LC正弦波振荡器课程设计

第1页共26页-1-综合实践-１-摘要电子线路中，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、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为高频信号发生器。高频信号发生器主要是产生高频正弦震荡波，电路主要由高频振荡电路构成。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。它无需外加激励信号。关键词：高频；LC正弦波振荡器；西勒电路；multisim目录综合实践-２-摘要…………………………………………………………………………………1第1章绪论.......................................................11.1概述......................................................11.2平衡条件..................................................11.3起振条件..................................................11.4稳定条件..................................................21.4.1．振幅稳定条件..........................................21.4.2相位平衡的稳定条件.....................................31.5振荡器的频率稳定度.........................................41.5.1频率准确度和频率稳定度.................................41.5.2提高频率稳定度的措施...................................41.5.3LC振荡器的设计考虑.....................................4第2章LC正弦波振荡器............................................52.1LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则......................52.2电感三点式振荡器..........................................52.3电容三点式振荡器..........................................62.4克拉泼和西勒振荡器........................................72.4.1克拉泼振荡器...........................................82.4.2．西勒振荡器...........................................9第3章调试与分析.................................................103.1调试中的问题..............................................103.2各振荡电路的方案比较与分..................................113.2.1电容三点式振荡的特点：...............................113.2.2电感三点式振荡特点：.................................113.2.3克拉泼振荡特点：.....................................123.2.4西勒振荡器特点：.....................................13结论..............................................................18参考文献..........................................................19附录..............................................................20综合实践-３-致谢.............................................................21综合实践-1-第1章绪论1．1概述电子线路中，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、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为高频信号发生器1.2平衡条件振荡建立起来之后，振荡幅度会无限制地增长下去吗？不会的，因为随着振荡幅度的增长，放大器的动态范围就会延伸到非线性区，放大器的增益将随之下降，振荡幅度越大，增益下降越多，最后当反馈电压正好等于原输入电压时，振荡幅度不再增大而进入平衡状态。由于放大器开环电压增益A和反馈系数F的表示式分别为ioUUA，ofUUF（1-1）且振荡器进入平衡状态后ifUU，此时根据式（1-1）可得反馈振荡器的平衡条件为1)(FAjAFeFA（1-2）式中，A、A分别为电压增益的模和相角；F、F分别为反馈系数的模和相角。式（1-2）又可分别写为1AF（1-3）nFA2n=0，1，2，…（1-4）式（1-3）和（1-4）分别称为反馈振荡器的振幅平衡条件和相位平衡条件。作为一个稳态振荡，式（1-3）和（1-4）必须同时得到满足，它们对任何类型反馈振荡器都是适用的。平衡条件是研究振荡器的理论基础，利用振幅平衡条件可以确定振荡幅度，利用相位平衡条件可以确定振荡频率。必须指出，这里的A是指放大器的平均增益。因为振荡器处于平衡状态综合实践-2-放大器乙不工作在甲类状态，而工作在非线性的甲乙类、乙类或丙类状态，所以这时放大器乙不能用小信号甲类状态的增益来表示了。下面以图1.2所示变压器反馈LC振荡电路为例确定一下平衡条件与放大器、反馈网络参数间的关系。振荡器处于平衡状态时，放大器进入了非线性区。根据折线分析法可知，集电极电流将变成脉冲状。由图1.2可得放大器开环电压平均增益表示式为impcmiURIUUAo1（1-5）式中，oU为负载谐振回路上的基波电压，pR为谐振回路谐振电阻。由1max11()()(1cos)cmCcimIigU（1-6）将式（1-6）代入式（1-5），得101()(1cos)()cpAgRA（1-7）式中，11()()(1cos)；pcRgA0为起振时（180o）小信号线性放大倍数。由式（1-7）可知，当振幅增大进入非线性工作状态后，通角0180，故A下降，直到1FA达到平衡状态。此时，振荡器的振幅平衡条件又可表示为01()1AFAF图1.2变压器反馈LC振荡电路CL谐振放大器反馈网络_o_if_f_1cIUUUU综合实践-3-（1-8）同时，又由图（1-2）可知，振荡器处于平衡状态时，输出电压11pccZIU，即111pfeipcZYUZIA，可得平衡条件的另一表达形式11FZYpfe（1-9）或者写成如下形式11FZYpfe（1-10）nFZY2n=0，1，2，…（1-11）式中，YjfefeeYY称为晶体管的平均正向传输导纳，Y为集电极电流基波分量1cI与基波输入电压iU的相位差；ZjppeZZ11称为谐振回路的基波阻抗，Z为cU与1cI之间的相位差；FjFeF称为反馈系数，F为fU与cU之间的相位差。式（1-10）和（1-11）就是用电路参数表示的振幅平衡条件和相位平衡条件。当振荡器的频率较低时，1cI与iU、cU与1cI、fU与cU都可认为是同相的，也就是说满足0FZY的相位条件。当振荡器的频率较高时，1cI总是滞后iU，即0Y。而F也不等于0，即0FY。若要保持相位平衡条件，只有回路工作于失谐状态以产生一个Z。这样振荡器的实际工作频率不等于回路的固有谐振频率0f，1pZ也不呈现为纯电阻。1.3起振条件式（1-2）是维持振荡的平衡条件，是针对振荡器进入稳态而言的。为了使振荡器在接通直流电源后能够自动起振，则要求反馈电压在相位上与放大器输入电压同相，在幅度上则要求fUUi，即nFA2n=0，1，2，…（1-12）综合实践-4-10FA（1-13）式中，A0为振荡器起振时放大器工作于甲类状态时的电压放大倍数。式（1-12）和（1-13）分别称为振荡器起振的相位条件和振幅条件。由于振荡器的建立过程是一个瞬态过程，而式（1-12）和（1-13）是在稳态下分析得到的，所以从原则上来说，不能用稳态分析研究一个电路的瞬态过程，因而也就不能用式（1-12）和（1-13）来描述振荡器从电源接通后的振荡建立过程，而必须通过列出振荡器的微分方程来研究。但可利用式（1-12）和（1-13）来推断振荡器能否产生自激振荡。因为在起振的开始阶段，振荡的幅度还很小，电路尚未进入非线性区，振荡器可以通过线性电路的分析方法来处理。综上所述，为了确保振荡器能够起振，设计的电路参数必须满足A0F1的条件。而后，随着振荡幅度的不断增大，A0就向A过渡，直到AF=1时，振荡达到平衡状态。显然，A0F越大于1，振荡器越容易起振，并且振荡幅度也较大。但A0F过大，放大管进入非线性区的程度就会加深，那么也就会引起放大管输出电流波形的严重失真。所以当要求输出波形非线性失真很小时，应使A0F的值稍大于1。1.4稳定条件当振荡器受到外部因素的扰动（如电源电压波动、温度变化、噪声干扰等），将引起放大器和回路的参数发生变化破坏原来的平衡状态。如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器越来越偏离原来的平衡状态，从而导致振荡器停振或突变到新的平衡状态，则表明原来的平衡状态是不稳定的。反之，如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能够产生回到原平衡点的趋势，并且在原平衡点附近建立新的平衡状态，则表明原平衡状态是稳定的。1.4.1．振幅稳定条件UomOAF1A0QUomQUomOAF1A0QUomQUomBB(a)软自激的振荡特性(b)硬自激的振荡特性综合实践-5-在平衡条件的讨论中我们曾经指出，放大倍数是振幅Uom的非线性函数，且起振时，电压增益为A0，随着Uom的增大，A逐渐减小。反馈系数则仅取决于外电路参数，一般由线性元件组成，所以反馈系数F（或1/F）为一常数。为了说明振幅稳定条件的物理概念，在图1.3（a）中分别画出反馈型振荡器的放大器电压增益A和反馈系数的倒数1/F随振幅Uom的关系。图1.3（a）中，Q点就是振荡器的振幅平衡点，因为在这个点上，A=1/F，即满足AF=1的平衡条件。那么这一点是不是稳定的平衡点呢？那就要看在此点附近振幅发生变化时，是否具有自动恢复到原平衡状态的能力。假定由于某种因素使振幅增大超过了UomQ，由图可见此时A1/F，即出现AF1的情况，于是振幅就自动衰减而回到UomQ。反之由于某种因素使振幅小于UomQ，此时A1/F，即出现AF1的情况，于是振幅就自动增大，从而又而回到UomQ。因此Q点是稳定平衡点。Q点是稳定平衡点的原因是，在Q点附近，A随Uom的变化特性具有负的斜率，即0QUUomomomUA（1-14）式（1-14）就是振幅稳定条件。并非所有的平衡点都是稳定的。如果振荡管的静态工作点取得太低，而且反馈系数F又较小时，可能会出现图1.3（b）的另一种振荡特性。这时A随Uom的变化特性不是单调下降，而是先随Uom的增大而上升，达到最大值后，又Uom的增大而下降。因此，它与1/F线可能出现两个平衡点Q点和B点。其中平衡点Q满足振幅稳定条件，而平衡点B不满足稳定条件，因为当振荡幅度稍大于UomB时，则A1/F，即AF1，成为增幅振荡，振