LC振荡器设计

课程设计

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电子与信息工程学院

信息与通信工程系

目录

摘要..................................................... - 2 -Abstract..................................................... - 2 -引言..................................................... - 3 -1 概述....................................................... - 4 -

1.1反馈式正弦波振荡器的基本工作原理 (4)

1.2振荡器必须满足条件 (4)

1.2.1 起振条件................................................................................................................................................................. - 4 -

1.2.2 平衡条件................................................................................................................................................................. - 5 -

1.2.3 稳定条件................................................................................................................................................................. - 5 -

2 硬件设计——西勒电路....................................... - 6 -

2.1西勒电路原理图 (6)

2.2西勒电路说明 (6)

2.3西勒电路静态工作点设置 (7)

2.4西勒电路参数设定 (8)

3 软件仿真................................................... - 9 -

3.1软件简介 (9)

3.2仿真波形 (10)

3.3仿真分析 (11)

4 结论...................................................... - 11 -

4.1设计的功能 (11)

4.2设计不足 (11)

4.3心得体会 (12)

参考文献.................................................... - 12 -致谢........................................ 错误！未定义书签。

振荡器是一种不需要外加激励、电路本身能自动地将直流能量转换为具有某种波形的交流能量的装置。种类很多，使用范围也不相同，但是它们的基本原理都是相同的，即满足起振、平衡和稳定条件。通过对电感三点式振荡器（哈脱莱振荡器）、电容三点式振荡器（考毕兹振荡器）以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路和西勒电路）的分析，根据课设要求频率稳定度10-4,西勒电路具有频率稳定性高，振幅稳定，频率调节方便，适合做波段振荡器等优点,因此选择西勒电路进行设计。继而通过Multisim设计电路与仿真。

关键词：振荡器；西勒电路；Multisim

Abstract

The oscillator is a kind of don't need to motivate, circuit itself automatically device for DC energy into a waveform AC energy applied. Many different types of oscillators, using range is not the same, but the basic principles are the same, to meet the vibration, the equilibrium and stability conditions. Based on the inductance of the three point type oscillator ( Hartley), three point capacitance oscillator ( Colpitts) and improved capacitor feedback oscillator (Clapp and Seiler) analysis, according to class requirements, Seiler circuit with high frequency stability, amplitude stability frequency regulation, convenient, suitable for the band oscillator etc., so the final choice of Seiler circuit design. Then through the Multisim circuit design and simulation.

Key Words：Oscillator; Seiler; Multisim

在信息飞速发展的时代，对信息的获取、传输与处理的方法越来越受到人们的重视。如何高效快捷且没有失真传递信息成为关注的热点。通过对高频电子线路课程的学习，了解到高频信号发生器主要用来向各种电子设备和电路提供高频能量或者高频标准信号，以便测试各种电子设备和电路的电气特性。一般采用 LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。高频信号发生器主要是产生高频正弦振荡波，故电路主要是由高频振荡电路构成。振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。为此，振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路。

振荡器主要分为晶体振荡器和LC振荡器，本次课设采用LC振荡器。LC振荡器中的基本电路就是通常所说的三点式振荡器，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。其中三点式又分为两种基本电路。根据反馈网络由电容还是电感完成的分为电容反馈振荡器和电感反馈振荡器。同时为了提高振荡器的稳定度，通过对电容三点式振荡器的改进可以得到克拉泼振荡器和西勒振荡器两种改进型的电容反馈振荡器。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。

通过对各电路的比较，以及根据课设要求频率稳定度10-4等综合考虑，最终选择西勒振荡器，并完成相关的技术指标。

1 概述

1.1 反馈式正弦波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。反馈式振荡器有两部分组成：放大器和反馈网络。框图如下所示。

放大器的增益:

A= V

0/ V

i

(1.1-1)

反馈系数:

F= Vf/ V0 (1.1-2)

1-1反馈式振荡器组成框图

1.2 振荡器必须满足条件

1.2.1 起振条件

振荡电路在刚接通电源时候，晶体管中电流从零跃变到某一数值，同时，电路中还有噪声，它们具有很宽的频谱。由于放大器负载回路的选频作用，其中只有某个频率分量才能通过反馈网络加到放大器的输入端，这就是振荡器最初激励信号。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Vf〉V

i

,起振的充分必要条件。可以写成：

FA＞1 (1.2-1)

ΨA+ΨF=2nπ n=0,1,2,3,… (1.2-2)

(1.2-1)是振幅起振条件，(1.2-2)是相位起振条件。两者必须同时满足才能起振。

1.2.2 平衡条件

振荡器幅度不能无限增长下去，当达到某数值时候，振荡器将保持幅度不变，这时候有Vf= V i ，所以平衡条件为AF=1.或者可以写成：

AF=1 (1.2-3)

ΨA+ΨF=2n π n=0,1,2,3,… (1.2-4)

(1.2-3)和(1.2-4)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。

1.2.3 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。

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。即有振荡器的相位稳定条件。

0

?

（1.2-5）

2 硬件设计——西勒电路

2.1 西勒电路原理图

西勒电路是在克拉泼电路的L 两端并联上一个电容得到的，有效的改善了克拉泼电路可调范围小的缺点，电路图如图所示：

2.2 西勒电路说明

电路的特点：是在克拉泼电路的基础上，用一电容C4，并联于电感L 两端。作用是保持了晶体管与振荡回路弱耦合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。除此之外，西勒电路还具有振荡幅度比较稳定；振荡频率可以较高；频率覆盖率较大，可达1.6—1.8，因而在一些短波超、短波通信机，电视接收机中用的较多。 该电路振幅起振条件：

1AF > （2.2-1）

该电路相位起振条件：

π??n F 2A =+ （2.2-2）

振幅平衡条件：

1AF = （2.2-3）

相位平衡条件：

π??n F 2A =+ （2.2-4）

2.3 西勒电路静态工作点设置

合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。－般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流I CQ 大约在0.8-4mA 之间选取，故本实验电路中：

选I CQ =2mA ， V CEQ =7.5V ，β=100，则有：

Ω=-=

-=

+K I U U R R CQ

CEQ

CC c e 75.32

5

.715 为提高电路的稳定性R e 值适当增大，取Re=1K Ω则Rc ＝2.75K Ω 因为：

U EQ =I CQ ·R E

则：

U EQ =2mA ×1K=2V

因为：

I BQ =I CQ /β

则：

I BQ =2mA/100=0.02mA

一般取流过Rb2的电流为5-10I BQ , 若取10I BQ 因为：

BQ

BQ b I V R =

2 7.0+=EQ BQ V V Ω==

K V

R b 5.132

.07.22 因为：

21b BQ

BQ

CC b R V V V R -=

则：

Ω=Ω-=

K K V

V

V R b 67.54127.272151。

2.4 西勒电路参数设定

回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C 和总电感L 两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容Cp 远大于总的不稳定电容Cd 原则，先选定Cp 为宜。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C 不能过大，

C 过大，L 就小，Q 值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/8—1/2。 等效电容：

4

33

2141111

C C C C C C C +≈+++

=∑

所以振荡频率：

()

4302121C C L LC f +≈

≈

∑

ππ

根据课设要求，工作频率5MHz,所以：

()

z 0.510

1021

21

12

-436

-430MH C C L C C L f =?+??=

+≈

）（ππ

先设定L 的值：L=10uH ，可以求出：

F

C C p 42.101)43≈+（

所以取C3=50pF,C4=51.12pF 。反馈系数F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/8—1/2。且遵循C1、C2>>C3、C4的条件，因此C1=200pF,C2=510pF 。F=200/510 =0.39。

为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。

3 软件仿真

3.1 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（Interactive Image Technologise Ltd.）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。NI Multisim 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。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、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。

5)强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原

因，仿真结果可随时储存和打印。

3.2 仿真波形

下图为西勒电路振荡器的电路图，是Multisim软件画出的，可以对其进行仿真：

仿真波形如图所示：

仿真的频率：5.47

3.3 仿真分析

采用西勒振荡电路，因为西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器的相同，由于改变频率主要通过C4完成的，C4的改变并不影响接入系数p，所以波段内输出较平稳。而且C4改变，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大，可达1.6~1.8。

4 结论

4.1 设计的功能

西勒振荡器：频率稳定性高，振幅稳定，频率覆盖系数较大，可达1.6~1.8，调频方便。

4.2 设计不足

仿真出来的波形有略微失真，不是很稳定。通过查找资料知道需要从以下方面入手：首先要看相位平衡条件是否满足。对振荡电路要看是否满足对应的相位平衡判断标准。此外，还要在振幅平衡条件所包含的各种因素中找原因。除此之外：

1）静态工作点选的太小。

2）电源电压过低，使振荡管放大倍数太小。

3）负载太重，振荡管与回路间耦合过紧，回路Q值太低。

4）回路特性阻抗ρ或介入系数pce太小，使回路谐振阻抗RO太低。

5）反馈系数kf太小，不易满足振幅平衡条件。但kf并非越大越好，应适当选取。

所以仍然需要寻找适当方法进而完善电路。

4.3 心得体会

虽然课程设计只有短暂一周时间，但是我收获颇深。在本次课程设计中，我选择的题目是LC振荡器的设计，结合自己所学的高频电路知识，了解到，电感三点式振荡器调频方便，容易起振且输出波形不理想。电容三点式振荡器振荡波形好但频率稳定性低。克拉泼振荡器振荡频率改变可不影响反馈系数，振荡幅度比较稳定但可调范围小。西勒振荡器振荡幅度比较稳定，振荡频率可以较高，波段覆盖系数较大，波段范围内输出电压幅度比较平稳。综上考虑，我选择了西勒电路震荡器，并且符合课程设计题目要求频率稳定度在10-4.。

在运用仿真软件进行仿真的时候，学会了绘制电路图，以及如何调节示波器，使看到的波形更加清晰。通过这次课程设计，让我更加了解西勒电路，掌握计算过程，增强了自己动手能力。

参考文献

[1]张义芳.《高频电子线路》第四版.哈尔滨工业大学出版社.2009.7

[2]童诗白,华成英.《模拟电子技术基础》第四版.高等教育出版社.

[3] 阎石.《数字电子技术基础》.高等教育出版社.

[4]黄智伟.《基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析》.电子工业出版社.2008.1