高频课程设计_LC振荡器_克拉泼要点

1、高频电子线路课程设计报告设计题目：高频正弦信号发生器学院专业姓名班级2015年1月6日一、设计任务与要求二、设计方案 12.1 电感反馈式三端振荡器 22.2 电容反馈式三端振荡器 22.3 克拉波电路振荡器 6三、设计内容 .83.1 lc振荡器的基本工作原理 .83.2 克拉泼电路原理图93.2.1 振荡原理.93.3 克拉泼振荡器仿真 103.3.1 软件简介.103.3.2 进行仿真 .103.3.3 电容参数改变对波形的影响 t1四、总结 .17五、主要参考文献 .18六、附录 .18一、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，我和队 友（石鹏涛、甘文鹏

2、）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，我们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，我们选用的仿 真软件是multisim11.0版本，该软件提供了功能强

3、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。最后我们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。二：设计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

4、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vcc电感反馈震荡电路的优点是：由于li和l2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

5、于 li和l2上的分 布电容和晶体管的极间电容均并联于 li与l2两端，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:qi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: c1c1+c2不考虑各极问电容的影响，这时谐振回路的总电容量为ci、c2的串联，即1

6、ci+ 一c2振荡频率的近似为12 w lc17，9c1c22九c1+c2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cl或c2来改变震荡频率时，反馈系数也将改变

7、。但只要在l两端并上一个可变电容器，并令ci与c2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13仿真结果:roscilloscope-xscl图2.4示波器显示的波形rfrequency counter-xfclmeasurementcouptng二rtacdc:口mn rate；13,617 mhzsensitivity 促ms)1trigger levelqn slow change signal图2.5频率计显示频率的频率结果分析: 1ccc理论计算的振荡频率为fo=10.2m, c= -3- o

8、观祭到的振荡波2二.lcc3 c4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:-c2图2.6克拉波电路振荡器原理图vcctq12n3904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。先不考虑各极问电容的影响，这时谐振回路的总电容量c为c2、c4和c5的串联，即c5c2c4c5于是，振荡频率为使上式成立的条件是c4和c2

9、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frequency counter'xfc 1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

10、 现lc正弦波振荡器的设计。设计内容3.1 lc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。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。放大电路选频网络输出正反馈网络图3.1振荡器原理框图3.2 克拉泼振荡器电路原理图: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,图3.2克拉泼

11、电路原理图震荡回路的总电容为:c21+ c41+ c5c5所以可以得到振荡频率为:fo3.4克拉泼振荡器仿真:3.4.1 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 ew吆后的版 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

12、术创造出真正属于自 己的仪表。所以在此对示波器和频率计做简xsc1由于本次仿真主要用到了示波器和频率计， 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 二：xfc1：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。, 一- 3.4.2 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

13、其进行仿真:2w1711k r - t vl :-旗 * *124 .：r 2i - « i nk r 1 -"图3.5克拉泼仿真电路图卜面给出当图中c7变化时对波形的影响:3.4.3电容参数改变对波形的影响(1) c7 为 0% 即 c7=0pf;oscillo&cape-xsc 1h * 1t1 * *t3ii tjk 1time 155.m7u& 155,347 us o-odd sownd_a gwnejij2,321 y z321v o-odqv! rwerse1savefit. tnciwtimebasescale:ch anrad a 1cha

14、nnd b£必：5寸取trigqefedge： lf：emf戈 pdsig）； d1皿曲丽网f pd5.(pw：。 k o pcjy po5v" nlevd: gtrt |河fl.v inarjlautollltorie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c7=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c7调为5%寸，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) c7 为 25%,即 c7=7.5pf;图3.8 25%时的波形

15、图图3.8 25%时的频率图仿真分析:由图可以看出，当c7=7.5pf时，波形为正弦图形且无失真，得到频率为18.286mhz 左右。(3) c7 为 50%,即 c7=15pf;19ext. triggertriggeresu；国国同t|level: gvtype sing j |w autotimechannel _achannd_b5,693 ms1181v3,693 ms1181v0.000 s0.000 vti sst2 *|*|t2-t1图3.9 50%时的波形图savefrequency countfr-xfcl图3.10 50%时的频率值区timebasechannel ach

16、arnel bscale; 50 ns/div sea后 1 v/dtvscaler 5_x pas.(piv): 0ypoc.piv): 0y fkis.fpiv): 0瓯逼巫|画应叵困 ®仿真分析:由图可以看出，当c7=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) c7 为 75%,即 c7=22.5pf;saveext. trtggerchannel _achannel_b-2.725 v-l725v0.000 vx pos.fpiv): 0瓯砌画画ti ast2 >141t2-t1timebasetime 6.900 ms 6,

17、00 ms 0,000 sscale; 50 ns.j图3.11 75%时的波形图channel_a giannd bscale； 1 v/dfv scale； 5 旭tv.edge: 国mj 自叵1附 iy pos.(i>v): 0y fjos.(div): 。level: 口v巨因 ,j acimesm type回均 丽画同 丽1frequency counter-xecl图3.12 75%的频率值仿真分析：由图可以看出，当c7=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) c7 为 100%,即 c7=30pf;图3.13 100% 时的波

18、形图frequency countfr-xfcl图3.14100%寸的频率值从以上振荡波形可知，随着c7的逐渐增大，振荡波逐渐稳定。当c7较小时, 如，震荡波不太稳定，且太小时将不再起振。当c7较大时，如图3.8到 图3.13, 震荡波比较稳定。因此，c7不能太小，一般应较大些三、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