(完整)高频课程设计-LC振荡器-西勒

高频电子线路课程设计报告设计题目：LC正弦波振荡器的设计2014年1月10日专业班级电信11-3学号311108001724学生姓名杨春卫指导教师王立国教师评分河南理工大学课程设计报告书目录一、设计任务与要求…………….…………………………………………………1二、设计方案…………….…………………………………………………………12.1电感反馈式三端振荡器……………………………………...……………12.2电容反馈式三端振荡器………………………………………...…………22.3克拉波电路振荡器………………………………………………...………32.4西勒电路振荡器………………………………………………………...…4三、设计内容………………………………………………………………………..53.1LC振荡器的基本工作原理…………………………………………..…..53.2西勒电路原理图及分析…………………………………...….………..….63.2.1振荡原理……………………………………………………………73.2.2静态工作点的设置…………………………………………………73.3西勒振荡器原理图……………………………………….………….…….83.4仿真结果与分析……………………………………………….………….83.4.1软件简介……………………………………………………………83.4.2进行仿真……………………………………………………………93.4.3仿真结果分析………………………………………………………11四、总结…………………………………………………………………….………11五、主要参考文献………………………………………………………………….13河南理工大学课程设计报告书1一、设计任务与要求在本课程设计中，为了熟悉《高频电子线路》课程，着眼于LC正弦波振荡器的分析和研究。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）的分析、对比和讨论，以达到课程设计的目的和要求。在课程设计中，为了学习Multisim软件的使用，以及锻炼电子仿真的能力，我选用的仿真软件是Multisim11.0版本，该软件提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路图和文件管理功能。本课程设计中要求设计的正弦波振荡器能够输出稳定正弦波信号，输出频率可调范围为10~20MHz。本设计中所涉及的仿真电路是比较简单的。但通过仿真得到的结论在实际的类似电路中有很普遍的意义。二、设计方案通过对高频电子线路相关知识的学习，我们知道LC正弦波振荡器主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，适用于低频，而电容反馈三点式振荡器稳定性好，输出波形理想，振荡频率可以做得较高。由所学知识可知，西勒电路具有该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，频率调节方便，适合做波段振荡器等优点。所以在本设计中拟采用并联改进型的西勒电路振荡器。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:河南理工大学课程设计报告书2起振条件：feoeiefehMLMLhhh121'++式中，'oeh为考虑震荡回路阻抗后的晶体管等效输出导纳，)/1(''poeoeRhh+=，此处'pR为输出回路的谐振阻抗。震荡频率：MLLCLCf2π21π21≈21电感反馈震荡电路的优点是：由于1L和2L之间有互感存在，所以容易起振。其次是改变回路电容来调整频率时，基本上不影响电路的反馈系数，比较方便。这种电路的主要缺点是：与电容反馈震荡电路想比，其震荡波形不够好。这是因为反馈支路为感性支路，对高次谐波呈现高阻抗，故对于LC回路中的高次谐波反馈较强，波形失真较大。其次是当工作频率较高时，由于1L和2L上的分布电容和晶体管的极间电容均并联于1L与2L两端，这样，反馈系数F随频率变化而变化。工作频率愈高，分布参数的影响也愈严重，甚至可能使F减小到满足不了起振条件。因此，这种电路尽管它的工作频率也能达到甚高频波段，但是在甚高频波段里，优先选择的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的表达式河南理工大学课程设计报告书3211≈CCCF+不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量为1C、2C的串联，即21111CCC+=Σ振荡频率的近似为21212121CCCCLCf+≈≈ππ与电感三端震荡电路想比，电容三端振荡器的优点是输出波形较好，这是因为集电极和基极电流可通过对谐波为低阻抗的电容支路回到发射极，所以高次谐波的反馈减弱，输出的谐波分量减少，波形更加接近于正弦波。其次，该电路中的不稳定电容（分布电容、器件的结电容等）都是与该电路并联的，因此适当的加大回路电容量，就可以减弱不稳定因素对振荡器的影响，从而提高了频率稳定度。最后，当工作频率较高时，甚至可以只利用器件的输入和输出电容作为回路电容。因而本电路适用于较高的工作频率。这种电路的缺点是:调1C或2C来改变震荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令1C与2C为固定电容，则在调整频率时，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的LC震荡电路，电路图如下：河南理工大学课程设计报告书4它的特点是在前述的电容三点式振荡谐振回路电感支路中增加了一个电容C3，其取值比较小，要求C3C1，C3C2。先不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量CΣ为C1、C2和C3的串联，即4321Σ≈1111CCCCC++=于是，振荡频率为4Σ0π21≈π21≈LCLCf使上式成立的条件是C1和C2都要选得比较大，由此可见，C1、C2对振荡频率的影响显著减小，那么与C1、C2并接的晶体管极间电容的影响也就很小了，提高了振荡频率的稳定度。2.4西勒电路振荡器西勒电路是在克拉泼电路的L两端并联上一个电容得到的，有效的改善了克拉泼电路可调范围小的缺点，电路图如图所示：433214Σ≈1111CCCCCCC++++=所以振荡频率43Σ0π21≈π21≈CCLLCf该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，频率调节方便，适合做波段振荡器。通过对以上的几种电路的分析，可以看出：1.电感反馈式三端振荡器：容易起振，调频方便，但波形失真较大；河南理工大学课程设计报告书52.电容反馈式三端振荡器：波形好，频率稳定性好，但调频不方便；3.克拉泼振荡器：调频方便但可调范围小；4.西勒振荡器：频率稳定性高，振幅稳定，调频方便。所以，在本设计中拟采用并联改进型的西勒电路振荡器。三、设计内容3.1LC振荡器的基本工作原理振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。LC振荡器是一种能量转换器，由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络及反馈网络组成。振荡器根据自身输出的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的应用；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。本设计讨论的就是正弦波振荡器。其框图如图1所示。振荡器原理框图由所学知识可知，构成一个振荡器必须具备下列三个条件：1)一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。2)一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。3)一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。放大电路选频网络正反馈网络输出河南理工大学课程设计报告书63.2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的电容反馈振荡器，是在克拉泼电路上改进的来的，电路原理图如下所示：震荡回路的总电容为：433214Σ≈1111CCCCCCC++++=所以可以得到振荡频率为：43Σ0π21≈π21≈CCLLCf此时，4C为粗调，3C为细调，电路调频方便而且调频范围大。3.2.2静态工作点的设置合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。－般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间选取，故本实验电路中：选ICQ=2mA，VCEQ=6V，β=100则有KIUURRCQCEQCCce32612为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1KΩ则Rc＝2KΩ河南理工大学课程设计报告书7因：UEQ=ICQ·RE则：UEQ=2mA×1K=2V因：IBQ=ICQ/β则：IBQ=2mA/100=0.02mA一般取流过Rb2的电流为5-10IBQ,若取10IBQ因：BQBQbIVR27.0EQBQVVKVRb5.132.07.22所以取标称电阻为12KΏ。因：21bBQBQCCbRVVVR则：KKVVVRb3.41127.27.21213.2.2振荡回路元件参数的计算回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，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，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp为宜。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/8—1/2。因振荡器的工作频率为：LCf210当LC振荡时，按题目要求令0f=10MHz，L＝10μH本电路中，则回路的谐振频率0f主要由C4、C6决定，即)(212143CCLLCf河南理工大学课程设计报告书8有pfLfCC157412264取C4=75pf，C6=82pf，因要遵循C2，C3C4,C6，C2/C3=1/8—1/2的条件，故取C2=680pf，则C3=680pf。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。3.3西勒振荡器电路图：如图，下图为西勒电路振荡器的电路图，是Protel软件画出的，Protel软件是一款功能强大的原理图绘制及PCB制作软件。可以方便快捷的进行原理图的绘制：3.4西勒振荡器仿真：3.4.1软件简介Multisim是一个专门用于电子线路设计与仿真的EDA工具软件，它是加拿大IIT公司（InteractiveImageTechnologiseLtd.）推出的继EWB之后的版本。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。学生可以很方便地把刚刚学到的理论河南理工大学课程设计报告书9知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。Multisim软件特点:(1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的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，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。(2)丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库，包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编