LC正弦波振荡器的设计

*课程设计报告题目：LC正弦波震荡设计学生姓名：**学生学号：*******系别：电气信息工程学院专业：通信工程届别：2014届指导教师：***电气信息工程学院制2013年5月**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第1页LC正弦震荡设计学生：**指导教师：***电气信息工程学院通信工程专业1课程设计的任务与要求1.1课程设计的任务正弦波振荡器广泛用于各种电子设备中。正弦波振荡器不仅提供了振荡频率和振荡振幅的准确性和稳定性。正弦波振荡器还是作为高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。本次设计中，主要完成：（1）查阅相关文献资料，了解LC正弦波振荡器的相关知识；（2）确定设计方案、手工绘制电路原理图；（3）计算各个正弦波振荡器所对应的反馈系数和频率；（4）在Mutisim下绘制电路图，仿真验证并观察波形；（5）撰写课程设计说明书。1.2课程设计的要求本次设计中，使用电感、电容等器件设计两个LC正弦波振荡器，包括方案设计、电路设计和参数计算。具体设计要求：(1)振荡频率fo=7MHz±0.5KHz；(2)频率稳定度Δf/fo≤10-1；(3)输出幅度大小稳定的比较。1.3课程设计的研究基础(1)原理分析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。它由放大器和反馈网络两大部分组成。放大器通常以某种选频网络（如振荡回路）作负载,是一种调谐放大器；反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。(2)平衡条件记闭环电压放大倍数Ku(s)，开环电压放大倍数K(s)，电压反馈系数F(s)，环路增益T(s)，反馈系数F′(jω)=-F(jω)自激振荡的条件就是环路增益为1，即T(jω)=K(jω)F(jω)=1，通常又称为振荡器的平衡条件。**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第2页(3)起振条件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，即T(jω)1，称为自激振荡的起振条件。与平衡条件相应的，振荡器的起振条件又可细分为起振的振幅条件（|T(jω)|1）和相位条件（ψ(T)=ψ(K)+ψ(F)+ψ(F')=±2nπ,n=0,1,2…），其中起振的相位条件即为正反馈条件。(4)稳定条件振荡器的稳定条件相应地可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，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)相位稳定条件同理，要使相位稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止相位变化的能力。(5)频率稳定度振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化,引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度,它是振荡器的一个很重要的指标。频率稳定度又可分为：长期频率稳定度（一般是指一天以上甚至几个月的时间间隔内频率的相对变化）、短期频率稳定度（一般是指一天以内，以小时、分钟或秒记的时间间隔内频率的相对变化）和瞬时频率稳定度（一般是指秒或毫秒的时间间隔内频率的相对变化）。2正弦振荡系统方案制定2.1方案提出放大电路A选频网络正反馈网络Ffa**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第3页图1振荡器框图注:还需要满足振荡器的两个条件:(1)相位平衡条件：2nfa(即必须是正反馈)(2)幅度平衡条件：ＡＦ＞＝１（每次反馈保证反馈信号大于等于原输入信号）2.2方案论证(1)LC振荡器的电路分类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，振荡频率可以做得较高。所以选择电容反馈三点式振荡器是不容置疑的，而电容反馈三点式振荡器又分为考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器。本次只设计前面两个振荡器。(2)信号输出波形的仿真步骤两种振荡器输出信号波形全部用Multisim仿真软件得出；最后的两种振荡器由公式以及已知的器件给出的参数计算得出频率。3正弦振荡系统方案设计3.1考毕兹振荡器各单元模块功能介绍及电路设计(1)考毕兹振荡器R15.1kR227kR33kR41kR55.1kL110uHC1100pFC2100pFC31nFC40.1uFC51nFC610nFC710nFL2300mHV112V703068Q22N2222A214图2考毕兹振荡器**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第4页(2)考毕兹振荡器的介绍图中的L1、C1、C2组成谐振回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。反馈信号从电容器C2两端取得，送回放大器的基极b上，而且也是将LC回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，故将这种电路成为电容三点式振荡器。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。(3)波形频率的计算及分析在考毕兹振荡器中，C1=C2=100pF,反馈系数F为F=C1/C2=1理论计算振荡器的频率为f21212)(21CCCCL7MHz观察到的振荡波形如图4所示，从波形看出测试其波形频率为f9101551=6.5MHz这里C1、C2为定值，反馈系数不变。3.2克拉泼振荡器各单元模块功能介绍及电路设计(1)克拉泼振荡器R14.7k¦¸R25.1k¦¸R3100k¦¸Key=C50%R4500¦¸R5300¦¸L120uHC399pFKey=A50%VCC12VC1500pFC21nFC41uFC510nF24XSC1ABGTXFC112318Q1D42C1图3克拉泼振荡器**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第5页(2)克拉泼振荡器的介绍在电容三点式电路中，要减小极间电容在回路总电容中的比重，可以采用部分接入的方法。一种电容三点式振荡器的改进型电路——克拉泼（Clapp）振荡器就是从这一点出发得到的。在电容三点式振荡器电路的回路中仅多加一个与C1、C2相并联的电容C3即构成了克拉泼振荡器(3)波形频率的计算及分析在克拉泼振荡器中，电容一般取10-1000pF，电感一般取0.1-100uF。保证反馈系数F在0.1-0.5之间：F=21CCC3《1C，C3《2C在满足上面的条件下C3和L1决定振荡频率，即应满足：由条件3，C1、C2应尽量大，同时考虑条件1、2，选C1为500pF，C2为1nF。由正弦波条件可知，选L1为20uH，电路中C3为可变电容，调整它即可在一定范围内调整期振荡频率。C3的估计值为25.8pF，故选择99pF的可调电容。理论计算振荡器的频率为f=3221CL7MHz（C1C3,C2C3）观察到的振荡波形如图5所示，从波形看出测试其波形频率为f6.9MHz调节C3的值，可知反馈系数不变，但波形频率f变化。4正弦振荡系统仿真和调试正弦振荡系统仿真和调试4.1仿真软件介绍Multisim10.0是EWB的升级，是目前推出的一款高版本的电路设计与仿真软件。它具有以下一些特点：(1)直观的图形界面创建电路。在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。(2)软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第6页(3)软件带有丰富的电路元件库，提供多种强大的电路分析方法。(4)作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。Multisim10.0软件是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。Multisim10.0软件具有很强的仿真设计功能，包括：(1)全功能电路仿真系统：有元器件的编辑、选取、放置；电路图的编辑、绘制；电路工作状况的测试；电路特性的分析；电路图报表输出、打印；档案的转出/转入。(2)完整的系统设计工具，其强大功能包含：结合SPICE、VHDL、Verilog共同仿真；电路图的建立；完整的零件库；SPICE仿真；高阶RF设计功能；虚拟仪器测试及分析功能；计划及团队设计功能；VHDL及Verilog设计与仿真；FPGA／CPLD组件合成；PCB文件转换功能。因此非常适合电子类课程的教学和实验。4.2系统仿真实现(1)考毕兹振荡器测试时，将示波器的A结点接在C1和C3处，看到了如图4的波形。图4考毕兹振荡器输出信号波形(2)克拉泼振荡器测试时，输出信号的幅值、频率等用时时监测法测试，调整C3观测**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第7页震荡信号的波形和频率变化。将示波器的B结点接在C5处，看到如图5的波形。图5克拉泼振荡器输出信号波形4.3系统测试在Multisim中可以看出，考毕兹振荡器的输出波形不均匀，有波形的起伏不一，且无法调节；而在克拉泼振荡器的输出波形均匀，波形的起伏近乎一致，且波幅可以调节，因此看到的图像良好。4.4数据分析本实验理论计算中，考毕兹振荡器的频率稳定度Δf/fo7.14%，克拉泼经过调节后的频率稳定度Δf/fo1.43%，可知克拉泼振荡器优于考毕兹振荡器。5总结5.1设计小结在完成了对于实验目的的以及内容，在这其中完成了对于其输出正弦波的要求。对比的设计了两个LC正弦波振荡器的电路，且这两者是典型的正弦波输出波形器，在工业电器中也是基础的两个电路。系统的可以看出，考毕兹振荡器要求的比较简单，系统单一，输出的波形不会自然的改变。而克拉泼振荡器要求相对来说复杂一点，在考毕兹振荡器的原有基础上，增加了一个可变电容C3，供调节电路的波形频率。**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第8页5.2收获体会课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。此次课程设计，使我的动手能力得到进一步的提高。与模拟电子技术课程设计数字电子线路课程设计比，高频电子线路的课程设计具有更大的难度和更强的挑战性。在设计过程中不仅锻炼了我们最基本的高频电子线路的设计能力，更重要的是让我们更深刻的认识了高频电子线路这门课程在实际中的应用。此次课程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高频电子线路课程中学到的知识。由于对所学电路不熟悉，导致在设计的过程中无法画出正确的电路图，算不出电路中元器件的参数，使得在设计过程中绕了许多弯路，做了许多的无用功。但在室友们的帮助下，再加上自己不断的查找相关资料，利用图书馆和网络，最终克服了所有困难。同时也巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的必要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。通过对上述不同振荡器的设计与仿真，了解了各种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那种振荡器更适合。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。总之，从中我学习到了如何对待遇到的困难，增强了对设计电路的思考能力。在这次的设计中，张老师给了我们很大的自由空间，可自己选择题目，这次课程设计培养了我一丝不苟的科学态度，提高了我实践能力。最后要真诚的感谢张老师的指导！6参考文献[1]《电子线路设计·实验·测试》，第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社[2]《高频电子线路实验与课程设计》，杨翠娥主编，哈尔滨工程大学出版社[3]《高频电路设计与制作》，何中庸