正弦波振蕩器報告

正弦波振蕩器的仿真設(shè)計教務(wù)處2015年12月摘要振蕩器就是在沒有外加輸入信號的條件下，能自動將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為具有一定頻率、一定波形和一定振幅的周期性交變振蕩信號的電子線路。在通信技術(shù)領(lǐng)域振蕩器的應(yīng)用十分廣泛，它是無線電發(fā)送設(shè)備的心臟部分，也是超外差式接收機的主要部分。振蕩器的主要技術(shù)指標(biāo)有振蕩頻率、頻率穩(wěn)定度、振蕩幅度、振蕩波形等。按工作原理振蕩器可分為反饋式振蕩器和負(fù)阻式振蕩器。本次實驗利用Multisim軟件進行了互感耦合振蕩器、電感三端式、電容三端式、并聯(lián)型及串聯(lián)型石英晶體振蕩器的仿真設(shè)計，加深了對軟件的了解并加深了對基本知識的了解。關(guān)鍵字：振蕩器石英晶體正弦波1.正弦波振蕩器的基本原理1.1振蕩電路的基本條件（1）一套振蕩回路，至少包含兩個儲能元件。在這兩個元件中，當(dāng)一個釋放能量時，另一個就接受能量。（2）一個能量來源，可以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，這個能量來源是直流電源Vcc。（3）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。如有源器件（電子管、晶體管或集成塊等）和正反饋電路。1.2自激振蕩的建立和振蕩條件假設(shè)基極電路在S處斷開。當(dāng)輸入信號為Vi時，輸出電壓為Vo（=-Vc），在經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)輸出的反饋電壓為Vf。如果Vf的振幅和相位原來信號Vi完全相同，那么如果接通S，撤去外加信號Vi。而以Vf代替它，放大器將繼續(xù)維持工作。由于此時已經(jīng)沒有外加信號，所以它變成了振蕩器。1.3自激振蕩的平衡問題：振蕩器如何由起振過渡到平衡的呢？因起振條件為AF>1，振蕩建立后隨著振幅的增加振蕩器的工作狀態(tài)由甲類向乙類再向丙類過渡，使A的值減小某一時刻AF=1達到平衡。（1）反饋必須是正反饋反饋到輸入端的反饋電壓必須與輸入電壓同相，即滿足相位平衡條件（2）反饋信號必須足夠大一般情況下，放大器的放大倍數(shù)A>1，反饋電路的反饋系數(shù)F<1。因此需要反饋信號有足夠大的增益補足反饋系數(shù)的衰減，即滿足振幅平衡條件AF=1。1.4振蕩器的穩(wěn)定平衡狀態(tài)只是建立振蕩的必要條件，但還不是充分條件。已經(jīng)建立的振蕩能否維持，還需要看平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。所謂振蕩器的穩(wěn)定平衡，是指在外因的作用下，振蕩器在平衡點附近可重新建立新的平衡狀態(tài)，一旦外因消失，它即能自動恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定條件分為振幅穩(wěn)定和相位穩(wěn)定。（1）振幅穩(wěn)定條件:AF=1（2）相位穩(wěn)定條件:3.反饋型LC振蕩器3.1互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器有三種形式：調(diào)集電路、調(diào)基電路、調(diào)射電路。調(diào)集電路在高頻輸出方面比其他兩種電路穩(wěn)定，而且幅度較大，諧波成分較小。調(diào)基電路振蕩頻率在較寬的范圍內(nèi)改變時，振幅比較平穩(wěn)。互感耦合振蕩器在調(diào)整反饋時，基本不影響振蕩頻率。在仿真設(shè)計過程中我們設(shè)計了調(diào)集電路。其仿真電路圖為：輸出波形為：我們反復(fù)調(diào)試，并不能輸出一個正確的正弦波電感三端式電容三端式電路圖反饋系數(shù)F=L2/L1F=C1/C2諧振頻率波形失真大小3.2電感三點式振蕩器下圖分別為電感三點式的原理電路和交流等效電路。L1，L2和C3組成振蕩回路，反饋信號從L2兩端取得送回放大器輸入端。諧振頻率為：反饋系數(shù)：仿真結(jié)果為：測得的輸出頻率為：6.935KHZ嘗試通過改變C3得到不同的頻率，例如令C3=300pF，計算得到但實際上其諧振頻率為：110.555kHz這與我們計算的理論結(jié)果有較大的偏差，且其輸出波形也出現(xiàn)失真，可見，雖然改變C可以改變振蕩頻率，但還是有一定范圍要求的。電感三端式的優(yōu)點：由于L1與L2之間有互感存在，所以容易起振；改變回路電容來調(diào)整頻路時，基本不影響電路的反饋系數(shù)。電感三端式的缺點：與電容三端式相比，振蕩波形不夠好；當(dāng)工作頻率較高時，由于L1和L2上的分布電容和晶體管的極間電容均并聯(lián)與L1與L2兩端使反饋系數(shù)隨頻率變化而變化。3.3電容三點式振蕩器上圖分別為電容三點式的電路圖和等效電路。L1，C2，C4，C6組成振蕩回路，反饋信號從C4兩端取得，送回放大器的輸入端，高頻扼流圈的作用是為了避免高頻信號被旁路，并為晶體管集電極構(gòu)成直流通路。仿真結(jié)果為：測得的輸出頻率為：2.31KHZ電容三點式的優(yōu)點：（1）輸出波形好，因為集電極和基極的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，輸出的諧波分量減小，波形更接近正弦波；（2）頻率穩(wěn)定度高，因不穩(wěn)定電容與該電路電容并聯(lián)電容三點式的缺點：調(diào)節(jié)C1和C2調(diào)頻率時反饋系數(shù)會改變。4.石英晶體振蕩器由晶體的電抗特性曲線得到的結(jié)論：1）當(dāng)f<fs或f>fp時，晶體諧振器呈容性；2）當(dāng)fs<f<fp時，晶體諧振器等效為電感；3）f=fs時是串聯(lián)諧振點，等效阻抗最小；f=fp時是并聯(lián)諧振點，等效阻抗最大。因此，石英晶體振蕩電路可分為兩種：1）并聯(lián)諧振型晶體振蕩器（石英晶體等效為電感元件）2）串聯(lián)諧振型晶體振蕩器（晶體工作在串聯(lián)諧振頻率上）4.1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器這類晶體振蕩器的振蕩原理和一般反饋式LC振蕩器相同，只是把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為一個感性原件，并與其它回路原件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成三端振蕩器。理論上可以分為c-b型、b-e型和c-e型，但常用的只有前兩種，其中c-b型相當(dāng)于電容三端式振蕩器，b-e型相當(dāng)于電感三端式振蕩器。其電路組成如下圖所示c-b型電路b-e型電路c-b型和b-e型電路比較c-b型b-e型輸出信號幅值小大頻率穩(wěn)定度好較差對石英晶體標(biāo)準(zhǔn)性的影響較小較大因此，在頻率穩(wěn)定度要求較高的電路中，幾乎都采用b-c型電路，這里我們設(shè)計了b-c型電路。繪制的仿真電路圖及其等效電路：其仿真輸出波形為：測得的諧振頻率為：5.971MHZ當(dāng)我們改變C4時，令C4=300pF，其輸出波形為：測得的頻率為：5.967MHZ，可見，并聯(lián)型石英晶體振蕩器的諧振頻率主要由石英晶體決定。4.2串聯(lián)型石英晶體振蕩器串聯(lián)型石英晶體振蕩器與電容三端式振蕩電路十分相似，只是反饋信號要經(jīng)過石英晶體后，才能送到發(fā)射極與基極之間。繪制的仿真電路圖及其等效電路：其仿真輸出波形為：測得的諧振頻率為：4.728MHZ當(dāng)我們把石英晶體變?yōu)?MHZ時，其輸出波形如下：可見，已經(jīng)不能輸出正確的正弦波，該參數(shù)只適用于5MHZ的晶振。當(dāng)我們把電路中的L1、C1、C2改變?yōu)槠渌麉?shù)時，仍輸出一個類似于上圖的鋸齒波信號，可見，對應(yīng)一個固定的晶振，有一組固定的參數(shù)才可輸出正確的正弦波。心得體會此次拿到設(shè)計題目之后本來想像比較簡單，沒有什么太大的難度，大概的構(gòu)思了一下設(shè)計方法，可是理論應(yīng)用于實踐的過程卻并非這么簡單。在仿真過程中，出現(xiàn)了不能振蕩、波形失真、頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象，查閱了好多資料，通過計算諧振頻率的公式以及根據(jù)平衡條件穩(wěn)定條件大概估計各個元件的參