正弦波振荡器报告_图文

1、im正弦波振荡器的仿真设计教务处2015年12月摘要振荡器就是在没有外加输入信号的条件下，能自动将直流电源提供的能量 转换为具有一定频率、一定波形和一定振幅的周期性交变振荡信号的电了线路。 在通信技术领域振荡器的应用十分广泛，它是无线电发送设备的心脏部分，也 是超外差式接收机的主要部分。振荡器的主要技术指标有振荡频率、频率稳定 度、振荡幅度、振荡波形等。按工作原理振荡器可分为反馈式振荡器和负阻式 振荡器。本次实验利用multisim软件进行了互感耦合振荡器、电感三端式、电 容三端式、并联型及串联型石英晶体振荡器的仿真设计，加深了对软件的了解 并加深了对基本知识的了解。关键字：振荡器石英晶体正弦

2、波1 正弦波振荡器的基本原理1.1振荡电路的基本条件（1）一套振荡回路，至少包含两个储能元件。在这两个元件中，当一个释 放能量时，另一个就接受能量。（2）一个能量来源，可以补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体 管振荡器屮，这个能量来源是直流电源vcc。（3）一个控制设备，可以使电源功率在止确的时刻补充电路的能量损失， 以维持等幅振荡。如有源器件（电子管、品体管或集成块等）和正反馈电路。 1.2自激振荡的建立和振荡条件假设基极电路在s处断开。当输入信号为vi时，输出电压为vo （=-vc）, 在经过反馈网络输出的反馈电压为vfo如果vf的振幅和相位原来信号vi完全 相同，那么如果接通s,撤

3、去外加信号vi。而以vf代替它，放大器将继续维持 工作。rtr丁此吋已经没有外加信号，所以它变成了振荡器。由图可知：vf=-fvc. r =aq a.在产生振荡时，vf应等于心因此振荡条件为反馈系数f =丄或1 -ff = 0事实上，反馈放大器的闭坏増益为/ -禺af1-时当1 -人f = 0时，a德于无穷，放大器变成了振荡器1.3自激振荡的平衡问题：振荡器如何由起振过渡到平衡的呢？因起振条件为af>i,振荡建立后随着振幅的增加振荡器的工作状态rti甲类向乙类再向丙类过渡，使a的值减小某一时刻af二1达到平衡。(1) 反馈必须是止反馈反馈到输入端的反馈电压必须与输入电压同相，即满足相位平

4、衡条件(2) 反馈信号必须足够大-般情况下，放大器的放大倍数a>1,反馈电路的反馈系数fl。因此需要 反馈信号有足够大的增益补足反馈系数的衰减，即满足振幅平衡条件af=lo 1.4振荡器的稳定平衡状态只是建立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已经建立的振荡能否 维持，还需要看平衡状态是否稳定。所谓振荡器的稳定平衡，是指在外因的作 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。稳定条件分为振幅稳定和相位稳定。(1) 振幅稳定条件:af二1(2) 相位稳定条件：(pa +(pr= 2tl7l3反馈型lc振荡器3.1互感耦合振荡器互感耦合振荡器

5、有三种形式：调集电路、调基电路、调射电路。调集电路在高頻輕出方面:比其他两种电路稳定二而且幅度较天门谐波成分较小q 路振荡；调基电 烦翠牲较宽的范恫内改变吋振幅比较平稳。：互感耦合潮器在调整反馈时:其彳r1在狗真设计过程屮我们设计了t :基本不影响振琢舞率。 .方宾电路图为扫九:：|?0koc2 :0.01f2n2222组成振荡输出波形为:我们反复调试，并不能输出一个匸确的止弦波l 5 mhj b/yj箔 蒙疥流o jc电感三端式电容三端式2h2369c2:c1屯路图u2 :ioocjm:sorim：c3：1：loorrr 15opf300 pf反馈系数f=l2/l1谐振频率波形失真:u14u

6、hf二c1/c212兀品：2n2369 .100uh5mh:；c3 ；二:100 nf仿真结果为:测得的输出频率为：6. 935khz尝试通过改变c3得到不同的频率，例如令c3=300pf,计算得到= 128.5 khzf = = 2 兀讥乂 2v5100wwx300hf但实际上其谐振频率为:110.555khz这与我们计算的理论结果有较大的偏差， 且其输出波形也出现失真，可见，虽然改变c可以改变振荡频率，但还是有一 定范围要求的。电感三端式的优点：(1) 由于l1与l2之间有互感存在,所以容易起振；(2) 改变冋路电容来调整频路时，基本不影响电路的反馈系数。 电感三端式的缺点：(1) 与电容

7、三端式相比，振荡波形不够好；(2) 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 并联与l1与l2两端使反馈系数随频率变化而变化。3. 3电容三点式振荡器:c6350pf : 35 %/wy.4uh上图分别为电容三点式的电路图和等效电路。li, c2, c4, c6组成振荡回 路，反馈信号从c4两端取得，送冋放大器的输入端，高频扼流圈的作用是为了 避免高频信号被旁路，并为品体管集电极构成一直流通路。仿真结果为：ab标 * :ro材 * 8=x/c2qi * »» 5g2in »czji勺 ck2igx»ov»o水千«

8、;ovtv/1 匕不力oj( a/u j1 sszajl o jrx>a j字o 亠空|壬欢dl正*l宀幼兀|测得的输出频率为:2.31khz电容三点式的优点：（1）输出波形好，因为集电极和基极的电流可通过对谐波为低阻抗的电容支路 冋到发射极，所以高次谐波的反馈减弱，输出的谐波分量减小，波形更接近正 弦波；（2）频率稳定度高，因不稳定电容与该电路屯容并联 电容三点式的缺点：调节c1和c2调频率时反馈系数会改变。4.石英晶体振荡器rti品体的电抗特性曲线得到的结论：1）当ffs或f>fp时，晶体谐振器呈容性;2）当fs<f<fp时，晶体谐振器等效为电感;3）f二fs时是串

9、联谐振点，等效阻抗最小； f二fp时是并联谐振点，等效阻抗最大。因此，石英品体振荡电路可分为两种：1）并联谐振型晶体振荡器（石英晶体等效为电感元2）串联谐振型晶休振荡器（晶休工作在串联谐振频率上）4.1并联谐振型晶体振荡器这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式lc振荡<-c2aapjt<>b-e型电路器相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路zm,作为一个感性原件，并与 其它回路原件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。理论上可以分为 c-b型、b-e型和c-e型，但常用的只有前两种，其中c-b型相当于电容三端式 振荡器，b-e型相当丁电感三端式振荡器。其电路组成如下图所示c

10、2 jtt<丄 ci°k"t"12ufc21 ufc-b型和b-e型电路比较c-b型b-e型输出信号幅值小大频率稳定度好较差对石英晶体标准 性的影响较小较大c b型电路因此，在频率稳定度耍求较高的电路中，几乎都采用b-c型电路，这里我们设计了 b-c型 电路。绘制的仿真电路图及其等效电路:vcc12vxfc1 .xsc1123123etftat：2n35012n35011：测得的当我们输出波谐振频率为：5. 971mhz 改变c4吋，令 c4=300pf,其 形为：72*000-jc(>-d000006o ooo vz0.000 xz0.000 v2

11、ata 4 nir vx pezvf ol2l< r o"lc n_xsjim !* oah mr fao rvv/otv rti fo> t o旨严日日作伏疋 4严联型石英晶 g 、j l-ji o ji i* t 2f上qi_4出ilea*ui 亠 i串石休器容式 型晶荡电端 联英振与三振荡电路十分相似，只是反馈信号要经过石英晶体后，才能送到发射极与基极 之间。绘制的仿真电路图及其等效电路：>z<12t x1l ： : ihq-4»/ysmhx :c1： hi 2oopf日寸u 标丿只.：y/t | 丟其仿真输比波形为:il 100pfc39kmim可 见，已经不能输出正确的正弦波，该参数只适用于5mhz的品振。当我们把电路中的li、cl、c2改变为其他参数时，仍输出一个类似于上图 的锯齿波信号，可见，对应一个固定的晶振，有一组固定的参数才可输出正确 的正弦波。5 心得体会此次拿到设计题目之后本来想像比较简单，没有什么太大的难度，大概的 构思了一下设计方法，可是理论应用于实践的过程却并非这么简单。在仿真过 程中，出现了不能振荡、波形失真、频率不稳定现象，查阅了好多资料，通过 计算谐振频率的公式以及根