高频课程设计LC振荡器克拉泼.doc

河南理工大学课程设计报告书 通信基本电路课程设计报告 设计题目： LC正弦波振荡器的设计 专业班级：电子信息科学与技术11-1 学 号：311108000527 学生姓名：杨亚 指导教师：王立国 教师评分： 2014年1月10日目 录一、设计任务与要求.3二、设计方案.32.1电感反馈式三端振荡器.42.2电容反馈式三端振荡器.42.3克拉波电路振荡器.8三、设计内容.103.1 LC振荡器的基本工作原理.103.2克拉泼电路10 3.2.1振荡原理.113.3克拉泼振荡器仿真.123.3.1软件简介.123.3.2进行仿真.123.3.3电容参数改变对波形的影响.134、 电路制作与调试. . 19 5、 总结. 19 6、 主要参考文献.20一、 设计任务与要求为了熟悉高频电子线路课程中所学到的知识，在本课程设计中，我着中对LC正弦波振荡器进行了分析和研究。通过对几种常见的振荡器（电感反馈式三端振荡器、电容反馈式三端振荡器、改进型电容反馈式振荡器）进行分析论证，我最终选择了克拉泼振荡器。在本次课程设计中，设计要求产生1020Mhz的振荡频率。振荡器的种类很多，适用的范围也不相同，但它们的基本原理都是相同的，都由放大器和选频网络组成，都要满足起振，平衡和稳定条件。然后通过所学的高频知识进行初步设计，由于受实践条件的限制，在设计好后，我利用了模拟软件进行了仿真与分析。为了学习Multisim软件的使用，以及锻炼电子仿真的能力，我选用的仿真软件是Multisim11.0版本，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。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。最后我利用了仿真软件对电路进行了一写的仿真分析，如改变电容的参数，分析对电路产生的影响等，再考虑输出频率和振幅的稳定性，得到了与理论值比较相近的结果，这表明电路的原理设计是比较成功的，本次课程设计也是比较成功的。本设计中的电路图是使用Protel软件绘制的，本设计中所涉及的仿真电路是比较简单的。在实验条件受限的情况下，利用软件仿真在实际中有很实际的意义。二、 总体方案通过学习高频电子线路的相关知识，我们知道LC正弦波振荡器主要有电感反馈式三端振荡器、电容反馈式三端振荡器以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路）等。通过老师所讲和查阅相关资料可知，克拉泼振荡电路具有该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，适合做波段振荡器等优点。所以在本设计中拟采用改进型电容反馈式-克拉泼电路振荡器。下面对几种振荡器进行分析论证：2.1 电感反馈式三端振荡器图2.1 电感三点式振荡器电感反馈震荡电路的优点是：由于和之间有互感存在，所以容易起振。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。这种电路的主要缺点是：与电容反馈震荡电路想比，其震荡波形不够好。这是因为反馈支路为感性支路，对高次谐波呈现高阻抗，故对于LC回路中的高次谐波反馈较强，波形失真较大。其次是当工作频率较高时，由于和上的分布电容和晶体管的极间电容均并联于与两端，这样，反馈系数F随频率变化而变化。工作频率愈高，分布参数的影响也愈严重，甚至可能使F减小到满足不了起振条件。总之，由于存在互感，电路不好计算而且波形失真较大，在此不再仿真分析。这种电路尽管它的工作频率也能达到甚高频波段，但是在甚高频波段里，优先选择的还是电容反馈振荡器。2.2 电容反馈式三端振荡器电容三点式振荡器又称为考毕兹振荡器，其电路原理图如下：图2.2 电容三点式振荡器原理图对于电容三点式振荡器，反馈系数F的表达式为：不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量为、的串联，即振荡频率的近似为与电感三端震荡电路想比，电容三端振荡器的优点是输出波形较好，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，输出的谐波分量减少，波形更加接近于正弦波。其次，该电路中的不稳定电容（分布电容、器件的结电容等）都是与该电路并联的，因此适当的加大回路电容量，就可以减弱不稳定因素对振荡器的影响，从而提高了频率稳定度。最后，当工作频率较高时，甚至可以只利用器件的输入和输出电容作为回路电容。因而本电路适用于较高的工作频率。这种电路的缺点是:调或来改变震荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令与为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。下面对其进行仿真分析：仿真电路图：（原件标示符没改）图2.3 电容三点式仿真电路图仿真结果：图2.4 示波器显示的波形图2.5 频率计显示频率的频率结果分析： 理论计算的振荡频率为=10.2M，C= 。观察到的振荡波形如上图所示，频率基本上在13Mhz左右变化但从波形看出其振荡极不稳定，且波形失真较大。所以本次课程设计中不采用此设计。2.3 克拉波电路振荡器克拉泼电路时一种高稳定度的LC震荡电路，电路图如下：图2.6 克拉波电路振荡器原理图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C5，功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性，使振荡频率的稳定度得以提高。先不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量C为C2、C4和C5的串联，即于是，振荡频率为使上式成立的条件是C4和C2都要都要远远大于C5，由此可见，C2、C4对振荡频率的影响显著减小，那么与C2、C4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。仿真原理图：（仿真电路图标示符未改）图2.7 克拉波电路振荡器仿真电路图仿真结果：图2.8 示波器波形分析图图2.9 频率计显示频率结果分析：通过仿真，可以看出输出的波形基本上没有失真，同时输出频率也在要求的范围之内，并且可以通过更改C5的值来改变频率值。综上，通过对电感反馈式三端振荡器、电容反馈式三端振荡器以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路）的仿真论证分析，最终选择克拉泼振荡电路来实现LC正弦波振荡器的设计。三、 设计内容3.1 LC振荡器电路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。LC振荡器是一种能量转换器，由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络及反馈网络组成。振荡器根据自身输出的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器，正弦波振荡器在广播通讯、自动控制、仪器仪表、高频加热、超声探伤等领域有着广泛的应用。本课程设计讨论的就是正弦波振荡器。其框图如图所示。放大电路选频网络正反馈网络输出图3.1 振荡器原理框图3.2克拉泼电路3.2.1振荡原理克拉泼电路是一种改进型的电容反馈振荡器，是在克拉泼电路上改进的来的，电路原理图如下所示：图3.2 克拉泼电路原理图震荡回路的总电容为：所以可以得到振荡频率为：3.3 克拉泼振荡器仿真结果与分析：3.3.1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。学生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。由于本次仿真主要用到了示波器和频率计，所以在此对示波器和频率计做简单介绍：双通道示波器：双通道示波器主要用来显示被测量信号的波形，还可以用来测量被测信号的频率和周期等参数。如右图所示。A,B表示两个信号的通道，Ext Trig表示外接触发信号输入端，“-”表示接地。频率计：频率计可以用来测量数字信号的频率，周期，相位以及脉冲信号的上升沿和下降沿。如右图所示。应当注意的是，在Multisim中不能用频率计来测量较低频率的信号。3.3.2进行仿真下图为克拉泼电路振荡器的电路图，是Multisim软件画出的，可以对其进行仿真：图3.5 克拉泼仿真电路图下面给出当图中变化时对波形的影响：3.3.3电容参数改变对波形的影响（1）为0%，即=0pF；图3.6 示波器显示波形图图3.7 0%频率计显示仿真结果分析：有图可以看出，当=0pF时，波形本来是振荡的，结果慢慢不再振荡了，说明此时不再满足振荡条件，不构成振荡回路。当我把调为5%时，又出现了振荡曲线，如下图所示，此时频率大约为39Mhz左右：图3.7 5%时的频率计显示（2）为25%,即=7.5pF；图3.8 25%时的波形图图3.8 25%时的频率图仿真分析： 由图可以看出，当=7.5pF时，波形为正弦图形且无失真，得到频率为18.286Mhz左右。（3）为50%,即=15pF；图3.9 50%时的波形图图3.10 50%时的频率值仿真分析： 由图可以看出，当=15pF时，波形为正弦图形且无明显失真，得到频率值为13.955Mhz左右。（4）为75%,即=22.5pF；图3.11 75%时的波形图图3.12 75%的频率值仿真分析： 由图可以看出，当=22.5pF时，波形为正弦图形且无明显失真，得到频率值为11.782Mhz左右。（5）为100%,即=30pF；图3.13 100%时的波形图图3.14 100%时的频率值从以上振荡波形可知，随着的逐渐增大，振荡波逐渐稳定。当较小时，如,震荡波不太稳定，且太小时将不再起振。当较大时，如图3.8到 图3.13，震荡波比较稳定。因此，不能太小，一般应较大些。4、 电路制作与调试 元件清单：电阻，56千欧、24千欧、1千欧、3千欧、5.1千欧各一个。三极管2N2222A一个。电容1uF一个、10uF2个、100pF2个、5uF1个。可变电容1uF一个，电感300uF1个，10uF1个。五、总结在本次课程设计中，我选择的题目是LC正弦波的设计，根据所学的高频电路知识，我拟采用克拉泼电路震荡器，它是一种改进型的电容反馈振荡器，具有频率稳定性高，振幅稳定等优点。首先，我先对能够实现高频震荡器的几种常见电路进行了分析与论证，经过分析，可以知道的特点：电感三点式振荡器虽然说调频方便，容易起振但输出波形不理想。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。综上考虑，我最终采取了克拉珀电路振荡器。其次，在震荡器的设计中，我首先分析了振荡器的工作原理，并利用Protel软件画出了克拉泼电路的原理图，用做出了仿真电路图。由于受实际条件所限，我利用了Multisim仿真软件来对自己的设计电路图进行仿真。在仿真的过程中，我对正弦波震荡电路有了更进一步的了解。通过这次课程设计，让我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。明白了正弦波振荡器的分类方法以及各个类型电路的震荡波形，也逐渐对振荡器的振荡频率、震荡幅度等相关技术指标有了一定的了解。改进：在实验内容中通过对克拉泼电路震荡器的仿真分析，可见当电感上串联的电容容值改变时，频率的范围变化不大，频率范围大约为10.66939.395（当=30pF时为10.669，=1.5pF时为39.395）。由此可见克拉泼振荡器的可调范围满足设计要求但是可调范围较小。建议：若要改进振荡器的可调范围，可以在电感的两端并上一个电容组成西勒振荡器，由所学知识可知，西勒振荡器除了具有克拉泼振荡器