完整版高频电子线路课程设计.docx

1、完整版高频电子线路课程设计课程设计班 级：电信12-1班 姓 名：徐雷 学 号：1206110123 指导教师：李铁 成 绩： 电子与信息工程学院信息与通信工程系 摘要振荡器是一种不需要外加激励、电路本身能自动地将直流能量转换为具有某种波形的交流能量的装置。种类很多，使用范围也不相同，但是它们的基本原理都是相同的，即满足起振、平衡和稳定条件。通过对电感三点式振荡器（哈脱莱振荡器）、电容三点式振荡器（考毕兹振荡器）以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路和西勒电路）的分析，根据课设要求频率稳定度为10-4,西勒电路具有频率稳定性高，振幅稳定，频率调节方便，适合做波段振荡器等优点,因此选择西勒电路进

2、行设计。继而通过Multisim设计电路与仿真。关键词：振荡器；西勒电路；Multisim AbstractThe oscillator is a kind of dont need to motivate, circuit itself automatically device for DC energy into a waveform AC energy applied. Many different types of oscillators, using range is not the same, but the basic principles are the same, to me

3、et the vibration, the equilibrium and stability conditions. Based on the inductance of the three point type oscillator ( Hartley), three point capacitance oscillator ( Colpitts) and improved capacitor feedback oscillator (Clapp and Seiler) analysis, according to class requirements, Seiler circuit wi

4、th high frequency stability, amplitude stability frequency regulation, convenient, suitable for the band oscillator etc., so the final choice of Seiler circuit design. Then through the Multisim circuit design and simulation.Key Words：Oscillator; Seiler; Multisim 引言在信息飞速发展的时代，对信息的获取、传输与处理的方法越来越受到人们的重

5、视。如何高效快捷且没有失真传递信息成为关注的热点。通过对高频电子线路课程的学习，了解到高频信号发生器主要用来向各种电子设备和电路提供高频能量或者高频标准信号，以便测试各种电子设备和电路的电气特性。一般采用 LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。高频信号发生器主要是产生高频正弦振荡波，故电路主要是由高频振荡电路构成。振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。为此，振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路。振荡器主要分为晶体振荡器和LC振荡器，本次课设采用LC振荡器。LC振荡器中的基本电路就是通常所说的三点式振荡器，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

6、路。其中三点式又分为两种基本电路。根据反馈网络由电容还是电感完成的分为电容反馈振荡器和电感反馈振荡器。同时为了提高振荡器的稳定度，通过对电容三点式振荡器的改进可以得到克拉泼振荡器和西勒振荡器两种改进型的电容反馈振荡器。其中互感反馈易于起振，但稳定性差，适用于低频，而电容反馈三点式振荡器稳定性好，输出波形理想，振荡频率可以做得较高。通过对各电路的比较，以及根据课设要求工作频率5MHz ，频率稳定度10-4，电源电压15V，波形质量较好，有适当的输出功率。等综合考虑，最终选择西勒振荡器，并完成相关的技术指标。1. 概述1.1 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

7、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；而非正弦振荡器能产生出矩形波(方波)、三角波、锯齿波等信号，这些信号可以用于测量设备、数字系统、自动控制及计算机设备中。本设计讨论的就是正弦波振荡器。其框图如图1-1所示。图1-1振荡器原理框图放大器的增益: A= V0/ Vi (1-1)反馈系数:F= Vf/ V0 (1-2)由所学知识可知，构成一个振荡器必须具备下列三个条件：(1)一套振荡回路，包含两

8、个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。(2)一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。(3)一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。1.2 起振条件与平衡条件1.2.1 起振条件振荡电路在刚接通电源时候，晶体管中电流从零跃变到某一数值，同时，电路中还有噪声，它们具有很宽的频谱。由于放大器负载回路的选频作用，其中只有某个频率分量才能通过反馈网络加到放大器的输入端，这就是振荡器最初激励信号。

9、为了使振荡器在接通直流电源后能够自动起振，则要求反馈电压在相位上与放大器输入电压同相，在幅度上则要求VfVi ,起振的充分必要条件。可以写成：FA1 (1-3)A+F=2n n=0,1,2,3, (1-4)(1-3)是振幅起振条件，(1-4)是相位起振条件。两者必须同时满足才能起振1.2.2 平衡条件当反馈信号等于放大器的输入信号时，振荡电路的输出电压不再发生变化，电路达到平衡状态。振荡的平衡条件包括振幅平衡条件(1-5)和相位平衡条件(1-6)，分别为：AF=1 (1-5)A+F=2n n=0,1,2,3, (1-6)1.2.3 稳定条件当振荡器受到外部因素的扰动（如电源电压波动、 温度变化

10、、噪声干扰等），将引起放大器和回路的参数发生变化破坏原来的平衡状态。如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器越来越偏离原来的平衡状态，从而导致振荡器停振或突变到新的平衡状态，则表明原来的平衡状态是不稳定的。反之，如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能够产生回到原平衡点的趋势，并且在原平衡点附近建立新的平衡状态， 则表明原平衡状态是稳定的。振荡器的稳定条件相应地可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，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)相位稳定条件同理，要使相位稳定，振荡器在

11、其平衡点必须具有阻止相位变化的能力。即有振荡器的相位稳定条件。 (1-7)2. 硬件设计2.1 电感反馈三点式振荡器电感三点式振荡器（哈特莱振荡器），其原理电路如图所示图2-1 电感三点式震荡器电路振荡频率： (2-1)电感反馈振荡电路的优点是：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：与电容反馈振荡电路相比，其振荡波形不够好。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

12、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。因此，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 电容反馈三点式振荡器电容三点式振荡器（考毕兹振荡器），其原理电路如图：图2-2 电容三点式震荡器电路振荡频率的近似为 (2-2) 与电感三端振荡电路相比，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

13、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:调或来改变振荡频率时，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。2.3 改进型反馈振荡电路 克拉波电路振荡器克拉泼电路时一种高稳定度的LC振荡电路，电路图如下：图2-3克拉波电路 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C3，其取值比较小，要求C3 C1，C3C3、C4的条件，因此C1=200pF

14、,C2=600pF。F=200/600 =0.33。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。3. 软件仿真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

15、用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。Multisim软件特点:(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一样。(2)丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库， 包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过IIT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。(3)丰富的测

16、试仪器：除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是：所有仪器均可多台同时调用。(4)完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。(5)强大的仿真能力：Multisi

17、m 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。3.2 进行仿真下图为用Multisim软件画出的西勒电路振荡器电路图，对其进行仿真：图3-1西勒电路振荡器电路图图3-2仿真输出波形仿真频率：5.024MHz：图3-3仿真频率计3.3 仿真分析采用西勒振荡电路，因为西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器的相同，由于改变频率主要通过C4完成的，C4的改变并不影响接入系数p，所以波段内输出较平稳。而且C4改变，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大，可达1.61.8

18、。4. 结论4.1 设计的功能西勒振荡器：频率稳定性高，振幅稳定，频率覆盖系数较大，可达1.61.8，调频方便。4.2 设计不足仿真出来的波形有略微失真，不是很稳定。通过查找资料知道需要从以下方面入手：首先要看相位平衡条件是否满足。对振荡电路要看是否满足对应的相位平衡判断标准。此外，还要在振幅平衡条件所包含的各种因素中找原因。除此之外：(1)静态工作点选的太小。(2)电源电压过低，使振荡管放大倍数太小。(3)负载太重，振荡管与回路间耦合过紧，回路Q值太低。(4)回路特性阻抗或介入系数pce太小，使回路谐振阻抗RO太低。(5)反馈系数kf太小，不易满足振幅平衡条件。但kf并非越大越好，应适当选取

19、。所以仍然需要寻找适当方法进而完善电路。4.3 心得体会快乐的时间总是过得很快，为期一个星期左右的课程设计就这么要结束了。在本次课程设计中，我所在小组的题目是LC振荡器的设计，我们结合自己所学的高频电路知识，了解到，电感三点式振荡器调频方便，容易起振且输出波形不理想。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，振荡幅度比较稳定但可调范围小。西勒振荡器振荡幅度比较稳定，振荡频率可以较高，波段覆盖系数较大，波段范围内输出电压幅度比较平稳。综上考虑，我选择了西勒电路震荡器，并且符合课程设计题目要求频率稳定度在10-4.。课设期间，我们查阅了大量的资料也咨询了专业资深人士相关专业问题，这使得我们的课设数据更为真实可靠有效。在运用仿真软件进行仿真的时候，我学会了绘制电路图，以及如何调节示波器，使看到的波形更加清晰。通过这次课程设计，让我更加了解西勒电路，掌握计算过程，增强了自己动手能力，获益匪浅。参考文献1张义芳.高频电子线路第四版.哈尔滨工业大学出版社，2009，7.2童诗白，华成英.模拟电子技术基础第四版.高等教育出版社.3阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社.4黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析.电子工业出版社，2008，1.