，則在調(diào)整頻率時，基本上不會影響反饋系數(shù)。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： 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C3，其取值比較小，要求C3<< C1，C3<< C2。先不考慮各極間電容的影響，這時諧振回路的總電容量C為C1、C2 和C3的串聯(lián)，即于是，振蕩頻率為使上式成立的條件是C1和C2都要選得比較大，由此可見，C1、C2對振蕩頻率的影響顯

7、著減小，那么與C1、C2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。2.4 西勒電路振蕩器西勒電路是在克拉潑電路的L兩端并聯(lián)上一個電容得到的，有效的改善了克拉潑電路可調(diào)范圍小的缺點，電路圖如圖所示：所以振蕩頻率該電路頻率穩(wěn)定性非常高，振幅穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)方便，適合做波段振蕩器。通過對以上的幾種電路的分析，可以看出：1. 電感反饋式三端振蕩器：容易起振，調(diào)頻方便，但波形失真較大；2. 電容反饋式三端振蕩器：波形好，頻率穩(wěn)定性好，但調(diào)頻不方便；3. 克拉潑振蕩器：調(diào)頻方便但可調(diào)范圍小；4. 西勒振蕩器：頻率穩(wěn)定性高，振幅穩(wěn)定，調(diào)頻方便。 所以，在本設計中擬采用并聯(lián)改進型的西勒電路振

8、蕩器。三、 設計內(nèi)容3.1 LC振蕩器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、超聲探傷等領域有著廣泛的應用；而非正弦振蕩器能產(chǎn)生出矩形波(方波)、三角波、鋸齒波等信號，這些信號可以用于測量設備、數(shù)字系統(tǒng)、自動控制及計算機設備中。本設計討論的就是正弦波振蕩器。其框圖如圖1所示。放大電路選頻網(wǎng)絡正反饋網(wǎng)絡輸出振蕩器原理框圖由所學知識可知，構成一個振蕩器必須具備下列三個

9、條件：1) 一套振蕩回路，包含兩個（或兩個以上）儲能元件。在這兩個元件中，當一個釋放能量時，另一個就接收能量。釋放與接收能量可以往返進行，其頻率決定于元件的數(shù)值。2) 一個能量來源，補充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的能量損失。在晶體管振蕩器中，這個能源就是直流電源。3) 一個控制設備，可以使電源功率在正確的時刻補充電路的能量損失，以維持等幅振蕩。這是由有源器件和正反饋電路完成的。3.2 西勒振蕩器電路原理圖：振蕩原理西勒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：震蕩回路的總電容為：所以可以得到振蕩頻率為：此時，為粗調(diào)，為細調(diào)，電路調(diào)頻方便而且調(diào)頻范圍大。靜態(tài)工作

10、點的設置合理地選擇振蕩器的靜態(tài)工作點，對振蕩器的起振，工作的穩(wěn)定性，波形質(zhì)量的好壞有著密切的關系。般小功率振蕩器的靜態(tài)工作點應選在遠離飽和區(qū)而靠近截止區(qū)的地方。根據(jù)上述原則，一般小功率振蕩器集電極電流ICQ大約在0.8-4mA之間選取，故本實驗電路中：選ICQ=2mA， VCEQ=6V，=100則有為提高電路的穩(wěn)定性Re值適當增大，取Re=1K則Rc2K因：UEQ=ICQ·RE 則：UEQ =2mA×1K=2V因： IBQ=ICQ/ 則： IBQ =2mA/100=0.02mA一般取流過Rb2的電流為5-10IBQ , 若取10IBQ因： 所以取標稱電阻為12K。因：則：振

11、蕩回路元件參數(shù)的計算回路中的各種電抗元件都可歸結為總電容C和總電感L兩部分。確定這些元件參量的方法，是根據(jù)經(jīng)驗先選定一種，而后按振蕩器工作頻率再計算出另一種電抗元件量。從原理來講，先選定哪種元件都一樣，但從提高回路標準性的觀點出發(fā)，以保證回路電容Cp遠大于總的不穩(wěn)定電容Cd原則，先選定Cp為宜。若從頻率穩(wěn)定性角度出發(fā)，回路電容應取大一些，這有利于減小并聯(lián)在回路上的晶體管的極間電容等變化的影響。但C不能過大，C過大，L就小，Q值就會降低，使振蕩幅度減小，為了解決頻穩(wěn)與幅度的矛盾，通常采用部分接入。反饋系數(shù)F=C1/C2，不能過大或過小，適宜1/81/2。因振蕩器的工作頻率為：當LC振蕩時，按題目

12、要求令=10MHz ，L10H本電路中，則回路的諧振頻率主要由C4、C6決定，即有 取C4 =75pf，C6=82pf，因要遵循C2，C3>>C4,C6，C2/C3=1/81/2的條件，故取C2=680pf，則C3=680pf。為了盡可能地減小負載對振蕩電路的影響，振蕩信號應盡可能從電路的低阻抗端輸出。3.3 西勒振蕩器電路圖：如圖，下圖為西勒電路振蕩器的電路圖，是Protel軟件畫出的，Protel軟件是一款功能強大的原理圖繪制及PCB制作軟件?？梢苑奖憧旖莸倪M行原理圖的繪制：3.4 西勒振蕩器仿真：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

13、拿大IIT公司（Interactive Image Technologise Ltd.）推出的繼EWB之后的版本。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。Multisim軟件特點:(1)直觀的圖形界面：整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控

14、制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。(2)豐富的元器件庫：Multisim大大擴充了EWB的元器件庫， 包括基本元件、半導體器件、運算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種部件，且用戶可通過元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過liT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴充和更新服務。(3)豐富的測試儀器：除EWB具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉換儀外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡分析儀。尤其與EWB不同的是：所有儀器均可多臺同時調(diào)用。(

15、4)完備的分析手段：除了EWB提供的直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點一零點分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外，Multisim 新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基本上能滿足一般電子電路的分析設計要求。(5)強大的仿真能力：Multisim 既可對模擬電路或數(shù)字電路分別進行仿真，也可進行數(shù)?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻(RF) 電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，仿真結果可隨時儲存和打印。進行仿真下圖為西勒電路振蕩器的電路圖，是Multis

16、im軟件畫出的，可以對其進行仿真：仿真電路圖仿真結果：示波器輸出波形頻率計顯示頻率3.4.3仿真結果分析采用西勒振蕩電路，因為西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器的相同，由于改變頻率主要通過C4完成的，C4的改變并不影響接入系數(shù)p，所以波段內(nèi)輸出較平穩(wěn)。而且C4改變，頻率變化較明顯，故西勒振蕩器的頻率覆蓋系數(shù)較大，可達1.61.8。由仿真結果可以看出，波形基本無失真，輸出頻率帶15Mhz附近，符合課程設計要求。四、 總結本次課程設計我選擇的題目是LC正弦波的設計，根據(jù)所學的高頻電路知識，我擬采用西勒電路震蕩器，因為它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，具有頻率穩(wěn)定性高，振幅

17、穩(wěn)定，調(diào)頻方便等優(yōu)點。首先，我先對能夠實現(xiàn)高頻震蕩器的幾種常見電路進行了分析與論證，經(jīng)過分析，可以知道的特點：電感三點式振蕩器雖然說調(diào)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)定但可調(diào)范圍小。西勒振蕩器振蕩幅度比較穩(wěn)定，振蕩頻率可以較高，做可變頻率振蕩器時，其波段覆蓋系數(shù)較大，波段范圍內(nèi)輸出電壓幅度比較平穩(wěn)。綜上考慮，我最終采取了西勒電路振蕩器。其次，在震蕩器的設計中，我首先分析了振蕩器的工作原理，并畫出了西勒電路的原理圖與仿真電路圖。然后是對電路參數(shù)的計算，使其能夠達到震蕩頻率的要求。由于受實際條件所限

18、，我利用了仿真軟件Multisim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.更深刻的理解課本知識。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。在本次的設計報告中， 振蕩電路接通電源后，有時不起振，或者在外界信號強烈觸發(fā)下才起振（硬激勵），在波段振蕩器中有時只在某一頻段振蕩，而在另一頻段不振蕩等。所有這些現(xiàn)象無非是沒有滿足相位平衡條件或振幅平衡條件。如果在全波段內(nèi)不振蕩，首先要看相位平衡條件是否滿足。對三端振蕩電路要看是否滿足對應的相位平衡判斷標準。此外，還要在振幅平衡條件所包含的各種因素中找原因。1、靜態(tài)工作點選的太小。2、電源電壓過低，使振蕩管放大倍數(shù)太小。3、負載太重，振蕩管與回路間耦合過緊，回路Q值太低。4、回路特性阻抗或介入系數(shù)pce太小，使回路諧振阻抗RO太低。5、反饋系數(shù)kf太小，不易滿足振幅平衡條件。但kf并非越大越好，應適當選取。在這個設計當中，我學會了振蕩電路中的一些基礎理論知識，在設計電路元件參數(shù)的時候首先要考慮電路起振條件和平衡條件，這分別包含振幅條件和相位條