高频三级项目——基于Multisim的正弦振荡器仿真.docx

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1、项目名称：正弦波振荡器的仿真设计小组成员及分工：张器（电路仿真图设计及PPT设计及论文撰写A）、翟小宝（查阅资料及论文撰写B）、陈春（查阅资料及论文撰写B）指导教师：田野日期:2016年目录摘要3前言4正文4一、正弦振荡器的原理及设计411振荡条件4二、互感耦合振荡器仿真设计52.1 互感耦合振荡器的原理52.2 振荡条件62.3 仿真电路图的设计62.4 互感系数对振荡频率的影响8三、电容三端式振荡器仿真设计93.1 电路原理图93.2 振荡条件分析93.3 仿真设计103.4 起振过程分析133.5 探究偏置电路工作点设置对振荡频率的影响13四、电感三端式振荡器144.1 电路原理图14五

2、、改进型电容三端式振荡器155.1 克拉泼振荡器165.2 西勒振荡器19六、并联型石英晶体振荡器216.1 电路原理图226.2 振荡分析226.3 仿真设计236.4 石英晶体的串联和并联谐振频率25七、串联型石英晶体振荡器267.1 基本原理图267.2 仿真设计27八、总结298.1 电路振荡频率稳定度的对比298.2 提高频率稳定度的措施298.4 各振荡电路的应用情况29九、优缺点及问题30十、参考文献30摘要本文利用MU1itiSim仿真软件对互感耦合调集正弦振荡器、电容三端反馈式正弦振荡器、克拉泼振荡电路、西勒振荡电路、电感三端反馈式振荡器、并联石英晶体振荡器、串联石英晶体振荡

3、器依次进行了电路设计及仿真，仿真结果表明各正弦振荡器均可实现其功能，产生高频正弦信号。第一部分对互感耦合振荡器的三种类型进行了介绍,选取最为常见的互感耦合调集电路进行设计，通过选取合适的偏置电路以及利用电位器对晶体管工作点的调整，选取合适的互感系数，从而得到了互感耦合振荡器的波形。然后利用理论值与实测值进行比较计算了相对准确度。第二部分对电容反馈式振荡器进行了设计，对其工作点的设置进行了详细的说明，对偏置电路的各电阻值进行了数值的计算，以确定合适的工作点。利用MU1itiSim仿真该电路，分析了起振过程，振荡波形及振荡频率。对振荡电路的一个性能指标相对准确度，同样进行了数值分析。同时，通过改变

4、静态工作点，探究了工作点的设置对振荡情况的影响。最后对改进式电容反馈式振荡器（克拉泼振荡器和西勒振荡器）进行了设计和分析。第三部分对电感反馈式振荡器进行了设计，利用Mu1itisim仿真该电路，分析了振荡波形、振荡频率和相对准确度。第四部分对石英晶体振荡器进行了分析，先介绍了并联石英晶体振荡器，理论分析了其振荡频率的数值计算公式。然后通过MUIitiSim仿真得到实际的振荡频率，由石英晶体的参数可得到其并联振荡频率，或者通过搭建测试电路，用波特计测量其幅频特性曲线，从而得到并联和串联振荡频率。利用该两种方法得到理论频率，分别计算了并联振荡电路的相对准确度。最后对串联石英晶体振荡器进行了仿真分析

5、，同样分析了振荡波形、振荡频率和相对准确度。关键词：正弦波振荡器、MUItiSim仿真、互感耦合振荡器、电容三端式振荡器、电感三端式振荡器、并联型石英晶体振荡器、串联型石英晶体振荡器，.A刖百1C振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。研究主要是利用Mu1itisim仿真软件对互感耦合调集正弦振荡器、电容三端反馈式正弦振荡器、克拉泼振荡电路、西勒振荡电路、电感三端反馈式振荡器、并联石英晶体振荡器、串联石英晶体振荡器依次进行了电路设计及仿真,预期结果为能通过各正弦振荡器均可实现其功能，产生高频正弦信号。该三级项目由张盟、翟小宝、陈春三位同学完成

6、，张塞负责电路图的仿真设计、PPT制作及论文撰写；翟小宝负责查找资料、论文撰写；陈春负责查找资料和论文撰写。正文-S正弦振荡器的原理及设计1C振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。1.1 振荡条件1.2 正弦振荡器的设计过程振荡器的设计通常是进行一系列设计考虑和近似估算，选择合理的线路和工作点，确定元件的数值，而工作状态和元件的准确数字需要在调整、调试中最后确定。1.设M-偏置电路确定1确定用，E,E,42 .设计谐振IgI版选定合适的尸确定,乙，的值3 .选走二体管Q一4 .确定其他电阻电容的大小（如耦合电容）二、互感耦合振荡器仿真设计2

7、.1 互感耦合振荡器的原理互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦合量M,使之满足振幅起振条件很重要。互感耦合振荡器有三种形式：调基电路、调集电路和调发电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射极电路来区分的。2.1.1 互感耦合调基振荡器调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较平衡.由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q值，故在调基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。Rb22.1.2 互感耦合调集振荡器调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成分较小。2.1.32.

8、1.4 互感耦合调发振荡器由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q值，故在调基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。2.22.3 振荡条件互感耦合振荡器在调整反馈（改变M）时，基本上不影响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段。根据h参数等效电路分析可知互感耦合振荡器的振荡频率2.42.5 仿真电路图的设计由于上述三种互感耦合振荡器原理基本相同，故只选择较为常用的互感耦合调集振荡器进行Mu1tisim仿真设计。2.5.1 电路参数选择根据振荡电路工作点设置的原则，选择12V电

9、源为整个电路图供电，选择虚拟NPN-BJT三极管作为晶体管，基极电阻RI=27kohm,R2=6.8kohm,射极电阻R3=：1kohm,旁路电容C2=120pf1去耦电容C3=100pf,振荡回路电容CI=IOOPF,互感线圈选择1:4的变压器。2.3.2仿真电路图T112.0V123q2.3.3 Mu1tisim仿真结果波形仿真结果Osci11oicope-XSCIChanndASo1e:5V/DivTr1QQerEdge:回-eve1:oTimebaVTAddB/AA/BChanndBSing1eNorma1AutoAC0(2)振荡频率Frequencyconter-XFC18115MH

10、zMeasurementSensitivity(RMS)Trigger1eve1口S1owchangesigna1由上图可知，电路稳定振荡时，振荡频率:8.115MHz。2.3.4 振荡电路指标计算(1)将k=05代入耦合系数的计算公式可得两线圈的互感系数M=2.26uH(2)将11=33uH,12=6.2uH,C=IOOPF代入C(Z1+Z2+2)可得理论振荡频率f=8.5MHz(3)实际测量的振荡频率为8.115MHz,相对准确度为0.045。855一8.5=0,0458.52.4互感系数对振荡频率的影响耦合系数0.10.30.50.60.7振荡频率8.3478.2828.1158.084

11、8.03结论：由表中数据可得，耦合系数越大，互感系数M越大，稳定时振荡频率越小。由公式可知振荡频率与M成反比，所以实验结论与理论相符合。三、电容三端式振荡器仿真设计3.1 电路原理图3.23.3 振荡条件分析电路的高频小信号等效电路如图4-9(C)所示。其中做了如下简化：A、忽略了晶体管内部反馈的影响，即Yre二OBs忽略了晶体管的输入输出电容的影响C、忽略了晶体管集电极电流对输入信号的的相移，将Yfe用跨导gm表示。由4-9可得Uh=.1J+8ieUh+j1t=+_、goe+Jci+8联立求解I的表达式，令其虚部为零可得振荡频率：其中：C为回路的总电容C=C1GG+02由图4-8(C)可知，

12、当不考虑奂的影响时，反馈系数用3)的大小为1Cx3.3仿真设计3.3.1 元件参数的选择(1)确定Re的值取1=12K,Zco=4哂%=0.5Q则此=1.5ICo4加为了方便调节晶体管的工作点，将Re取为2000欧姆的可变电阻器；(2)确定Rb1Rb2的值一般取此2=2(104，这里取向。=3心由%1=%；%为2计算，可取为1=15,Rb2=4.7VCQ(3)确定RC的值由.=y%=丝=1.5公为了方便调节晶体管的工作点，将RC取为由一个680欧姆的固定电阻和一个500欧姆的可变电阻器组成；(4)确定晶体的型号为了提高仿真速度，选择虚拟三极管BJT-NPN作为晶体管。(5)振荡回路参数选择查阅

13、资料，可得反馈系数F=(H0.5较为合适，所以取F=130由经验公式,Cx=5=5(其中，C为光速，f为振荡频率，假设所设计的电路振荡频率为IOKHZ)通过计算，可取CI=1。夕产，=300p7由振荡频率的计算公式，可求得1=3.3uF3.3.2仿真原理图R53.3.3仿真结果(1)振荡波形可得频率的理论值为10.11MHZo利用频率相对准确度的公式,I(1II-9538IOo%=4.1%10.11可得该电容反馈式振荡电路的频率相对准确度为4.1%o3.4 起振过程分析Iro)6go1uueqo3.5 探究偏置电路工作点设置对振荡频率的影响通过调节电位器Re值，利用探针记录节点C的电流值，并观察对应波形振荡的情况。1co(mA)12.98.186.615.494.35波形振荡情况不起振起振，但波形不稳定起振，但波形不稳定起振，但波形不稳定产生稳定的正弦波振荡频率9.538MHz1co(mA)4.284.214.193.533.46波形振荡情况产生稳定的正弦波产生稳定的正弦波产生稳定的正弦波起振,但波形不稳定起振，但波形不稳定振荡频率9.538MHz9.538MHz9.538MHz由上表可得结论偏置电路工作点的设置影响谐振回路是否能起振以及振荡是否能稳定,但并不影响振荡频率。四、电感三端式振荡器4.1电