《高频电子线路》

                  ——课程设计

  

       项    目_    LC高频振荡器   

       年级班别                       

       姓名学号                       

       组    员                       

       指导教师            教授      

                                     20##年12月

目录

摘要：...................................................... 2

一、设计要求................................................ 3

二、总体方案设计............................................ 3

三、工作原理说明............................................ 3

   3.1、振荡器概念........................................... 3

   3.2、静态工作点的确定..................................... 3

   3.3、振荡器的起振检查..................................... 4

   3.4、高频功率放大器....................................... 4

   3.5、电路设计原理框图..................................... 4

四、电路设计................................................ 5

   4.1正弦波振荡器电路图.................................... 5

   4.2 频率稳定性............................................ 6

   4.3 振幅稳定性............................................ 7

五、Multisim软件简介........................................ 7

六、实验电路性能的测试....................................... 8

七、结论及分析............................................. 11

八、课程设计总结及体会...................................... 11

参考文献................................................... 12

摘  要

    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。学习Multisim软件的使用，以及锻炼电子仿真的能力，我们选用的仿真软件Multisim110.0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410MHz。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。

【关键词】 正弦波  LC振荡器  Multisim

一、设计要求

    1. 选择合适的高频正弦波振荡器形式；

    2. 从理论上分析振荡器的各个参数及起振条件；

    3. 设计高频振荡器，选取电路各元件参数，使其满足起振条件及振幅条件。

主要技术指标：电源电压12V，工作频率4M~10MHz，输出电压1V，频率稳定度较高。

二、总体方案设计

     该课程设计主要涉及了振荡器的相关内容，正弦波振荡器非常具有实用价值，通过该课题的研究，可以加深对振荡器的了解。

三、工作原理说明

3.1 振荡器概念

    振荡器主要分为RC，LC振荡器和晶体振荡器。其中电容器和电感器组成的LC回路，通过电场能和磁场能的相互转换产程自由振荡。要维持振荡还要有具有正反馈的放大电路，LC振荡器又分为变压器耦合式和三点式振荡器，现在很多应用石英晶体的石英晶体振荡器 ，还有用集成运放组成的LC振荡器。

    振荡器的作用主要是将直流电变交流电.它有很多用途.在无线电广播和通信设备中产生电磁波.在微机中产生时钟信号.在稳压电路中产生高频交流电.。

题目要求产生高频正弦波，所以选用电容三点式电路，进一步考虑从而选用并联改进型电容三点式振荡器（西勒电路），因为它具有输出波形不易失真，作为可变振荡器使用非常方便，而且幅度平稳，频率稳定性高，最高振荡频率可达百兆至千兆等特点。

3.2 静态工作点的确定

    静态工作点的确定直接影响着电路的工作状态和振荡波形的好坏。由于振荡幅度稳定下来后，电路必然工作到非线性区，也就是说，可能进入截止区，也可能进入饱和区，静态工作点偏高，易进入饱和区．实践证明：当晶体管进入饱和区后，晶体管的输出阻抗将急剧下降(由原来的线性工作区几十千欧或几百千欧下降为几百欧姆)，使谐振回路Q值大为降低，不仅使振荡波形严重失真，而且频率稳定度大为降低，甚至停振，为了避免上述情况发生，一般小功率振荡器将静态工作点设计得远离饱合区而靠近截止区，所以，c取1～4mA之间(可调整风确定)。

3.3 振荡器的起振检查

3.3.1 用三用表检查

    由于本振荡电路采用基极自给偏置，起始工作点在晶体管的放大区，故发射极应有正向偏置，接通电源后，调节电位器R ，使振荡管的静态电流lco=(1～4)nlA(可用测发射极电压Ve来得知，Ico的大小)。

    若 Vb—Ve<0V可判定电路已起振，工作在丙类状态，而且振荡很强。

    若Vb—Ve=0.4V，可断定已起振，工作在甲乙类状态，振荡比较强。

    若Vb—Ve=0.4-0.8V，工作状态可能在甲类，但不能判定是否起振，需进一步检查。

3.3.2 用高频毫伏表检查

    用高频毫伏表接在振荡器的输出端，有读数即有高频电压输出，则起振，否则未起振。

3.3.3 用示波器检查

    用示波器接于振荡器的输出端，如有高频振荡波形显示，说明起振，否则未起振。

在实验室条件下，可应用示波器检查起振，因为示波器不但能判定是否起振，还能观察波形结构，是否有失真及间歇振荡现象，以致还可判断是否有寄生振荡产生。

    若用上述方法检查时，发现振荡器未起振，可从两方面着手解决：

(1)  检查是否过小，难以满足起振条件。

(2)  调整反馈系数的大小

3.4 电路设计原理框图

   正弦波振荡器原理框图如下图所示

 

                          图1 正弦波振荡器原理框图

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。

四、电路设计

 4.1正弦波振荡器电路如图2所示

 

图2 正弦波振荡器电路图

    LC振荡部分是由晶体管组成的电容三点式振荡器，所用改进型电路既西勒电路，对交流短路，因此是基极接地（共集）电路。对于振荡电路选择共集组态主要考虑电容的改变来调节频率，因为变容二极管加反向偏置电压和调制电压，需要有公共接地点，通常选用共基电路在电路连接上比较方便，晶体管的静态工作点由决定。即

                          

综上所述，可以取振荡器的静态工作点=1.4，，设三极管60。得

 

为了提高电路的稳定性，的值可适当增大，取=，则。

    所以                    

若取流过的电流

                  0.23

则                      

所以                 

即                  

振荡器的静态工作电流通常选在（1~4）mA，偏大可使输出电压幅度增加，但波形失真加重。频率稳定度差，过小会使较小，起振困难。                            

谐振频率的计算，，为总电容，如果选择远大于，远大于，则。根据题目要求振荡器振荡频率变化范围=4~10MHz，所以取uH，pF，变化范围是0~100pF.。

4.2 频率稳定性

    频率稳定度a频率稳定度发信机的每个波道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示。工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为Δf，则频率稳定度的定义为 频率稳定度式中为K为频率稳定度。

    稳频措施为一是减少外界因素的变化。二是合理选择元器件。例如，选择f_T高且性能稳定可靠的振荡管，不但有利于起振（因在振荡频率上β较高），而且由于极间电容小，相移小，使振荡频率更接近回路的固有谐振频率，有利于提高频率稳定度；选择温度系数小、Q值高的回路电感L（如在高频瓷骨架上用烧渗银法制成的电感）和电容C，一方面使L和C在温度改变时变化很小，振荡频率的变化也很小，另一方面由于Q值高，其频率稳定度也高；采用贴片元器件，可减小分布参数的影响，有利于振荡频率的稳定。

电路的相位特性应该满足这样的条件：由某一频率变化所引起的相位变化，两个变化量的符号必须相反，才能使频率趋于稳定。用数学表示为

                          

写成偏导数形式，则为

                          

4.3 振幅稳定性

    在分析振荡的产生过程中了解到：如果电路的环反馈系数AB>1，振幅增大，如果AB<1，振幅会衰减；若AB=1，则振幅维持不变。因此，当电路中出现增幅现象时，必定满足振幅条件下的AB>1。要使振幅不继续增大而趋于稳定，必须使电路的AB值随振幅的增大而减小，自动调整到AB=1。与此相反，当电路中出现减幅现象时，必定满足在该振幅条件下的AB<1。要使振幅不继续减小下去，必须使电路的AB值能随振幅的减小而增大，自动调整到AB=1。这就是说，欲使振荡器的振幅在发生某种变化时能自动趋于稳定，电路的反馈系数AB应具有下述特性：振幅变化使AB值随之变化，AB变化再次造成的振幅变化应与原振幅变化相反。如果用数学式子表示既

                              =负值

写成偏导数的形式为

                              

五、Multisim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（Interactive Image Technologise Ltd.）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。NI Multisim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辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。

    (3)丰富的测试仪器：除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是：所有仪器均可多台同时调用。

(4)完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。

(5)强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。

六、实验电路性能的测试

     振荡器振荡频率为5.23MHz

在Multisim软件中正弦波振荡器的仿真电路图4所示     

  图4 正弦波振荡器仿真电路图

    振荡器振荡频率为5.23MHz时的示波器仿真图形和频率计示数分别如图5和图6所示

图5 振荡器仿真波形图

图6 频率计示数

     因为仪器本身原因和计算的误差，所以调节可变电容不能准确使谐振频率达到4MHz和10MHz

    仿真软件中可调频率范围是4.25MHz-9.49MHz，图7和图8。

图7

                                     图 8

七、结论及分析

    经过对该课题的通过该实验电路最后得到振荡器谐振频率范围f₀=4~10MHz并且是可调的。这次设计的正弦波振荡器用到了许多以前所学的和本学期所学习的知识，综合性比较强。由于实验仪器等原因，造成实验结果存在一定误差，但通过对比课程设计的要求，本次课程设计基本上达到了任务要求。

八、总结及体会

   在本次课程设计中我选择的题目是LC正弦波的设计，根据所学的高频电路知识，我拟采用LC电路震荡器.它是一种改进型的电容反馈振荡器，具有频率稳定性高振幅稳定调频方便等优点。

  首先，我先对能够实现高频震荡器的几种常见电路进行了分析与论证。经过分析，可以知道的特点：电感三点式振荡器虽然说调频，方便容易起振但输出波形不理想。电容三点式振荡器振荡波形好但频率稳定性低。克拉泼振荡器振荡频率改变可不影响反馈系数振荡幅度比较稳定但可调范围小。西勒振荡器振荡幅度比较稳定振荡频率可以较高做可变频率振荡器时其波段覆盖系数较大波段范围内输出电压幅度比较平稳。综上考虑，我最终采取了西勒电路振荡器。

  其次，在震荡器的设计中，我首先分析了振荡器的工作原理并画出了西勒河电路的原理图与仿真电路图。然后是对电路参数的计算使其能够达到震荡频率的要求。由于受实际条件所限我利用了仿真软件Multisim来对自己的设计电路图进行仿真。在仿真的过程中我对正弦波震荡电路有了更进一步的了解。

   通过这次课程设计让我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。明白了正弦波振荡器的分类方法以及各个类型电路的震荡波形。也逐渐对振荡器的振荡频率、震荡幅度等相关技术指标有了一定的了解。也学会了振荡电路中的一些基础理论知识，在设计电路元件参数的时候首先要考虑电路起振条件和平衡条件，这分别包含振幅条件和相位条件。正反馈网络是西勒振荡器设计中的一个重要环节正反馈使输出起到与输入相似的作用是系统偏差不断增大是系统震荡。我还明白了普通电容三点式电路与克拉泼振荡器以及西勒振荡器之间的不同和优劣。

【参考文献】

[1]高频电子线路第五版 张肃文编著 [M]河北.高等教育出版社,2011

[2]冉晟伊，熊于菽.常用LC正弦波振荡器的特点[J].2010

[3]黄智伟.《基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析》[M].电子工业出版社.2008

[4]聂典 Multisim10计算机仿真 电子工业出版社

[5]百度文库 高频振荡器设计

 http://wenku.baidu.com/view/ae963d3a376baf1ffc4fad58.html