实训报告正弦波振荡器设计multisim样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。

高频电路( 实训) 报告

项目: 正弦波振荡器仿真设计
班级: 级应电2班
姓名: 周杰
学号: 14052 2

摘 要

自激式振荡器是在无需外加激励信号的情况下, 能将直流电能转换成具有一定波形、 一定频率和一定幅值的交变能量电路。正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、 幅度不变的正弦波输出。基于频率稳定、 反馈系数、 输出波形、 起振等因素的综合考虑, 本次课程设计采用电容三点式振荡器, 运用multisim软件进行仿真。根据静态工作点计算出回路的电容电感取值, 得出输出频率与输出幅度有效值以达到任务书的要求。

关键词: 电容三点式; 振荡器; multisim;

目 录

1、 绪论 1
2、 方案的确定 2
3、 工作原理、 硬件电路的设计和参数的计算 3
3.1 反馈振荡器的原理和分析 3
3.2. 电容三点式振荡单元 4
3.3 电路连接及其参数计算 5
4、 总体电路设计和仿真分析 6
4.1组建仿真电路 6
4.2仿真的振荡频率和幅度 7
5、 参数调整对比/结论 9
附录 10
附录Ⅰ元器件清单 10
附录Ⅱ电路总图 11

1、 简介
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。凡是能够完成这一目的的装置都能够作为振荡器。一个振荡器必须包括三部分: 放大器、 正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的, 只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率 能经过, 使振荡器产生单一频率的输出。
振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的; 一个是反馈电压 和输入电压 要相等, 这是振幅平衡条件。二是 和 必须相位相同, 这是相位平衡条件, 也就是说必须保证是正反馈。一般情况下, 振幅平衡条件往往容易做到, 因此在判断一个振荡电路能否振荡, 主要是看它的相位平衡条件是否成立。
本次课程设计我设计的是电容反馈三点式振荡器, 电容三点式振荡器, 也叫考毕兹振荡器, 是自激振荡器的一种, 这种电路的优点是输出波形好。电容三点式振荡器是由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。
本课题旨在根据已有的知识及搜集资料设计一个正弦波振荡器, 要求根据给定参数设计电路, 并利用multisim仿真软件进行仿真验证, 达到任务书的指标要求, 最后撰写课设报告。报告内容按照课设报告文档模版的要求进行, 主要包括有关理论知识介绍, 电路设计过程, 仿真及结果分析等。
主要技术指标: 输出频率9 MHz, 输出幅度( 有效值) ≥5V。

2、 方案的确定
正弦波振荡器分为LC振荡器、 RC振荡器和晶体振荡器等类型。其中LC和晶体振荡器用于产生高频正弦波, RC振荡器用于产生低频正弦波。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
LC振荡器的电路种类比较多, 根据不同的反馈方式, 又可分为互感反馈振荡器, 电感反馈三点式振荡器, 电容反馈三点式振荡器, 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, 振荡频率能够做得较高。
由课程设计的技术指标来看本次正弦波振荡器课程设计选择电容反馈三点式振荡器。
电容反馈的三点式振荡器主要是经过电容反馈, 因此可减弱高次谐波的反馈, 使振荡产生的波形得到改进, 又适用于较高波段工作, 当前已被广泛的应用于本振, 调频, VCO压控振荡器等高频电路中。

3、 工作原理、 硬件电路的设计和参数的计算
3.1 反馈振荡器的原理和分析
反馈振荡器原理方框图如图3.1所示。反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路, 放大器一般是以某种选频网络( 如振荡回路) 作负载, 是一个调谐放大器。

图3.1反馈振荡器方框图
为了能产生自激振荡, 必须有正反馈, 即反馈到输入端的自你好与放大器输入端的信号相位相同。定义A( S) 为开环放大器的电压放大倍数:

F(S)为反馈网络的电压反馈系数:

为闭环电压放大倍数:

在振荡开始时, 由于激励信号较弱, 输出电压的振幅则比较小, 此后经过不断放大与反馈循环, 输出幅度开始逐渐增大, 为了维持这一过程使输出振幅不断增加, 应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大, 即振荡开始时应为增幅振荡, 即:

因此起振的振幅条件是:

起振的相位条件是:

要使振荡器起振必须同时满足起振的振幅条件和相位条件。其中起振的相位条件即为正反馈条件。

3.2. 电容三点式振荡单元
该单元由放大器、 反馈网络和选频网络组成, 放大单元由2N2923三极管构成放大电路, 将反馈信号放大, 反馈网络起正反馈, 将信号反馈到放大单元输入, 进一步放大, 选频网络根据自身参数, 在复杂的频谱中选取与自身谐振频率相同的频率将其反馈, 因此此信号得以不断放大最终由输出端输出。其单元电路图如图3.2。

图3.2振荡电路

3.3 电路连接及其参数计算
如图3.3为电容反馈三点式原理电路, 图中L, C4和C5组成振荡器回路, 作为晶体管放大器的负载阻抗, 反馈信号从C5两端取得, 送回放大器输入端。

图3.3电容三点式振荡器
对于晶体管静态工作点, 合理地选取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。一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, 故本设计电路中选取
ICQ=1mA VCEQ=ICQ*R2=0.001* =2V β=100
由图可知发射极与两个同性质电抗相连, 集电极与基极间连接一个异性质电抗, 满足了相位平衡条件。技术指标给出f0=9MHz, 令L=4μH, 经过学习可知电路的振荡频率公式f0为:
f0=1/2π[L(C2C1/ (C2+C1)]1/2
图3.3中的C4 与C5分别为公式中的C1 和C2 ,经过计算可得出总电容C
C = C2C1/ (C2+C1)=7.83*10^-11F
令C1 =150pF, 则经过公式C = C2C1/ (C2+C1)能够计算出C2 ≈150pF
由以上数值能够计算出电路的理论计算振荡器的频率为
f0≈9.19MHz
引起振荡频率不稳定的原因有谐振回路的参数随时间、 温度和电源电压的变化而变化、 晶体管参数的不稳定, 以及振荡器负载的变化等。为了得到稳定的振荡频率, 除选用高质量的电路原件、 采用直流稳压电源以及恒温等措施外, 还应提高振荡回路的品质因数值, 因为值越大, 相频特性曲线在附近的斜率也越大, 选频特性就越好。

4、 总体电路设计和仿真分析
4.1组建仿真电路
运用Multisim软件, 在电子平台上组建仿真电路, 连接如图4.1所示仿真电路

图4.1仿真电路
4.2仿真的振荡频率和幅度
( 2) 点击电源开关电路开始进行仿真, 双击示波器, 显示出如图4.2所示震荡波形。由波形可知振幅有效值大于5V。

图4.2振荡波形
( 3) 双击频率计, 显示如图4.3所示的频率仿真值

图4.3频率仿真值

电路的理论计算振荡器的频率为计算得出
f0≈9.19MHz
而仿真的实际频率值f0=8.997MHz, 与理论值稍有偏差。
4、 参数调整对比/结论
1、 当L1=4uH, C4=150pF, C5=150pF时, 振荡波形和振荡频率为

当L1=8uH, C4=150pF, C5=150pF时, 振荡波形和振荡频率为

上面这组对比说明了:
L1数值越大, 输出频率越小、 输出波形越宽。

2、 当L1=4uH, C4=150pF, C5=150pF时, 振荡波形和振荡频率为

当L1=4uH, C4=300pF, C5=300pF时, 振荡波形和振荡频率为

上面这组对比说明了:
C4、 C5越大, 输出频率就越小。C4、 C5越小, 输出波形就越窄。

3、 当L1=4uH, C4=150pF, C5=150pF时, 反馈系数为: 1 振荡波形和振荡频率为

当L1=4uH, C4=300pF, C5=150pF时, 反馈系数为: 2 振荡波形和振荡频率为

当L1=4uH, C4=150pF, C5=300pF时, 反馈系数为: 0.5 振荡波形和振荡频率为

上面这组对比说明了:
当C4的值越大的时候, 输出来得波形也就高度也跟着增高, C4的值越小, 输出来的波形的高度也跟着减小; C4越大、 C5越小, 反馈系数越大, C4越小、 C5越小, 反馈系数越小; 当反馈等于1的时候, 输出频率是最高, 效果是最好的。

小结:

电容三点式振荡电路优缺点:
电容三点式振荡器的优点是输出波形好。这是由于反馈电压取自电容支路, 而电容对高次谐波的阻抗很小, 因而输出波形中因非线性产生的高次谐波的成分较小, 当振荡器较高时, 能够直接利用晶体管
三点式振荡电力的振荡频率。这种电路的缺点是改变电容来调节振荡频率时, 反馈系数F也会随之改变, 严重时会影响输出电压的稳定和起振条件。

此次设计主要针对各种电容反馈三点式电路提出自己的设计方案, 并利用仿真软件Multisim来实现自己的设计电路图。设计中用到了考毕兹振荡器, 克拉波振荡器, 西勒振荡器电路等在通信电子电路课程中学到的知识。。
经过对上述振荡器的设计与仿真, 了解了正弦波振荡器在结构上的利与弊, 是我们在选择正弦波振荡器时更加明确哪种振荡器更适合。这次技能训练, 让我们更好的掌握了各种电路的测试与计算; 熟悉了电子仿真的工作原理和其具体的使用方法.更深刻的理解课本知识。

附录

附录Ⅰ元器件清单

序号
编号
名称
型号
数量
1
R1 R2 R3
电阻
12KΩ 2KΩ 100Ω
3
2
C1 C2 C3 C4 C5
电容
100pF 1μF 1μF 150pF 150pF
5
3
L1 L2
电感
4uH 10mH
2
4
Q1
三极管
2N2923
1

附录Ⅱ电路总图