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高频电子线路正弦波振荡器要点解析.ppt 73页
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第七章正弦波振荡器§7.1概述§7.2反馈型振荡器基本工作原理§7.3反馈型LC振荡器线路§7.4振荡器的频率稳定问题§7.5石英晶体振荡器§7.6其他形式的振荡器§7.7振荡器中的几种现象三、LC振荡器的设计考虑1.振荡电路选择； LC电路一般工作在几百千赫兹到几百兆赫兹； 一般中、短波选用电感、电容反馈振荡器皆可； 波段宽的电路中选用电感反馈振荡器； 频率稳定度高、波段范围较窄的场合用克拉泼、西勒振荡器。2.晶体管的选择； 从稳频角度选fT较高的的晶体管，因内部相移小；通常fT&(3-10) β值大的容易起振； 从稳频角度出发要求要晶体管额定功率不能太小。§7.7振荡器中的几种现象寄生振荡间歇振荡频率占据频率拖曳产生原因：工作频率附近输入输出电路的耦合；晶体管内部Cbc反馈产生参量寄生振荡；晶体管工作于雪崩击穿时产生负阻寄生振荡；公共电源对各级馈电产生寄生振荡；图7.9.5隧道二极管负阻振荡器举例：特点：适用于较高的工作频段（可在100MHz至10GHz波段内）。优点：噪声低，对温度变化、核辐射均不敏感，电路简单，体积小和成本低等。缺点：输出功率和电压都较低；在电路中使用起来不如反馈式振荡器方便；频率稳定和幅度稳定都不及反馈式振荡器。二、集成电路振荡器三、RC振荡器(1)由于Cce、Cbe的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。(2)调整C1C2的值可以改变反馈系数,但对谐振频率的影响很小。经过实验可知，放大倍数与频率的立方成反比，故随着放大频率的升高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。故:(3)调整值C3可以改变系统的谐振频率,对反馈系数无影响。(1)克拉泼电路的波段覆盖的范围窄。(2)工作波段内输出波形随着频率的变化大。克拉泼电路的特点:并联型改进电容三端式振荡器(西勒(Seiler)电路)(a)实际电路(b)高频等效电路其回路等效电容振荡频率其特点：(1)波段覆盖率宽。(2)工作波段内,输出波形随频率变化小。LC三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则)三端式振荡器的原理电路三端式LC振荡器是一种反馈式LC振荡器。当回路元件的电阻很小，可以忽略其影响，同时也忽略三极管的输入阻抗与输出阻抗的影响，则电路要振荡必须满足条件：xbe+xce+xcb=0电路特点简言之就是“ce，be同抗件，cb反抗件”。以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡现象。12§7.4振荡器的频率稳定问题频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。振荡器的频率稳定度则是指在一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度。绝对准确度相对准确度短期频率稳定度:一天内，频率的相对变化最大值。外界因素所引起的频率变化大都属于这一类。通常称为频率漂移。用来评测测量仪器和通讯设备中的主振器的频率稳定指标。长期频率稳定度：一天以上以至几个月。评价天文台或高精度频率标准和计时设备。瞬间频率稳定度：秒或毫秒内随即频率变化。称为振荡器的相位抖动或相位噪声。短期频率稳定度主要与温度变化、电源电压变化和电路参数不稳定性等因素有关。长期频率稳定度主要取决于有源器件和电路元件及石英晶体和老化特性，与频率的瞬间变化无关。而瞬间频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的频率起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。一、影响频率稳定度的因素1.振荡回路参数对频率的影响因为振荡频率其相对频率变化量为2.回路品质因素Q值对频率的影响如右图，Q值越高，则相同的相角变化引起频率偏移越小。3.有源器件的参数对频率的影响振荡管为有源器件，若它的工作状态(电源电压或周围温度等)有所改变，则由式如果晶体管参数?h与hi将发生变化，即引起振荡频率的改变。另外，当外界因素(如电源电压、温度、湿度等)变化时，这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。二、振荡器稳定频率的方法1.减小外因变化，根除“病因”减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；另使振荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的L、C，抵消?L、?C。减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采取单独供电。3)减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。4)减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。5)消除机械振动的影响通常可加橡皮垫圈作减振器。减小负载的影响，在振荡器和下级电路之间加缓冲器，提高回路Q值；本级输出与下一级采取松耦合；采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路之间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高回路标准性，提高频率稳定度。2.提高回路的标准性所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持其固有谐振频率不变的能力。要提高回路标准性即要减小?L和?C，因
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基于Multisim的西勒振荡器设计与仿真
[导读] 高职高专高频电子线路是电子通信类专业的技术基础课程之一，涉及到通信系统中高频单元电路的功能、结构及性能分析等理论知识，同时也具有培养学生高频电路设计实践教学能力的目的。该课程正弦波振荡器部分理论较抽象
&高职高专高频电子线路是电子通信类专业的技术基础课程之一，涉及到通信系统中高频单元电路的功能、结构及性能分析等理论知识，同时也具有培养学生高频电路设计实践教学能力的目的。该课程正弦波振荡器部分理论较抽象，借助实践环节演示不同振荡器的原理、特点、电路结构等较难实现，大部分学生接受知识效果差，设计电路费劲且不知道如何仿真分析。文中以Multisim
10为平台，设计了振荡频率为404.978 kHz，峰峰值为8.00
V的西勒振荡器电路，分析了参数调整引起的电路特性变化规律。Multisim电路仿真软件引入到理论教学中，既加深了学生对理论知识的理解，又激发了学生利用仿真平台进行电路设计的积极性，进而起到了联系理论学习和实践能力培养的纽带作用。
1 电路设计
振荡器主要由放大电路、选频电路和反馈电路组成，只有同时满足振幅和相位平衡条件，系统才有可能产生振荡。西勒振荡器原理图如图1所示。
1.1 静态工作点设计
一般原则是在满足起振条件下应选择较低的工作点，振荡电路起振后，振幅增大，振荡将在截止区进入振幅稳定状态，不致使振荡回路Q值减小，振荡波形好。一般小功率振荡器的ICO为(0.5～5)mA之间选取，本设计选ICQ为1.15
mA，VCEQ=9.7 V，&=50。经计算：
取RE=2 k&O，高频扼流圈LC以避免高频信号被旁路，且为晶体管集电极构成直流通路。一般取流过R2的电流为(5～10)IBO。
求得R2=5.1 k&O，R1=15 k&O。
1.2 振荡电路设计
振荡回路参数的选择主要根据振荡频率、起振条件和振荡波形确定。一般振荡频率在几兆赫兹以下的LC回路，C值可选几皮法，振荡频率在几十兆赫兹时，C值可选为几十皮法;为了取得振荡频率的稳定，C值应取得大些，以减小晶体管极间电容和引线寄生电容的影响。然而，C值取得过大，会使振荡回路的Q值和谐振阻抗降低，电路的负载能力和振荡振幅减小，导致波形变坏。确定了C后，由振荡频率计算公式可计算电感L的值。为方便观察参数变化引起的电路特性变化，本设计取C4max=470
pF，L=1 mH。为满足C1&&C3，C2&&C3，取C1=1 nF，C2=33 nF，C3=47 pF。
作为可变增益器件的三极管，必须由偏置电路设置合适的静态工作点，以保证起振时工作在放大区，提供足够的增益，满足振幅起振条件。从稳频的角度出发，应选择特征频率fT较高的晶体管，这样晶体管内部相移较小，通常选择fT&(3～10)fmax，同时希望电流放大系数&大些，既容易振荡，也便于减小晶体管和谐振回路之间的耦合，以保证电路的选频性能和稳频性能。晶体管选择2N9，负载端接入探针，运用Multisim
10.1设计的西勒振荡器如图2所示。
说明几点，可以改变Multisim
10.1界面下电路原理图连接线颜色(系统默认是桔红色)，方法是单击拟变色线条，点击鼠标右键，选&改变颜色&;可改变示波器、记录仪背景色(系统默认是黑色)，为方便打印，常选择示波器界面&反向&按钮，记录仪界面&Reverse
Colors&菜单;选择记录仪&Show/Hide Cursors&菜单，可查看示波器被接入通道的精确参数值。
2 Multisim 10.1仿真分析
2.1 仿真结果
Multisim 10.1界面下点击&运行&按钮，适当调整各仪表参数值即可进行仿真。图2的频率计设置参数是：测量频率，AC耦合，灵敏度1 V，触发电平0
V。示波器参数是：时间轴比例2 ms/DIV、通道A 5 V/DIV，适当调整X、Y位置。仿真稳幅时，探针上各量数值是：电压峰值7.98
V、电流峰值3.99mA、电压有效值2.82 V、电流有效值1.41 mA、频率405 kHz。频率计显示数值为404.978
kHz。仿真结果与设计基本一致。不接入R4时的仿真输出波形如图3(a)所示。对应图3(a)的通道A参数值如图3(b)所示。
要想得知图2的较高精度频率、电压峰峰值参数，可借助仿真界面上&记录仪/分析列表&、&Show/Hide
Cursors&两个菜单进行分析。图3对应的记录仪/分析列表结果如图4所示。周期T1=9.084 5n-9.0816 n=2.90X10-6
s，T2=9.086 48 m-9.084 50 m=1.98x10-6 s，T=(T1+T2)/2=2.44&10-6 s，则f=1/T=409.84
kHz，由图3(b)可知通道A的VP=3.990 3-(-4.061 5)=8.05
V。采用多次求平均值方法可使分析值更接近设计值。可见，分析值、仿真结果基本达到设计要求。
2.2 特性分析
2.2.1 频率特性
频率是靠调节C4来改变的，所以C3不能选得过大，否则振荡频率主要由C3和L决定，因而将限制频率调节的范围。这种电路之所以稳定度高，就是靠在电路中串有远小于C1、C2的C3来实现的。若增大C3，该电路就失去了频率稳定度高的优点。反之，C3选的太小的缺点是，使接入系数Pce降低，振荡幅度就比较小了。通过Multisim
10.1仿真可知，随C4接入比例逐渐增大，输出信号频率逐渐减小，但输出波形振幅保持8.00 V不变。
理论上，根据振荡频率计算式，求得&423.85
kHz。测量值和理论值之间有误差。产生误差主要原因有：游标以格为单位，因此读数时选取的幅值最大的点与实际有差别;电阻、电容本身就存在误差，而且正弦振荡器存在系统误差。
2.2.2 反馈特性
通过调整电容C2值可以观察电路的反馈特性，数据记录如表1所示。随着电容C2值逐渐增大，保证振荡幅度的稳定，输出信号振幅逐渐减小，起振直至进入平衡状态所需的
时间加长。因为C3是固定电容，所以谐振回路反映到晶体管输出端的等效负载变化缓慢;C1不变，随C2值增大，故反馈系数减小。
C2=10 nF、40 nF时的仿真输出波形如图5(a)、(b)所示。
2.2.3 负载特性
调整可变电阻R4的接入比例，能够改变振荡器的负载大小，记录表2所示数据。R4的接入比例越大，输出信号峰峰值越大，频率基本保持不变。当R4接入电路超过50%后，振荡频率相对不稳定，输出正弦波波形平滑度降低，呈现较多毛刺，波形失真。当输出正弦波形失真时，还应在Multisim下进行交流分析和噪声分析。
&交流分析&用来计算线性电路的频率响应。在交流分析中，首先通过直流工作点分析计算所有非线性元件的线性、小信号模型，然后建立一个包含实际和理想元件的复矩阵。所有的输入源信号都将用设定频率的正弦信号代替。在进行交流分析时，电路信号源的属性设置中必须设置交流分析的幅值和相角，否则电路将会提示出错。&噪声分析&指噪声对电路的影响。噪声是减小信号质量的电的或电磁的能量。通过建立一个电路的噪声模型，再进行类似于交流分析的仿真分析。Multisim可建立热噪声、闪粒噪声、闪烁噪声3种噪声模型。在进行仿真分析前，先观察电路选择输入噪声参考源、输出节点和参考点。
2.2.4 频率稳定度
图1电路的振荡频率为f1=404.978 kHz，为了分析西勒振荡器的频率稳定度的高低，在该电路的电容C2两端并联一个10
nF的电容，观察此时振荡器振荡频率的变化情况，如图6所示，测得此时该电路振荡频率为f11=405.067 kHz，该振荡电路的频率相对变化量，该参数为判断西勒振荡器的频率稳定度的有效数据。
使用Multisim 10.1软件，达到了设计振荡频率为404.978 kHz、峰峰值为8.00
V的西勒振荡器电路的基本要求，通过调整相关参数，直观分析了频率特性、反馈特性、负载特性变化规律，电路的频率稳定度较好。借助仿真软件的整个教学过程，形式生动，学生兴趣浓，积极性高，理解力增强，易于接受。Multisim应用于高频电子线路教学有极大的灵活性和优越性。运用Multisim软件设计电路，省时省力省钱，极大地提高了电路设计的效率和质量。由于西勒电路频率稳定性好，振荡频率可以较高，做可变频率振荡器时其频率覆盖范围宽，波段范围内幅度比较平稳，因此在短波、超短波通信机、电视接收机等高频设备中得到非常广泛的应用。
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晶体振荡器
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3. 7 RC正弦波振荡器
3. 8 非正弦波发生电路
3. 8. 1 矩形波发生电路
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