高频课程设计 (LC正弦波振荡器)

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高频电子线路课程设计报告

设计题目：LC正弦波振荡器

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目录

一、设计任务与要求…………………………..………………………………..1 二、总体方案…………….………………………………………………………….1 三、设计内容………………………………………………………………………..4

3.1 LC振荡电路工作原理.…………………………….………………………..4

3.1.1构成振荡器的条件……….………………………………….……………4 3.1.2 由正反馈的观点来决定振荡的条件……………………………………..4 3.1.3 振荡器平衡和稳定条件..…………………………………….…………...5 3.1.4 LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准………………….……………6 3.1.5 西勒电路工作原理……………….………………………….……………7 3.2仿真结果与分析………………………………………………….……………7 3.2.1各种条件下仿真波形图…………………………………………………...7 3.2.2 参数计算…………………………………………………………………10

四、电路制作和调试…………………………………………………………….11

4.1 元器件清单及参数…………………………………………………………...11

五、总结………………………………………………………………….………..12 六、主要参考文…………………………………………………………………13

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LC正弦波振荡器的设计

一、 设计任务与要求：

通过LC正弦波振荡器的设计进一步巩固高频电子线路的相关知识，并在设计制作的过程中运用并熟悉multisim10电子仿真软件，在实践的过程中培养我们发现问题，并利用所学知识或利用一切可以利用的资源解决问题的能力，掌握振荡器的工作原理知识，设计一个LC正弦波振荡器，要求该电路输出稳定的正弦波信号，输出频率可调范围为10M~~20MHZ。

二、 总体设计方案：

LC振荡电路采用三端式振荡，其中包括电感反馈式哈特莱振荡器、电容反馈式克拉泼振荡器、改进型电容反馈式西勒振荡器。 方案一：电感反馈式三端振荡器——哈特莱振荡器

V CC

(a) 原理电路

哈特莱振荡器其振荡频率为f=

2

1LC

(b) 交流等效电路

,式中L=L1+L2+2M。

优点：由于L1与L2之间有互感存在，所以比较容易起振。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。

主要缺点：与电容反馈振荡电路相比，其振荡波形不够好。这是因为反馈支路为感性支路，对高次谐波成高阻抗，故对于LC回路中高次谐波反馈较强，波形失真较大。其次是当工作频率较高时，由于L1和L2上的分布电容和晶体管的极间电容均并联于L1与L2两端，这样反馈系数F随频率变化而改变。工作频率越高，分布参数的影响越严重，甚至可能使F减小到满足不了起振条件。 方案二：电容反馈式三端振荡器考毕兹振荡器

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L

L

其中：

（a）原理电路

（b）交流等效电路

F

C1C1 C2

反馈系数F的表达式

11C1

1C2

不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量CΣ为C1、C2的串联，

C

C

即

1

2

C1C2

C C

2 1

L

振荡频率的近似为

f0

12

LC

优点：输出波形好，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，输出的谐波分量减小，波形更加接近于正弦波。其次，该电路中的不稳定电容都是与该电路并联的，因此适当加大回路电容量，就可以减弱不稳定因素对振荡频率的影响，从而提高了频率稳定度

缺点：调节C1、C2改变频率时，反馈系数也改变。由于极间电容对反馈振荡器的回路电抗均有影响，所以对振荡器频率也会有影响。 克拉泼振荡器

图(a) 为克拉泼振荡器原理电路，(b)为其交流等效电路。它的特点是在前述的电容三点式振荡谐振回路电感支路中增加了一个电容C3，其取值比较小，要求C3<< C1，C3<< C2。

L

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其中：

先不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量CΣ为C1、C2 和C3的

C

11C1

1C2

1C3

C4

串联

12

LC4

f0

12

LC

振荡频率为

使式成立的条件是C1和C2都要选得比较大，

优点：C1和C2都要选得比较大，则C1、C2对振荡频率的影响显著减小，那么与C1、C2并接的晶体管极间电容的影响也就很小了，提高了振荡频率的稳定度。

缺点：在振荡范围较宽时，输出幅度不均匀，且频率升高后不易起振，其主要

用于固定频率或波段范围较窄的场合。 方案三：电容反馈式三端振荡器——西勒振荡器

L

4 (b) 交流等效电路

(a) 原理电路

西勒振荡器

图是另一种改进型的电容三点式振荡器，称为西勒振荡器。它可以认为是克拉泼电路的改进电路。其主要特点就是在回路电感L两端并联了一个可变电容C4，而C3为固定值的电容器，且满足C1、C2远大于C3，C1、C2远大于C4。

C C4

11C1

1

2

LC3 C4

1C2

1C3

C3 C4

回路的总等效电容为

f0

12

LC

振荡频率

优点：这种振荡器较易起振，振荡频率也较为稳定，波形失真较小，当参数

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设置得当时，其频率覆盖系数较大。

基于以上分析，我们决定选用方案三。

三、设计内容

3.1

LC振荡器的基本工作原理

1.

3.1.1 构成一个振荡器必须具备下列三个条件：

任何一个振荡回路，包含两个或两个以上储能元件。在这两个储

能元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。接收和释放能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。

2.

电路中必须要有一个能量来源，可以补充由振荡回路电阻所产生

的损耗。在电容三点式振荡器中，这些能量来源就是直流电源。

3.

必须要有一个控制设备，可以使电源在对应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（电子管，晶体管或集成管）和正反馈电路完成的。

3.1.2由正反馈的观点来决定振荡的条件

利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡, 这就是反馈振荡器的基本原理。反馈振荡器是由主网络和反馈网络组成的一个闭合环路。其主网络一般由放大器和选频网络组成, 反馈网络一般由无源器件组成。

当振荡器接通电源后，即开始有瞬变电流产生。这瞬变电流所包含的频带极

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宽，但由于谐振回路的选择性，它只选出了本身谐振频率的信号。由于正反馈作用，谐振信号越来越强，但它不可能无限制的增长，而是达到一定的数值后，便自动稳定下来，即形成稳定的振荡。 振荡器的平衡条件

当反馈信号等于放大器的输入信号时，振荡电路的输出电压不再发生变化，电路达到平衡状态。

UUfo A ,F

UUio

U

f

U U F A Foi F F |A |exp[i( )] 1Aaf

振荡的平衡条件包括振幅平衡条件和相位平衡条件

F | 1| A

a

f

2n

初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率 的信号应该被保留，成为等

幅振荡输出信号。然而，一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求

起振条件A( 0) F( 0) 1

a( 0) f( 0) 2nπ

3.1.3 振荡器平衡状态和稳定条件

上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡可能在在某一状态平衡，但不能说明振荡的平衡状态是否稳定。已建立的振荡能否维持，还必须看平衡状态是否稳定

振荡器稳定平衡的概念：

——振荡器的稳定平衡是指在外因作用下，振荡器在平衡点附近可重新建立新的平衡状态，一旦外因消失，它即能自动恢复到原来的平衡状态。

稳定条件：振幅稳定、相位稳定

要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变化时，AF的大小朝反方向变化振幅平衡的稳定条件

振幅稳定条件:

A Vom

Vom VomQ

0

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相位平衡的稳定条件

( Y Z F)

Z

0 相位平衡条件

3.1.4 LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则

在三点式电路中, ＬＣ回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性

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质, 另外一个电抗元件必须为异性质。这就是三点式电路组成的相位判据, 或称为三点式电路的组成法则。 3.1.5 西勒电路工作原理

(a) 原理电路

4

L

(b) 交流等效电路

接通电源后，电路中就产生了噪声，噪声中包含了丰富的频率分量。输入端的各噪声分量经过晶体管放大后，到达输出负载回路。由于LC振荡回路的Q值很高，带宽很窄，因而只有振荡频率与LC回路固有频率相同或接近的噪声分量，才能在回路两端产生较大的正弦波电压V0,，其余的噪声分量都被滤除。V0通过反馈网络将其中一部分输出反馈到晶体管基极回路，这就是其实的激励信号Vi。尽管这个起始信号比较微弱，但是由于不端对它放大——选频——反馈——再放大，循环往复，一个与LC回路固有频率相同的自激振荡信号，便由小到大产生。又由于晶体管的非线性，随着振荡幅度的增大，放大器会由最初的甲类工作状态转向甲乙类甚至乙类、丙类工作状态，放大电路的增益逐渐下降，最终达到稳定振荡。

3.2 电路仿真

3.2.1各种条件下仿真波形图

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西勒振荡器仿真原理图

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静态工作点适当时

静态工作点过高时

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静态工作点过低时 3.2.2 参数计算

对于一般小功率自动稳幅LC振荡器，静态工作点要远离饱和区，靠近截止区，以得到较大的输出阻抗。一般根据具体电路和电源电压大小集电极电流一般取1～4mA,在实际偏置参数选定时，在可能条件下发射极偏置电阻尽可能取大一好。此处特取ICQ ≈2mA，UCEQ≈6V

故 Rc+Re=(Vcc-UCEQ)/ICQ=(12-6)/2=3KΩ取 Re=1KΩ，Rc=2KΩ

参数选择主要是根据满足振荡频率，满足起振条件并有足够的振荡幅度和规定的频率稳定性等因素加以考虑。若以频稳性角度出发回路电容应取大一些，有利于减少并联在回路上的管子极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L会变小，Q值会变低，振荡幅度也会变小。为了解决频稳和振幅的矛盾，通常用部分接入。前已讨论反馈系数F=C1/C2不能过大或过小，适宜1/8~1/2.由于

因UEQ≈2×1=2V 所以 UBQ≈2.7V 所以 Rb1/(Rb2+Rb1)≈2.7，有Rb2≈0.3Rb1 若Rb2=R2取5KΩ，Rb1则取15KΩ, 有

f0

12

LC

1

2

LC3 C4先令L=1uH ,又有且f的取值范围为

10M——20MHZ，计算得(C3+C4)min=63.4PF, (C3+C4)max=254PF,取C3=50PF，则

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C4min=13.4PF,C4max=204PF,则取C4=240PF的可变电容。 因要满足C1,C2>>C3,C4 ;C1/C2=1/8~1/2 取C1=200PF,C2=510PF

Cb的确定：Cb提供交流等效通路，即Cb交流等效分析短路，故Cb取0.01μF。

四、电路制作与调试

4.1 元器件清单及参数

仪表：频率计、示波器、探针

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五、总结

本次设计要求是设计一个LC正弦波振荡器，根据现在所掌握的相关知识，有两大类可以选择：一是采用电感反馈式三端振荡器（哈特莱振荡器）；二是采用电容反馈三段式振荡器（考毕兹振荡器）。但是由于电感反馈式三端振荡器输出波形失真比较大，所以倾向于选择电容反馈式三端振荡器，并在考虑考毕兹振荡器缺点的基础上对其进行了改进，即为：克拉泼振荡器。而后又对克拉泼振荡器的优缺点进行了分析，并在分析的基础上，又加以改进，得出了最终方案：西勒振荡器。

根据西勒振荡器的原理图，我在mutisim10仿真软件上画出了其原理图，并根据设计要求，适当选择了元器件，然后计算出各元器件的参数，随后进行仿真调试，得出最终波形数据。经检测，符合设计要求。

建议

另外需要注意的是：西勒电路中C3的大小对电路的性能有很大的影响，因为频率调节是靠改变C4实现的，所以C3不能选择太大，否则频率就主要由C3和L决定，因而限制了频率的可调范围。同时，C3过大也不利于消除C0和Ci对频率稳定的影响。反之，C3选择过小，介入系数P就会降低，振荡幅度就会比较小。因此在设计时应特别注意C3的取值.

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六、主要参考文献

【1】张肃文.《高频电子线路》第五版—北京：高等教育出版社 2009.5

【2】王连英.《基于multisim10的电子仿真实验与设计》—北京：北京邮电大学出版社 2009.8

【3】郭云林、陈松.《通信电子电路设计》—武汉：华中科技大学出版社 2010.1

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/afhj.html