正弦波振荡电路的设计及分析

1、2014届通信原理课程设计正弦波振荡电路的设计与分析课程设计说明书学生姓名 张永良 学 号 所属学院 信息工程学院 专 业 通信工程 班 级 通信工程15-1 指导教师 姚娜 教师职称 讲师 塔里木大学教务处制目录前言1工程概况1正文23.1设计的目的和意义23.1.1设计目的23.2克拉泼电容三点式振荡电路的基本原理23.2.1 振荡器组成原则23.2.2 电路原理及分析33.2.3改进型电容三点式（克拉泼振荡器）53.2.4 克拉泼振荡器的电路分析53.2.5克拉泼振荡器的起振条件63.2.6克拉泼振荡器的振荡频率63.2.7克拉泼振荡器的电容参数影响73.3设计方法和内容83.3.1电容

2、三点式和改进型电容三点式仿真比较83.3.2克拉泼振荡器电容参数改变对波形的影响93.4结论10致谢10参考文献：11前言振荡器用于产生一定频率和幅度的信号，它不需要外加输入信号的控制，就能自动的将直流电能转化为所需要的交流能量输出。振荡器的种类很多，根据产生振荡波形的不同，可分为正弦波振荡器和非正弦波震荡器。正弦波振荡器从组成原理来看，可分为反馈振荡器和负阻振荡器。正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器称为LC正弦振荡器。三点式振荡器属于LC振荡器的一种，由于电容三点式频率调节不便引起电路工作性能的不稳定使该电路只适宜产生固定频率的振荡

3、，所以选择了改进型电容三点式（克拉泼电路），即在电容三点式电路的基础上，在谐振回路的电感支路上串联一个可调电容。此次设计的电路是建立在反馈电路基础之上的，在熟悉了改进型电容三点式的原理下，对电路进行仿真，由输出波形比较它们的不同，最后得出可调电容的值越大，振荡频率稳定度越高。振荡器在现代科学技术领域有着广泛的应用，例如，在无线电通信、广播、电视设备中来产生所需要的载波和本机振荡信号；在电子测量仪器中用来产生各种频段的正弦信号。工程概况此次课程设计是在multisim软件下对改进型电容三点式克拉泼电路的输出波形进行仿真。由于振荡器的种类很多，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

4、大器和选频网络组成，都要满足起振，平衡和稳定条件。本次课程设计要求振荡器的输出频率为10Mhz，属于高频范围。所以选择LC振荡器作为参考对象，再考虑输出频率和振幅的稳定性，最终选择了克拉泼振荡器。此次可设用了两周的时间，对改进型电容三点式克拉泼电路进行仿真，发现了克拉泼电路的优缺点。正文3.1设计的目的和意义3.1.1设计目的熟悉multisim软件，运用软件里的一些元器件连接电路图，完成课程设计：改变型电容三点式（克拉泼电路）设计仿真。1.对改进型电容三点式（克拉泼电路）进行输出波形仿真，并分析。3.调节可变电容的值，观察输出波形的变化，并与实际理论值进行比较。3.1.2设计意义 设计的改进

5、型电容三点式电路克服了电容三点式电路的频率高的缺点，在实际应用中的范围更加广泛。3.2克拉泼电容三点式振荡电路的基本原理3.2.1 振荡器组成原则电容反馈式振荡电路的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3-2-1所示。由图可见，除晶体管外还有三个电抗元件X1、X2、X3，它们构成了决定振荡器频率的并联谐振回路，同时构成了正反馈所需的网络，为此根据振荡器组成原则，三端式振荡器有两种基本电路，如图3-2-1所示。图2-0中X1和X2为容性，X3为感性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电容元件完成的，称电容反馈振荡

6、器（a）（b）图3-2-1 三端式振荡器基本电路电路由放大电路、选频网络、正反馈网络组成。总体设计方案框图如下：选频网络放大电路反馈网络图3-2-2 电容反馈式振荡电路设计框图三点式LC正弦波振荡器的组成法则是：与晶体管发射极相连的两个电抗元件应为同性质的电抗，而与晶体管集电极基极相连的电抗元件应与前者性质相反。也就是说上图（b）中、与的性质必须相反振荡器才能起振。3.2.2 电路原理及分析电容反馈式电路工作原理及分析图3-2-3（a）是电容三点式电路一种常见形式,（）是其高频等效电路。图中1、3是回路电容, 1是回路电感, 2和5分别是高频旁路电容和耦合电容。一般来说, 旁路电容和耦合电容的

7、电容值至少要比回路电容值大一个数量级以上。有些电路里还接有高频扼流圈, 其作用是为直流提供通路而又不影响谐振回路工作特性。对于高频振荡信号, 旁路电容和耦合电容可近似为短路, 高频扼流圈可近似为开路。 （a）（b） 图3- 2-3 电容三点式振荡电路由于电容三点式电路已满足反馈振荡器的相位条件, 只要再满足振幅起振条件就可以正常工作。因为晶体管放大器的增益随输入信号振幅变化的特性与振荡的三个振幅条件一致, 所以只要能起振, 必定满足平衡和稳定条件。(1) 平衡条件振荡器的平衡条件即为，也可以表示为 ：，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

8、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。(2) 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。 由可知，称为自激振荡的起振条件，也可写为 ，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。(3) 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

9、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)相位稳定条件振荡器的相位平衡条件是T（0）。 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。 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T（）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=0附近, 当不稳定因素使瞬时角频率增大时, 相

10、频特性T（0）应产生一个-, 从而产生一个-, 使瞬时角频率减小。 3.2.3改进型电容三点式（克拉泼振荡器）在电容三点式电路中，要减小极间电容在回路总电容中的比重，可以采用部分接入的方法。一种电容三点式振荡器的改进型电路克拉泼振荡器就是从这一点出发得到的。在电容三点式振荡器电路的回路中仅多加一个与、相串联的电容即构成了克拉泼振荡器。3.2.4 克拉泼振荡器的电路分析 (a) 实际电路 (b)交流通路图3-2-4克拉泼振荡器原理图图3-2-4（a）和（b）分别是克拉泼振荡器的实际电路和相应的交流通路。由图3-2-4（a）可知，克拉泼电路与电容三点式电路的差别，仅在回路中多加一个与、相串联的电容

11、。通常取值较小，满足，回路总电容主要取决于。而回路中的不稳定电容主要是三极管的极间电容、，它们又都直接并接在、上，不影响值，结果是减小了这些不稳定电容对振荡频率的影响，而且越小，这种影响就越小，环路增益就越小，回路标准性就越高。实际情况下，克拉泼电路的频稳度大体上比电容三点式电路高一个量级，达。3.2.5克拉泼振荡器的起振条件 （a）克拉泼电路 （b）开环电路图3-3-5克拉泼电路及其开环电路在如图（a）所示的克拉泼电路中，、的串联支路呈感性，符合三点式电路的组成法则，即与发射极连接的为和，而不与发射极连接的为感性电抗。该电路满足相位平衡条件。在处断开，可以得到如图（b）所示的开环电路。它的反

12、馈网络的反馈系数保持不变，仍为，不同的仅是需要通过和的电容分压网路折算到集电极上，折算后的数值为（或），其中。因此，该电路的振幅起振条件其中，。3.2.6克拉泼振荡器的振荡频率克拉泼振荡电路是在电容三点式振荡电路的基础上，采用和的串联电路代替原来的而构成的。由图3-2-4（b）可知，在工作频率上，与串联支路应等效为一个电感，和以及并接在，上的，只是整个回路电容的一部分，晶体管以部分接入的方式与回路联接，这样就减弱了晶体管与回路的耦合。由于，因而回路总电容近似等于，振荡器的振荡频率为：显然，管子的结电容对的影响是很小的，而且越小，结电容对振荡频率的影响就越小。但是，由于，只是整个振荡回路的一部分

13、，晶体管是以部分接入的方式与回路连接，减弱了晶体管与回路之间的耦合。而晶体管的电压反馈系数为：。如果设回路L两端的等效负载为，则折合到集电极回路作为集电极负载电阻: 为回路总阻抗反映到管子ce端的接入系数，其值为 可见减小也减小，从而导致放大倍数下降，会影响起振条件。由于通过改变来改变振荡频率的同时会影响负载电阻变化，进而影响振荡器的性能，故克拉泼振荡器不适合用作频率可变振荡器。3.2.7克拉泼振荡器的电容参数影响如图3-2-4（a）所示，在电容三点式振荡电路中接入后，虽然振荡器的反馈系数不变，但是接在两端的电阻折算到振荡管集基极间的数值（设为）减小，其值为：式中，是、和包括各极间电容在内的总

14、电容。因而，放大器的增益亦即环路增益将相应减小。显然，越小，环路增益就越小。可知，在这种振荡电路中，减小来可提高回路标准性。但取值过小，振荡器就不会满足振幅起振条件而停振。3.3设计方法和内容3.3.1电容三点式和改进型电容三点式仿真比较图3-3-1 电容三点式电路仿真图3-3-2电容三点式输出波形仿真与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感支路上串连一个电容。但它有以下特点：1、振荡频率改变不影响反馈系数；2、震荡幅度比较稳定；3、电路中C3为变电容，调整它可一定范围内调整震荡频率；但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4。为此，克拉泼振荡器适合作固定频

15、率振荡器。图3-3-3改进型电容三点式-克拉泼电路共基极仿真电路图3-3-4改进型电容三点式(克拉泼电路)输出波形仿真比较电容三点式电路和改进型电容三点式电路，可以发现，电容三点式的优点是电容对高次谐波呈现较小容抗，反馈信号中高次谐波分量小，故震荡输出波形好；缺点是频率调节不方便，只适用于频率调节范围不大的场合，而且晶体管之间会存在寄生电容，他们均与谐振回路并联，会使振荡频率发生偏移，同时极间电容会随晶体管的工作状态变化。改进型电容三点式(克拉泼电路)的优点是减小晶体管的极间电容，使振荡频率稳定度明显提高了；缺点接入可变电容后，使晶体管的输出端和回路耦合减弱，放大器的放大倍数减小，从而使振荡器

16、输出的幅度小。3.3.2克拉泼振荡器电容参数改变对波形的影响由克拉泼振荡器的起振条件可知，当C6改变时会对电路的起振条件会产生很大的影响。如果C6取值过小，振荡器就不会不满足振幅起振条件而停振。设C6为15pF，20%时，可以得到电路的仿真波形如图所示。可发现，波形明显失真了。图3-3-5 改变C6后的仿真波形3.4结论 电容三点式振荡器的反馈信号取自电容 两端，因为电容对高次谐波呈现较小的容抗，反馈信号中高次谐波分量小，故震荡输出波形好。但当通过改变 或 来调节振荡频率时，同时会改变正反馈量的大小，因而会使输出型号幅度发生变化，甚至会使振荡器停振，所以电容三点式振荡电路频率调节很不方便，故使

17、用于频率调节范围不大的场合。而改进型电容三点式仅在谐振回路电感支路增加了一个电容 ，却能克服这些缺点。致谢经过一周的时间，终于顺利的完成了此次课程设计，回顾这次课程设计的过程，感觉自己收获了很多，同时也发现了自身存在一些问题，我发现了自己对书本上的知识掌握的不好，理解的程度也不够。这次课程设计，通过查阅相关资料和对课本知识的仔细研究，使我对抽象的理论有了具体的认识，我掌握了电容三点式、改进型电容三点式电路的原理以及优缺点，熟悉了multisim软件的使用和电路图的仿真，以及改变参数时对仿真图形进行比较和分析。对于电路的设计过程我以为电容三点式振荡器的设计很难，设计比较烦琐，有静态工作点的要求，

18、各电阻、电容值的设计，还有好多要求，看起来十分复杂。后来通过查资料，才了解到先要计算好各电阻的值，再根据各电容的作用，确定电容的值，画出电路图，一切都会变得简单。同样，在这次课程设计中也遇到了不少问题，尤其是编辑公式时，操作不灵便，编辑好的文档没有及时保存，以至于从头再来，浪费了很多时间。但吃一堑长一智，现在遇到这些问题，及时解决，以后再做这类事情就会多一点经验，就会少出一些类似问题。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次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