电容三端式振荡器(克拉波概述

电容三端式振荡器(克拉波概述 武汉理工大学《高频电子线路实训》 课程任务书 学生姓名: --------- 专业班级:电子科学与技术1101班 指导教师: 吴绿 工作单位: 信息工程学院 题 目: 电容三端式振荡器(克拉波) 初始条件: 电容三端式振荡器原理，Multisim软件 要求完成的主要任务: ,1,设计任务 根据电容三端式振荡器工作的原理，设计电路图，并在multisim软件仿真出波形结果。 ,2,设计要求 ?正常工作状态时的波形图; ?起振条件的仿真，要求改变偏置电阻、相位电容和电源电压值，再观察起振波形和振荡电压的变化情况; 时间安排: 1、 2014 年 11月 17 日集中，作课设具体实施与课程设计报告格式的要求说明。 2、 2014 年 11月 17 日，查阅相关资料，学习基本原理。 3、 2014 年 11月 18 日 至 2014 年 11月20日，选择和电路设计。 4、 2014 年 11月 20 日 至 2014 年 11月21日，电路仿真和设计说明书撰写。 5、 2014 年 11月 23 日上交课程设计报告，同时进行答辩。 课设答疑地点:鉴主13楼电子科学与技术实验室。 指导教师签名: 年 月 日 系主任(或责任教师)签名: 年 月 日 武汉理工大学《高频电子线路实训》 目录 摘要................................................................................................................................... Abstract .............................................................................................................................. 1 设计原理说明 ............................................................................................................... 0 1.1 反馈振荡器的原理 .............................................................................................. 0 1. 0 1.1 原理分析 ................................................................................................... 1.1.2 平衡条件 ................................................................................................... 1 1.1.3 起振条件 ................................................................................................... 1 1.1.4 稳定条件 ................................................................................................... 2 2 电路设计与仿真............................................................................................................ 3 3 仿真结果 ...................................................................................................................... 4 3.1 正常工作状态时的波形图 .................................................................................... 4 3.2 改变偏置电阻时的波形图 .................................................................................... 5 3.3 改变相位电容时的波形图 .................................................................................... 6 4 课设小结 ...................................................................................................................... 7 参考文献.......................................................................................................................... 8 武汉理工大学《高频电子线路实训》 摘要 振荡器在现代科学技术领域有着广泛的应用，振荡器是一种能量转换器，其不需要外部激励，就能够自动的将直流电源供给的功率，转换成指定频率和振幅的交流信号功率输出。振荡器一般由晶体管等有源器件，和具有某种选频能力的无源网络组成。振荡器的种类很多，使用范围也不相同，但是它们的基本原理都是相同的，都要满足起振、平衡和稳定条件。本设计即是基于Multisim仿真环境，完成克拉泼振荡器的设计与仿真，并且用电源、示波器和频率计进行测试与调整，最终完成本次设计的要求。 武汉理工大学《高频电子线路实训》 Abstract Oscillator is widely used in the field of modern science and technology, the oscillator is a kind of energy converter, it does not need external incentives, can automatically power dc power supply, into a specified frequency and amplitude of the ac signal power output. Oscillator generally by active components, such as transistors, and with a certain frequency selective ability of passive network. Many different kinds of oscillator, using range is not the same, but their basic principles are the same, all want to meet up, balance and stability condition of vibration. This design is based on the Multisim simulation environment, complete carat spilt oscillator design and simulation, and use the power, scope and frequency meter test and adjustment, to complete the final design requirements. 武汉理工大学《高频电子线路实训》 1 设计原理说明 1.1 反馈振荡器的原理 1.1.1 原理分析 反馈振荡器的原理框图如图1.1所示。由图可见，反馈振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路，放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作为负载，是一调谐放大器，反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。为了能产生自激振荡，必须有正反馈，即反馈到输入端的信号和放大器输入端的信号相位相同。 放大电路 + A(S) 反馈电路 F(S) 图1.1 反馈振荡器原理框图 对于图1.1，设放大器的电压放大倍数为K(s)，反馈网络的电压反馈系数为 KF(s)，闭环电压放大倍数为(s)，则 u U(s)OK(s), UU(s)S U(s)OK(s), U(s)I ‘U(s)IF(s), U(s)O 'U(s),U(s)，U(s) IiS 得 K(s)K(s)K(s),, U1,K(s)F(s)1,T(s) 其中 0 武汉理工大学《高频电子线路实训》 'U(s)I T(s),K(s)F(s),U(s)I 称为反馈系统的环路增益。用s=jw代入，就得到稳态下的传输系数和环路增益。由上式可知，若在某一频率上T(j)等于1，将趋于无穷大，K(j,),,,,1U1 这表明即使没有外加信号，也可以维持振荡输出。因此自激振荡的条件就是环路增益为1。即 T(j,),K(j,)F(j,),1 1.1.2 平衡条件 振荡器的平衡条件可表示为 T(j,),K(j,)F(j,),1 也可以表示为 |T(j,)|,KF,1 n=0,1,2，…… ,,,，,,2n,TKF 1.1.3 起振条件 振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等，其包含有很宽的频谱分量，在他们通过负载回路时，由谐振回路性质即只有频率等于回路谐振频率的分量才可以产生较大的输出，其他频率分量则不会产生压降，因此负载回路上只有频率为回路谐振频率的成分产生压降，该压降通过反馈网络产生出较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入端，进行放大、反馈，不断地循环下去，谐振负载上将得到频率等于回路谐振频率的输出信号。 在振荡开始时由于激励信号较弱，输出电压振幅较小，经过不断放大、反馈循环，输出幅度不断增大，否则输出信号幅值过小，无任何意义。为了使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡，可得 T(j,),1 1 武汉理工大学《高频电子线路实训》 称为自激振荡的起振条件，也可写为 T(j,),YRF,1fL n=0,1,2，…… ,,,，,，,,2n,'TLfF 1.1.4 稳定条件 振荡电路中不可避免地要受到电源电压、环境温度、湿度等因数变化的影响，这将引起振荡电压幅度及其相移的起伏波动，从而破坏已维持的平衡条件。因此，振荡器还必须满足稳定条件，才能保证所处的平衡状态是稳定的。 振幅稳定条件为 Tj,(,),0 U,iU,UiiA ,,相位稳定条件为 ,()T,0,, ,,,0 1.2 电容三点式克拉波振荡器 电路组成如图所示 图1.1 2 武汉理工大学《高频电子线路实训》 特点是在电容三点式振荡器电路的基础上，用一电容C3与原电路中的电感L相串。功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频率的稳定度得以提高。 因为C3远远小于C1或C2，所以三电容串联后的等效电容约为C3。故克拉泼电路的振荡频率几乎与C1、C2无关,主要由C3决定。 与电容三点式振荡电路相比，在电感L上串联一个电容。它有以下特点: 1、振荡频率改变可不影响反馈系数。 2。振荡幅度比较稳定; 但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4; 所以，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器 2 电路设计与仿真 该单元由放大器、反馈网络和选频网络组成，放大单元由2N2219三极管构成放大电路，将反馈信号放大，反馈网络起正反馈，将信号反馈到放大单元输入，进一步放大，选频网络根据自身参数，在复杂的频谱中选取与自身谐振频率相同的频率将其反馈，所以此信号得以不断放大最终由输出端输出。本次设计中电源 ,18电压为12V，由频率计算克算得LC约为1011*10，因此选取L为20uH， FF可调电容为100pF。要保证电路起振，K一般选取0.1-0.5，K=C3/C4，可选C3=520pF，C4=900pF，电路图如下所示， 3 武汉理工大学《高频电子线路实训》 图2.1 仿真电路图 3 仿真结果 3.1 正常工作状态时的波形图 图3.1 基于Multisim软件仿真的波形 在上图中，可以看出输出波形存在一定的失真情况，这是因为谐振回路对振荡频率必须是失谐的。换句话说，振荡器的频率不是简单地等于回路的谐振频率，而是稍有偏移。 4 武汉理工大学《高频电子线路实训》 在仿真的过程中，经常遇到不能产生波形，或者波形出现失真，说明电路不起振。这需要我们去分析，对电路元件参数进行调整，并最终得到结果。 在波形出现失真饱和失真，要调整的值，消除饱和失真。 Rc 3.2 改变偏置电阻时的波形图 图3.2 偏置电阻R5=2K时的仿真波形 由上图可知，改变集电极的偏置电阻只会改变输出波形的振幅，不会改变其频率。同时通过测试，当R5增加到5K是，电路将不再输出稳定的正弦波。 3.2 改变电源电压值时的波形图 与改变偏置电阻类似，改变电源电压值只会改变输出波形的振幅，不会改变其频率大小。但当电压值降低到5V时，将不会输出稳定波形。 5 武汉理工大学《高频电子线路实训》 图3.3 当电源电压为10V时的波形 3.3 改变相位电容时的波形图 图3.4 当相位电容调至40%时的波形图 由图可知，改变相位电容时，输出波形的振幅和频率都会改变。经过测试当相位电容调至25%以下时，将不会输出波形。 6 武汉理工大学《高频电子线路实训》 4 课设小结 在这次课程设计中也遇到了不少问题，首先电路的设计，查阅了不少资料，电容三点式虽然常见，但是要考虑到满足任务书的要求，费了一番周折。 其次，就是对教材中提到的相关元件的概念、作用、以及参数等不是很熟悉。在做本次课程设计之前我又重新翻看了一遍教材，巩固了以前一些模棱两可的，也有了许多新的发现与感受，对于电路的设计过程起初以为电容三点式振荡器的设计比较烦琐，有静态工作点的要求，各电阻、电容值的设计，看起来较复杂。后来通过查资料，才了解到先要计算好各电阻的值，再根据各电容的作用，确定电容的值，画出电路图，慢慢变得简单。 经过这次课程设计，对于高频电子电路有了更深层次的掌握，并且提高了独立解决问题的能力。这次课程设计中我对电路进行了仿真，进一步熟悉了Multisim软件的使用，对建立文件、绘制电路图、对其进行仿真等一系列过程都更加熟练，并且认真的对电路的每一部分进行了修正，但最后出来的波形还是不很稳定。今后会努力提高自己的专业课知识，争取能够真正领会各种专业知识为将来自己的发展打下坚实基础。 7 武汉理工大学《高频电子线路实训》 参考文献 1.《高频电子电路》 王卫东 电子工业出版社 2009.3 2.《基于Multsim2001的电子电路计算机仿真设计与分析》 黄智伟 电子工业出版社 2004.7 3.《Multsim9在电工电子技术中的应用》 董玉冰 清华大学出版社 2008.11 4.《实用电子系统设计基础》 姜威 北京理工大学出版社 2008.1 5.《高频电路原理与分析》 曾兴雯，刘乃安 西安电子科技大学出版社 2006.8 8 武汉理工大学《高频电子线路实训》 本科生课程设计成绩评定表 性 别 男 姓 名 ----------- 专业、班级 电子科学与技术1101 课程设计题目: 电容三端式振荡器(克拉泼振荡器) 课程设计答辩或质疑记录: 1、为什么仿真出的波形要隔一会儿才能稳定下来, 答:因为在形成波形的过程中存在一个反馈过程，这是的闭环增益是大于1的，要过一会儿振幅才会慢慢稳定，最终达到平衡。此时的闭环电压增益是等于1的。 2、克拉波振荡相比改进前，有哪些优势, 答:由于串入可变电容，十三极管一波分接入的方式与回路相连，减弱了晶体管与回路的耦合，减小了极间电容的影响，从而增加了输出的稳定性。 3、相位电容的改变是如何影响输出信号的振幅和频率的, 答:首先电容的改变是的选频电路的谐振频率得到了改变，其次改变电容会使得电路的等效负载发生改变从而改变了输出信号的振幅。 成绩评定依据: 最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定) 签字:指导教师 年 月 日 9 书中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔 人的影响短暂而微弱，书的影响则广泛而深远——普希金 人离开了书，如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫 书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉 ——库法耶夫 书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者———史美尔斯 书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的，是富有启发性的养料。而阅读，则正是这种养料———雨果