LC正弦波振荡电路的仿真分析

LC正弦波振荡电路的仿真分析I摘要振荡器的种类很多，适用的范围也不相同，但它们的基本原理都是相同的，都由放大器和选频网络组成，都要满足起振，平衡和稳定条件。然后通过所学的高频知识进行初步设计，由于受实践条件的限制，在设计好后，我利用了模拟软件进行了仿真与分析。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Multisim10.0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。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。关键词：LC振荡回路；仿真；正弦波信号；Multisim软件；LC正弦波振荡电路的仿真分析II目录一、绪论............................................................1二、方案确定........................................................12．1电感反馈式三端振荡器................................................................................22．2电容反馈式三端振荡器................................................................................32.3振荡平衡条件一般表达式..............................................................................42．4起振条件和稳幅原理....................................................................................4三、LC振荡器的基本工作原理...................................................................................4四、总电路设计和仿真分析......................................................................................54.1软件简介...........................................................................................................54.2总电路设计.....................................................................................................74.3进行仿真..........................................................................................................84.4各个原件对电路的影响...............................................................................11五、心得体会..............................................................................................................12参考文献......................................................................................................................13附录..............................................................................................................................14电路原理图....................................................................................................14元器件清单....................................................................................................14LC正弦波振荡电路的仿真分析1一、绪论在本课程设计中，对LC正弦波振荡器的仿真分析。正弦波振荡器用来产生正弦交流信号的电路，它广泛应用于通信、电视、仪器仪表和测量等系统中。在通信方面，正弦波震荡器可以用来产生运载信息的载波和作为接收信号的变频或调解时所需要的本机振荡信号。医用电疗仪中，用高频加热。在课程设计中，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Multisim10.0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。我利用了仿真软件对电路进行了一写的仿真分析，得到了与理论值比较相近的结果，这表明电路的原理设计是比较成功的，本次课程设计也是比较成功的。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，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、方案确定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。我们这里研究的主要是LC三端式振荡器。LC正弦波振荡电路的仿真分析22．1电感反馈式三端振荡器图1电感三点式振荡器电感反馈震荡电路如图1，它的优点是：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。总之，由于存在互感，电路不好计算而且波形失真较大，在此不再仿真分析。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。LC正弦波振荡电路的仿真分析32．2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，如图2：图2电容三点式振荡器原理图对于电容三点式振荡器，反馈系数F的表达式为：211≈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振荡频率的近似为21212121CCCCLCfLC正弦波振荡电路的仿真分析4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振荡平衡条件一般表达式震荡条件为1FA振幅平衡条件1AF2．4起振条件和稳幅原理振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求1AF。既然1AF，起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的继续增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出多次谐波中的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。也可以再反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益。从而达到稳幅目的。三、LC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LC正弦波振荡电路的仿真分析5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。图3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、总电路设计和仿真分析：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，能够快放大电路选频网络正反馈网络输出LC正弦波振荡电路的仿真分析6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