电感三点式正弦波振荡器的设计

《高频电子线路》任务书课题名称电感三点式正弦波振荡器的设计指导教师（职称）冯锁（讲师）执行时间2012~2013学年第一学期第16周学生姓名学号承担任务电路设计及电路的仿真资料整理及原理分析电路图制作资料整理及参数计算10参数计算及器件选择1原理图绘制设计目的1.培养较为扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力。2.加深对电路器件的选型及电路形式的选择的了解。3.提高高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力。设计要求1.从理论上分析振荡器的各个参数及起振条件。2.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。3.电源电压12V,工作频率16MHz，输出电压1V，频率稳定度高1摘要振荡器（英文：oscillator）是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。其构成的电路叫振荡电路，能将直流信号转换为具有一定频率的交流电信号输出。振荡器的种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合,可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点,是一种广泛应用的振荡电路,其工作频率可达到几百兆赫。本文将围绕高频电感三点式正弦波振荡器进行具有具体功能的振荡器的理论分析与设计。关键词：高频；电感三点式；正弦波；振荡器；缓冲级2目录摘要..................................................................................................................................1目录..................................................................................................................................2第一章正弦波振荡器....................................................................................................31.1反馈振荡器产生振荡的原因及其工作原理.....................................................31.2平衡条件.............................................................................................................41.3起振条件.............................................................................................................41.4稳定条件.............................................................................................................4第二章硬件电路设计....................................................................................................52.1三点式振荡器的组成原则.................................................................................52.2电感三点式振荡器.............................................................................................52.3振荡器设计的模块分析.................................................................................................5第三章仿真软件Multisim11.0简介...........................................................................73.1Multisim基本概念.............................................................................................93.2Multisim软件启动界面.....................................................................................93.3Multisim仿真软件的特点............................................................................................9第四章仿真与调试......................................................................................................124.1仿真..................................................................................................................124.2分析调试..........................................................................................................15第五章心得体会..........................................................................................................16参考文献........................................................................................................................16附录一:元件清单...........................................................................................................18附录二:总电路...............................................................................................................19答辩记录及评分表........................................................................................................203第一章正弦波振荡器振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。与放大器的区别：无需外加激励信号，就能产生具有一定频率、波形和振幅的交流信号。由晶体管等有源器件和具有某种选频能力的无源网络组成。正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。所谓产生振荡是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。1.1反馈振荡器产生振荡的原因及其工作原理反馈型振荡器是通过正反馈联接方式实现等幅正弦振荡的电路。这种电路由两部分组成，一是放大电路，二是反馈网络。图1.1所示为反馈振荡器构成方框图及相应电路。由图可知，当开关S在1的位置，放大器的输入端外加一定频率和幅度的正弦波信号Ui，这一信号经放大器放大后，在输出端产生输出信号UO，若UO经反馈网络并在反馈网络输出端得到的反馈信号Uf与Ui不仅大小相等，而且相位也相同，即实现了正反馈。若此时除去外加信号，将开关由1端转接到2端，使放大器和反馈网络构成一个闭环系统，那么，在没有外加信号的情况下，输出端仍可维持一定幅度的电压UO输出，从而实现了自激振荡的目的。图1.1反馈振荡器的结构网络图为了使振荡器的输出UO为一个固定频率的正弦波，图1.1所示的闭合环路内必须含有选频网络，使得只有选频网络中心频率的信号满足Uf与Ui相同的条件而产生自激振荡，对其他频率的信号不满足Uf与Ui相同的条件而不产生振荡。选频网络可与放大器相结合构成选频放大器，也可与选频网络相结合构成选频反馈网络。41.2平衡条件振荡器的平衡条件即为1)()()(jFjKjT也可以表示为()1TjKF20,1,2TKFnn即为振幅平衡条件和相位平衡条件。平衡状态下，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时输出幅度将不在变化：振幅平衡条件决定了振荡器输出信号振幅的大小；环路只有在某一特定的频率上才能满足相位平衡条件：相位平衡条件决定了振荡器输出信号频率的大小。1.3起振条件振荡器在实际应用时不应有外加信号，而应是一加上电后即产生输出；振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声。振荡开始时激励信号很弱，为使振荡过程中输出幅度不断增加，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。由1iiTjUjUj，可知，1)(jT称为自激振荡的起振条件，也可写为()1fLTjYRF20,1,2,TfLFnn分别称为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。1.4稳定条件振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。(1)振幅稳定条件要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说，0iiAUUiKU就是在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益将减小，从而使振幅减小。(2)相位稳定条件振荡器的相位平衡条件是φT（ω0）＝２ｎπ。在振荡器工作时,某些不稳定因素可能破坏这一平衡条件。如电源电压的波动或工作点的变化可能使晶体管内部电容参数发生变化,从而造成相位的变化,产生一个偏移量Δφ。由于瞬时角频率是瞬时相位的导数,所以瞬时角频率也将随着发生变化。为了保证相位稳定,要求振荡器的相频特性φT（ω）在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力。具体来说,在平衡点ω=ω0附近,当不稳定因素使瞬时角频率ω增大时,相频特性φT（ω0）应产生一个-Δφ,从而产生一个-Δω,使瞬时角频率ω减小。5第二章硬件电路设计2.1三点式振荡器的组成原则基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器，即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路，如图2.1所示。X1、X2、X3三个电抗元件构成了决定振荡频率的并联谐振回路，同时也构成了正反馈所需的反馈网络。根据谐振回路的性质，谐振时回路应呈纯电阻性，因而有1230XXX三