(完整版)高頻電子線路課程設(shè)計

1、課程設(shè)計高頻電子線路課程設(shè)計報告電信12-1班班級名學號指導教師成績電子與信息工程學院信息與通信工程系目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 摘要1 HYPERLINK l bookmark8 引言2 HYPERLINK l bookmark28 概述3 HYPERLINK l bookmark30 LC振蕩器的基本工作原理3 HYPERLINK l bookmark36 起振條件與平衡條件4起振條件4平衡條件4穩(wěn)定條件4 HYPERLINK l bookmark44 硬件設(shè)計5 HYPERLINK l bookmark46 電感反饋三點式振蕩器5 HYPE

2、RLINK l bookmark48 電容反饋三點式振蕩器6 HYPERLINK l bookmark50 改進型反饋振蕩電路7 HYPERLINK l bookmark55 西勒電路說明8 HYPERLINK l bookmark59 西勒電路靜態(tài)工作點設(shè)置9 HYPERLINK l bookmark75 西勒電路參數(shù)設(shè)定10 HYPERLINK l bookmark96 軟件仿真11 HYPERLINK l bookmark98 軟件簡介11 HYPERLINK l bookmark102 進行仿真12 HYPERLINK l bookmark106 仿真分析13 HYPERLINK l

3、bookmark108 結(jié)論13 HYPERLINK l bookmark110 設(shè)計的功能13 HYPERLINK l bookmark112 設(shè)計不足13 HYPERLINK l bookmark114 心得體會14 HYPERLINK l bookmark116 參考文獻14高頻電子線路課程設(shè)計徐雷：LC振蕩器設(shè)計 摘要振蕩器是一種不需要外加激勵、電路本身能自動地將直流能量轉(zhuǎn)換為具有某種波形的交流能量的裝置。種類很多，使用范圍也不相同，但是它們的基本原理都是相同的，即滿足起振、平衡和穩(wěn)定條件。通過對電感三點式振蕩器(哈脫萊振蕩器)、電容三點式振蕩器(考畢茲振蕩器)以及改進型電容反饋式振蕩

4、器(克拉波電路和西勒電路)的分析，根據(jù)課設(shè)要求頻率穩(wěn)定度為10-4,西勒電路具有頻率穩(wěn)定性高，振幅穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)方便，適合做波段振蕩器等優(yōu)點,因此選擇西勒電路進行設(shè)計。繼而通過Multisim設(shè)計電路與仿真。關(guān)鍵詞：振蕩器；西勒電路；MultisimAbstractTheoscillatorisakindofdontneedtomotivate,circuititselfautomaticallydeviceforDCenergyintoawaveformACenergyapplied.Manydifferenttypesofoscillators,usingrangeisnotthesame

5、,butthebasicprinciplesarethesame,tomeetthevibration,theequilibriumandstabilityconditions.Basedontheinductanceofthethreepointtypeoscillator(Hartley),threepointcapacitanceoscillator(Colpitts)andimprovedcapacitorfeedbackoscillator(ClappandSeiler)analysis,accordingtoclassrequirements,Seilercircuitwithhi

6、ghfrequencystability,amplitudestabilityfrequencyregulation,convenient,suitableforthebandoscillatoretc.,sothefinalchoiceofSeilercircuitdesign.ThenthroughtheMultisimcircuitdesignandsimulation.KeyWords：Oscillator;Seiler;Multisim引言在信息飛速發(fā)展的時代，對信息的獲取、傳輸與處理的方法越來越受到人們的重視。如何高效快捷且沒有失真?zhèn)鬟f信息成為關(guān)注的熱點。通過對高頻電子線路課程的學

7、習，了解到高頻信號發(fā)生器主要用來向各種電子設(shè)備和電路提供高頻能量或者高頻標準信號，以便測試各種電子設(shè)備和電路的電氣特性。一般采用LC調(diào)諧式振蕩器，頻率可由調(diào)諧電容器的度盤刻度讀出。高頻信號發(fā)生器主要是產(chǎn)生高頻正弦振蕩波，故電路主要是由高頻振蕩電路構(gòu)成。振蕩器的功能是產(chǎn)生標準的信號源，廣泛應用于各類電子設(shè)備中。為此，振蕩器是電子技術(shù)領(lǐng)域中最基本的電子線路。振蕩器主要分為晶體振蕩器和LC振蕩器，本次課設(shè)采用LC振蕩器。LC振蕩器中的基本電路就是通常所說的三點式振蕩器，即LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接而成的電路。其中三點式又分為兩種基本電路。根據(jù)反饋網(wǎng)絡由電容還是電感完成的分為電容反饋

8、振蕩器和電感反饋振蕩器。同時為了提高振蕩器的穩(wěn)定度，通過對電容三點式振蕩器的改進可以得到克拉潑振蕩器和西勒振蕩器兩種改進型的電容反饋振蕩器。其中互感反饋易于起振，但穩(wěn)定性差，適用于低頻，而電容反饋三點式振蕩器穩(wěn)定性好，輸出波形理想，振蕩頻率可以做得較高。通過對各電路的比較，以及根據(jù)課設(shè)要求工作頻率5MHz，頻率穩(wěn)定度10-4，電源電壓15V，波形質(zhì)量較好，有適當?shù)妮敵龉β?。等綜合考慮，最終選擇西勒振蕩器，并完成相關(guān)的技術(shù)指標。概述1.1LC振蕩器的基本工作原理振蕩器是不需外信號激勵、自身將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的裝置。LC振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，由晶體管等有源器件和具有選頻作用的無源網(wǎng)絡及反饋

9、網(wǎng)絡組成。振蕩器根據(jù)自身輸出的波形可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器，正弦波振蕩器在廣播通訊、自動控制、儀器儀表、高頻加熱、超聲探傷等領(lǐng)域有著廣泛的應用；而非正弦振蕩器能產(chǎn)生出矩形波(方波)、三角波、鋸齒波等信號，這些信號可以用于測量設(shè)備、數(shù)字系統(tǒng)、自動控制及計算機設(shè)備中。本設(shè)計討論的就是正弦波振蕩器。其框圖如圖1-1所示。圖1-1振蕩器原理框圖放大器的增益:A=V0/Vi(1-1)反饋系數(shù):F=Vf/V0(1-2)由所學知識可知，構(gòu)成一個振蕩器必須具備下列三個條件：一套振蕩回路，包含兩個(或兩個以上)儲能元件。在這兩個元件中，當一個釋放能量時，另一個就接收能量。釋放與接收能量可以往返進行，其

10、頻率決定于元件的數(shù)值。一個能量來源，補充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的能量損失。在晶體管振蕩器中，這個能源就是直流電源。一個控制設(shè)備，可以使電源功率在正確的時刻補充電路的能量損失，以維持等幅振蕩。這是由有源器件和正反饋電路完成的。1.2起振條件與平衡條件1.2.1起振條件振蕩電路在剛接通電源時候，晶體管中電流從零躍變到某一數(shù)值，同時，電路中還有噪聲，它們具有很寬的頻譜。由于放大器負載回路的選頻作用，其中只有某個頻率分量才能通過反饋網(wǎng)絡加到放大器的輸入端，這就是振蕩器最初激勵信號。為了使振蕩器在接通直流電源后能夠自動起振，則要求反饋電壓在相位上與放大器輸入電壓同相，在幅度上則要求VfVi，起振的充分必要

11、條件?？梢詫懗桑篎A1(1-3)屮A+屮F=2nnn=0,l,2,3,.(1-4)(1-3)是振幅起振條件，(1-4)是相位起振條件。兩者必須同時滿足才能起振1.2.2平衡條件當反饋信號等于放大器的輸入信號時，振蕩電路的輸出電壓不再發(fā)生變化，電路達到平衡狀態(tài)。振蕩的平衡條件包括振幅平衡條件(1-5)和相位平衡條件(1-6)，分別為：AF=1(1-5)屮A+屮F=2nnn=0,l,2,3,.(1-6)1.2.3穩(wěn)定條件當振蕩器受到外部因素的擾動(如電源電壓波動、溫度變化、噪聲干擾等)，將引起放大器和回路的參數(shù)發(fā)生變化破壞原來的平衡狀態(tài)。如果通過放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩器越來越偏離原來的平衡狀態(tài)

12、，從而導致振蕩器停振或突變到新的平衡狀態(tài)，則表明原來的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的。反之，如果通過放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩器能夠產(chǎn)生回到原平衡點的趨勢，并且在原平衡點附近建立新的平衡狀態(tài)，則表明原平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。振蕩器的穩(wěn)定條件相應地可分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。振幅穩(wěn)定條件要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點必須具有阻止振幅變化的能力。具體來說，就是在平衡點附近，當不穩(wěn)定因素使振幅增大時，環(huán)路增益將減小，從而使振幅減小。相位穩(wěn)定條件同理，要使相位穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點必須具有阻止相位變化的能力。即有振蕩器的相位穩(wěn)定條件。(1-7)硬件設(shè)計2.1電感反饋三點式振蕩器電感三點式振蕩器(哈特萊振蕩器)，其

13、原理電路如圖所示圖2-1電感三點式震蕩器電路振蕩頻率：f112nVLC2叭C(L+L+2M)(2-1)12電感反饋振蕩電路的優(yōu)點是：由于L和L之間有互感存在，所以容易起振。其次是12改變回路電容來調(diào)整頻率時，基本上不影響電路的反饋系數(shù)，比較方便。這種電路的主要缺點是：與電容反饋振蕩電路相比，其振蕩波形不夠好。這是因為反饋支路為感性支路，對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，故對于LC回路中的高次諧波反饋較強，波形失真較大。其次是當工作頻率較高時，由于L和L上的分布電容和晶體管的極間電容均并聯(lián)于L與L兩端，1212這樣，反饋系數(shù)F隨頻率變化而變化。工作頻率愈高，分布參數(shù)的影響也愈嚴重，甚至可能使F減小到滿足不了

14、起振條件。因此，這種電路盡管它的工作頻率也能達到甚高頻波段，但是在甚高頻波段里，優(yōu)先選擇的還是電容反饋振蕩器。2.2電容反饋三點式振蕩器電容三點式振蕩器（考畢茲振蕩器），其原理電路如圖:工圖2-2電容三點式震蕩器電路振蕩頻率的近似為11f沁沁2ZC2-電（2-2）C+C12與電感三端振蕩電路相比，電容三端振蕩器的優(yōu)點是輸出波形較好，這是因為集電極和基極電流可通過對諧波為低阻抗的電容支路回到發(fā)射極，所以高次諧波的反饋減弱，輸出的諧波分量減少，波形更加接近于正弦波。其次，該電路中的不穩(wěn)定電容（分布電容、器件的結(jié)電容等）都是與該電路并聯(lián)的，因此適當?shù)募哟蠡芈冯娙萘?，就可以減弱不穩(wěn)定因素對振蕩器的影響

15、，從而提高了頻率穩(wěn)定度。最后，當工作頻率較高時，甚至可以只利用器件的輸入和輸出電容作為回路電容。因而本電路適用于較高的工作頻率。這種電路的缺點是：調(diào)C或C來改變振蕩頻率時，反饋系數(shù)也將改變。但只要在L12兩端并上一個可變電容器，并令C與C為固定電容，則在調(diào)整頻率時，基本上不會影響12反饋系數(shù)。2.3改進型反饋振蕩電路克拉波電路振蕩器克拉潑電路時一種高穩(wěn)定度的LC振蕩電路，電路圖如下疋（甜原理電路交溢等效電圖2-3克拉波電路它的特點是在前述的電容三點式振蕩諧振回路電感支路中增加了一個電容C3,其取值比較小，要求C3C1，C31該電路相位起振條件：代+F二2n兀(2-8)振幅平衡條件：AF=1(2

16、-9)相位平衡條件：代+F二2n兀(2-10)西勒電路靜態(tài)工作點設(shè)置合理地選擇振蕩器的靜態(tài)工作點，對振蕩器的起振，工作的穩(wěn)定性，波形質(zhì)量的好壞有著密切的關(guān)系。般小功率振蕩器的靜態(tài)工作點應選在遠離飽和區(qū)而靠近截止區(qū)的地方。根據(jù)上述原則，路中：一般小功率振蕩器集電極電流ICQ大約在0.8-4mA之間選取，故本實驗電選ICQ=2.4mA，VCEq=7.5V,卩=100，則有:U-U15一75R+Rccceq3.75KQ(2-11)ecI2.4cQ為提高電路的穩(wěn)定性Re值適當增大，取Re=lKQ則Rc=2.75KQ因為：Ueq=【cqRe(2-12)則：%q因為：IBQ=ICQ/P(2-13)則：IB

17、Q=2.4mA/100=0.024mABQ一般取流過Rb2的電流為5-10匕若取10IBq因為：V3.1VR亠VV+0.7RV12.9K0(2-14)b2IBQEQb20.24BQ因為：V-VR=-ccbqRb1Vb2BQ(2-15)則：Rb115V-3.1V31V12.9KG二49.52KG西勒電路參數(shù)設(shè)定回路中的各種電抗元件都可歸結(jié)為總電容C和總電感L兩部分。確定這些元件參量的方法，是根據(jù)經(jīng)驗先選定一種，而后按振蕩器工作頻率再計算出另一種電抗元件量。從原理來講，先選定哪種元件都一樣，但從提高回路標準性的觀點出發(fā)，以保證回路電容Cp遠大于總的不穩(wěn)定電容Cd原則，先選定Cp為宜。若從頻率穩(wěn)定性

18、角度出發(fā)，回路電容應取大一些，這有利于減小并聯(lián)在回路上的晶體管的極間電容等變化的影響。但C不能過大，C過大，L就小，Q值就會降低，使振蕩幅度減小，為了解決頻穩(wěn)與幅度的矛盾，通常采用部分接入。反饋系數(shù)F=C1/C2，不能過大或過小，適宜1/81/2。等效電容：(2-16)(2-17)C=C+1QC+C2411134+C1所以振蕩頻率：10加、2,L(C+C)234根據(jù)課設(shè)要求，工作頻率5MHz，所以:q干干=5.0MHz0叫L(C3+C4)叫LX10-6X(C3+C4)x10-12先設(shè)定L的值：L=12uH，可以求出:(C+C)Q84.43pF34所以取C3=40pF,C4=44.43pF。反饋

19、系數(shù)F=C1/C2，不能過大或過小，適宜1/81/2。且遵循C1、C2C3、C4的條件，因此C1=200pF,C2=600pF。F=200/600=0.33。為了盡可能地減小負載對振蕩電路的影響，振蕩信號應盡可能從電路的低阻抗端輸出。軟件仿真3.1軟件簡介Multisim是一個專門用于電子線路設(shè)計與仿真的EDA工具軟件，它是加拿大IIT公司(InteractiveImageTechnologiseLtd.)推出的繼EWB之后的版本。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NIMultisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電

20、路進行設(shè)計和驗證。學生可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。Multisim軟件特點:直觀的圖形界面：整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。豐富的元器件庫：Multisim大大擴充了EWB的元器件庫，包括基本元件、半導體器件、運算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種部件，且用戶可通過元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，

21、還可通過IIT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴充和更新服務。豐富的測試儀器：除EWB具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀外，Multisim新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡分析儀。尤其與EWB不同的是：所有儀器均可多臺同時調(diào)用。完備的分析手段：除了EWB提供的直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點一零點分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外，Multisim新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基本上能滿足一般

22、電子電路的分析設(shè)計要求。強大的仿真能力：Multisim既可對模擬電路或數(shù)字電路分別進行仿真，也可進行數(shù)模混合仿真，尤其是新增了射頻(RF)電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，仿真結(jié)果可隨時儲存和打印。3.2進行仿真下圖為用Multisim軟件畫出的西勒電路振蕩器電路圖，對其進行仿真:UCHVCC:Rb1LRh?:亍2址仃VIRTUALijWpFOS-M&pF圖3-1西勒電路振蕩器電路圖轡示波H-xsci時間軸比惻|2fl0nsAv斜靖|o一通道A通道B觸發(fā).邊沿k毛l|V0卜如部1比例|50V/Div比例|5V/DivY位蚩|0位蠱|0電平叼F加載B/A|A/B0|DC|柑.0|dc|-|廠類型正弦i標準自動無圖3-2仿真輸出波形仿真頻率：5.024MHz：圖3-3仿真頻率計3.3仿真分析采用西勒振蕩電路，因為西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器的相同，由于改變頻率主要通過C4完成的，C4的改變并不影響接入系數(shù)p,所以波段內(nèi)輸出較平穩(wěn)。而且C4改變，頻率變化較明顯，故西勒振蕩器的頻率覆蓋系數(shù)較大，可達1.61.8。結(jié)論4.1設(shè)計的功能西勒振蕩器：頻率穩(wěn)定性高，振幅穩(wěn)定，頻率覆蓋系數(shù)較大，可達1.61.8，調(diào)頻方便。4.2設(shè)計不足仿真出來的波形有略微失真，