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

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

摘要 (1)

目录 (2)

第一章正弦波振荡器 (3)

1.1反馈振荡器产生振荡的原因及其工作原理 (3)

1.2平衡条件 (4)

1.3起振条件 (4)

1.4稳定条件 (4)

第二章硬件电路设计 (5)

2.1三点式振荡器的组成原则 (5)

2.2电感三点式振荡器 (5)

2.3 振荡器设计的模块分析 (5)

第三章仿真软件Multisim11.0 简介 (7)

3.1 Multisim 基本概念 (9)

3.2 Multisim 软件启动界面 (9)

3.3 Multisim 仿真软件的特点 (9)

第四章仿真与调试 (12)

4.1 仿真 (12)

4.2 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 (20)

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U O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U f与U i相同的条件而产生自激振荡，对其他频率的信号不满足U f与U i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。

1.2平衡条件

振荡器的平衡条件即为

1)()()(==ωωωj F j K j T

也可以表示为

()1T j KF ω==

20,1,2T K F n n φφφπ=+==???

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()()()1i i T j U j U j ωωω'>>，可知，1)(>ωj T 称为自激振荡的起振条件，也可写为

()1f L T j Y R F ω'=>

20,1,2,T f L F n n φφφφπ'=++==???

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，

0i iA

U U i

K U =?

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。

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

1230

X X X

++=三个电抗元件不能同时为感抗或容抗，必须由两种不同性质的电抗元件组成。

图2.1 反馈网络

三端式振荡器能否振荡的原则：（1）X1和X2的电抗性质相同；（2）X3与X1、X2的电抗性质相反。即射同余异，源同余异。

2.2电感三点式振荡器

X1和X2为感性，X3为容性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电感元件完成的，称为电感反馈振荡器，也称为哈特莱(Hartley)振荡器。

(a) 电容反馈振荡器(b) 电感反馈振荡器

图 2.2 两种基本的三端式振荡器

(a) 实际电路 (b) 交流等效电路

(c) 高频等效电路 图2.3 电感反馈振荡器电路

电感反馈振荡器中，电感通常是绕在同一带磁芯的骨架上，它们之间存在互感，用M 表示。同电容反馈振荡器的分析一样，振荡器的振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示，即101

LC

ωω≈=

式中的L 为回路的总电感，122L L L M =++ 由相位平衡条件分析，振荡器的振荡频率表达式为

12

121

()()

ie oe L LC g g g L L M ω=

'++- 式中的L

g '与电容反馈振荡器相同，表示除晶体管以外的电路中所有电导折算到CE 两端后的总电导。振荡频率近似用回路的谐振频率表示时其偏差较小，而且线圈耦合越紧，偏差越小。

电感反馈式三端振荡器优点(1)容易起振 (2)调整频率方便，变电容而不影响反馈系数。缺点(1) 振荡波形不够好，高次谐波反馈较强，波形失真较大。 (2) 不适于很高频率工作。

2．3 振荡器设计的模块分析

如图2.4所示即为设计的第一个模块，也是此次设计的主要模块——振荡电路模块。

图2.4 振荡电路模块原理图

与前面的对振荡器电路的分析一样，图2.4中的R1、R2和R3均为电路的偏置电阻，C1、C2分别为旁路电容和隔直流电容，而C1、L1和L2的连接方式也符合电感三点式振荡器的原则，因此整个电路就构成了设计所需要的振荡电路。

由振荡器的原理可以看出，振荡器实际上是一个具有反馈的非线性系统，精确计算是很困难的，而且也是不必要的。因此，振荡器的设计通常是进行一些设计考虑和近似估算，选择合理的线路和工作点，确定元件的参数值，而工作状态和元件的准确数值需要在调试中最后确定。设计时一般都要考虑一下一些问题： （1）晶体管的选择

从稳频的角度出发，应选择T f 较高的晶体管，这样的晶体管内部相移较小。通常选择T 1max (310)f f >。同时希望电流放大系数β大些，这既容易振荡，也便于减小晶体管和回路之间的耦合。虽然不要求振荡器中的晶体管输出多大的功率，但考虑到稳频等因素，晶体管的额定功率也应有足够的余量。

因此，在本次设计中将会 选取BC107BP 作为振荡电路的三极管。该三极管的集电极电流最大值为800mA ，在25℃时其功率可达到0.5W ，最大集电极电压可达30V ，足够满足此次设计的各方面要求。 （2）直流馈电线路的选择

为保证振荡器起振的振幅条件，起振工作点应设置在线性放大区；从稳频出发，稳定状态应该在截至区，而不应在饱和区，否则回路的有载品质因数QL 将降低。所以，通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路应采用自偏压。对于小功率晶体管，集电极电流约为1-4mA 。

（3）振荡回路元件的选择

从稳频出发，振荡回路中电容C 应尽可能大，但C 过大，不利于波段工作，因此，前页图2.4中各电容均选为100nF 已经可以满足电路的设计要求。而电感L 原本也应尽可能大，但L 大后，体积大，分布电容大，L 过小，回路的品质因数过小，因此应该合理选择L 的大小。根据此次设计的要求，输出频率为8MHz ，由计 算公式 1f=

2LC

π（式中L=L1+L2+2M,M 为L1和L2之间的互感）以及反馈系数

22

0.1~0.511

L M L F L M L +=

≈=+的要求，按照图2.4中所示选取L1=5mH,L2=100uH

应该能够满足设计的要求。

第三章仿真软件Multisim11.0 简介

3.1 Multisim 基本概念

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。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。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

3.2 Multisim 软件启动界面

如图3.1 所示，即为Multisim软件的启动界面图。

图3.1 Multisim软件的启动界面图

3.3 Multisim 仿真软件的特点

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，与其他仿真软件相比，Multisim具有其自身特点。

NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员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。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。

（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；（2）丰富的元器件

提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。

（3）强大的仿真能力

以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。

（4）丰富的测试仪器

提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量：

Multimeter(万用表)

Function Generatoer(函数信号发生器)

Wattmeter(瓦特表)

Oscilloscope(示波器)

Bode Plotter(波特仪)

Word Generator(字符发生器)

Parameter Sweep Analysis（参数扫描分析）

Temperature Sweep Analysis（温度扫描分析）

Transfer Function Analysis（传输函数分析）

Worst Case Analysis（最差情况分析）Pole Zero Analysis（零级分析）

Monte Carlo Analysis（蒙特卡罗分析）

Trace Width Analysis（线宽分析）

Nested Sweep Analysis（嵌套扫描分析）

Batched Analysis（批处理分析）

User Defined Analysis（用户自定义分析）

它们利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的到不常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行。集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能；

（5）独特的射频(RF)模块

提供基本射频电路的设计、分析和仿真。射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包括自定义的RF SPICE模型）、用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器、两个

RF-specific仪器（Spectrum Analyzer频谱分析仪和Network Analyzer网络分析仪）、一些RF-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成；

（6）强大的MCU模块

支持4种类型的单片机芯片,支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4 种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码,并兼容第三方工具源代码；包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。

（7）完善的后处理

对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等；

（8）详细的报告

能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告；

（9）兼容性好的信息转换

提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法，可以输出原理图到PCB布线（如Ultiboard、OrCAD、PADS Layout2005、P-CAD和Protel）；输出仿真结果到MathCAD、Excel或LabVIEW；输出网络表文件；向前和返回注；提供Internet Design Sharing（互联网共享文件）

总的来说，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。凭借NI Multisim中完整的器件库，用户可以快速创建原理图，并利用工业标准SPICE仿真器仿真电路。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，电路设计者能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。

第四章仿真与调试

4.1 仿真

在课程设计中，使用的仿真软件为multisim11.0。该软件提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路图和文件管理功能。能够让使用者全面的收集电路的相关数据，进而有助于对电路进行改进。

仿真电路如图4.1：

图4.1震荡电路原理图

取电感L1，L2的值为5mH 100uH,只要开环增益A>1,即可起振。若使振荡频率f=16MHz，有公式ω=1/LC得，此时电容C=100PF。

为保证三极管能够正常放大，要合理设置静态偏置，取R1=150kΩ，R2=30 kΩ，Vb=R2/（R1+R2）,Ve=Vb-0.7,Ve=1V,Ve>Vb>Vc,发射级正偏，集电极反偏，三极管处于放大区。为了防止高频信号干扰直流电源，故接一滤波电容以消除影响。

由于频率较高，如果在输出端直接接示波器，由于示波器电容的影响，振荡回路频率将发生变化。为了减少示波器对振荡回路的影响，故加入射级跟随器。旁路电容10uf，起到隔直通交的作用。

仿真示波器显示如图4.2：

图4.2波形显示

从仿真结果，可以看出正弦波明显变得平滑，失真度变小，且输出电压峰峰值接近1V，频率未变，满足实验要求。

修改参数可以使震荡频率达到20MHZ，但是信号质量不好，有严重的失真。

仿真示波器显示如下图4.3所示:

图4.3失真波形显示

当电容C很小时，输出频率可以达到很高（20MZH），但是输出波形产生了越来越明显的失真，如上图所示。这说明电感三点式正弦波振荡器在很高振荡频率状态下的反馈电压中高次谐波分量较多，导致输出波形差。

图4.4 输入电压图4.5 输出电压

有上述图4.4，图4.5所示，可以轻易看出输入电压为12V，输出电压为1V，根据设计要求可知，本电路设计符合设计要求。

4.2 分析调试

由仿真波形可见，电感电感三点式振荡器存在一定的失真，这是由其本身的缺点造成的。

由于晶体管存在极间电容，对电感反馈振荡器，极间电容与回路电感并联，在频率高时极间电容影响大，有可能使电抗的性质改变，电感反馈振荡器的工作频率不能过高；电容反馈振荡器，其极间电容与回路电容并联，不存在电抗性质改变的问题，工作频率可以较高。

振荡器在稳定振荡时，晶体管工作在非线性状态，在回路中除有基波电压外还存在少量谐波电压（其大小与回路Q值有关）。对电容反馈振荡器，由于反馈是由电容产生的，所以高次谐波在电容上产生的反馈压降较小；而对电感反馈振荡器，反馈是由电感产生的，所以高次谐波在电感上产生的反馈压降较大，因此电容反馈振荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好。

改变电容能够调整振荡器的工作频率。电容反馈振荡器在改变频率时，反馈系数也将改变，会影响振荡器的振幅起振条件，故电容反馈振荡器一般工作在固定频率；电感反馈振荡器在改变频率时，并不影响反馈系数，工作频带较电容反馈振荡器的宽。但电感反馈振荡器的工作频带不会很宽，因为改变频率将改变回路的谐振阻抗，可能使振荡器停振。

第五章心得体会

通过本次课程设计，我学到很多东西，提高了我们的逻辑思维能力，使我们在高频电路的分析与设计上有了很大的进步。加深了我们对晶体管放大电路与振荡电路的认识，进一步增进了对一些常见电子器件的了解。尤其是正弦波振荡器和LC振荡器，还有高频电感三点式正弦波振荡器。这次高频课程设计, 首先，提高了我们的逻辑思维能力，使我们在高频电路的分析与设计上有了很大的进步。其次，查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多的还是独立思考。最后，相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，比如电路仿真时，一开始的时候波形严重失真，和理论上完全不一样，但是和其他的同学讨论后，通过调整相关电阻和电容的值，最终波形出来了。

在这一次课程设计的过程中，我学到了很多东西。平时我们都只是从书本上、从老师的口中学习到一些知识，而且这些东西还都只是理论而已。有一句话说的好：“实践是检验真理的唯一标准。”没有经过实践检验的所有的真理都是假的，都是不正确的（当然也不能说都是错误的）。只有把理论与实践相结合，才是最好的认识事物的方法。

总之，通过这次高频课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，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，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。本次课程设计的题目是高频电感三点式正弦波振荡器的设计，主要应用了高频电子线路三点式振荡器电路内容。因为高频的知识本来就不容易懂，所以查找资料和查阅基础知识，花了很长的时间。这些都应归咎于自己基础知识的匮乏。通过查找资料，结合书本中所学的知识，我最终完成了课程设计的内容。把书中所学的理论知识和具体的实践相结合，有利于我们对课本中所学知识的理解，并加强了我们的动手能力。

这次设计让我更好地掌握了常用元件的识别和测试，更加深刻地理解了课本知识。在此次做课程设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限和自身的不足，并且学会了对所找内容的取舍及分析。总之，从中我学习到了如何解决遇到的困难，而且进一步熟悉了晶体管的应用并掌握了其工作原理和具体的使用方法，增强了对实验的思考能力。

参考文献

【1】曾兴文、刘乃安、陈健．高频电子线路．[M].北京：高等教育出版社，2007

【2】张肃文等．高频电子线路（第四版）．[M].北京：高等教育出版社，2004 【3】聂典等．Multisim 10计算机仿真．[M].北京：电子工业出版社，2010

【4】王志纲《现代电子线路》，[M].清华大学出版社，2003

【5】张肃文《高频电子线路》，[M].高等教育出版社，1993

【6】杨翠娥《高频电子线路实验与课程设计》，[M].哈尔滨工程大学出版社，1996 【7】高如云《通信电子线路》，[M].西安电子科技大学出版社，2005

【8】李银花《电子线路设计指导》，[M].航空航天大学出版社，2005

【9】朱力恒《电子技术仿真实验教程》，[M.]电子工业出版社，2003

【10】康华光《电子技术基础》，[M].高等教育出版社，2000

附录一:元件清单

元件参数或型号数量

电阻100Ω 1

电阻510Ω 1

电阻10KΩ 2

电阻100 KΩ 3 瓷片电容102 3

瓷片电容104 4

电感0.1uH 1

电感0.33 uH 1

三极管BC107BP 2

附录二:总电路