2014届《通信原理》
课程设计
《正弦波振荡电路的设计与分析》
课程设计说明书
学生姓名张永良
学号5021211107
所属学院信息工程学院
专业通信工程
班级通信工程15-1
指导教师姚娜
教师职称讲师
塔里木大学教务处制
目录
前言 (1)
工程概况 (1)
正文 (1)
3.1设计的目的和意义 (1)
3.1.1设计目的 (1)
3.2克拉泼电容三点式振荡电路的基本原理 (2)
3.2.1 振荡器组成原则 (2)
3.2.2 电路原理及分析 (3)
3.2.3改进型电容三点式（克拉泼振荡器） (4)
3.2.4 克拉泼振荡器的电路分析 (5)
3.2.5克拉泼振荡器的起振条件 (5)
3.2.6克拉泼振荡器的振荡频率 (6)
3.2.7克拉泼振荡器的电容参数影响 (7)
3.3设计方法和内容 (7)
3.3.1电容三点式和改进型电容三点式仿真比较 (7)
3.3.2克拉泼振荡器电容参数改变对波形的影响 (9)
3.4结论 (10)
致谢 (10)
参考文献： (11)
前言
振荡器用于产生一定频率和幅度的信号，它不需要外加输入信号的控制，就能自动的将直流电能转化为所需要的交流能量输出。振荡器的种类很多，根据产生振荡波形的不同，可分为正弦波振荡器和非正弦波震荡器。正弦波振荡器从组成原理来看，可分为反馈振荡器和负阻振荡器。正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器称为LC正弦振荡器。三点式振荡器属于LC振荡器的一种，由于电容三点式频率调节不便引起电路工作性能的不稳定使该电路只适宜产生固定频率的振荡，所以选择了改进型电容三点式（克拉泼电路），即在电容三点式电路的基础上，在谐振回路的电感支路上串联一个可调电容。此次设计的电路是建立在反馈电路基础之上的，在熟悉了改进型电容三点式的原理下，对电路进行仿真，由输出波形比较它们的不同，最后得出可调电容的值越大，振荡频率稳定度越高。振荡器在现代科学技术领域有着广泛的应用，例如，在无线电通信、广播、电视设备中来产生所需要的载波和本机振荡信号；在电子测量仪器中用来产生各种频段的正弦信号。
工程概况
此次课程设计是在multisim软件下对改进型电容三点式克拉泼电路的输出波形进行仿真。由于振荡器的种类很多，适用的范围也不相同，但它们的基本原理都是相同的，都由放大器和选频网络组成，都要满足起振，平衡和稳定条件。本次课程设计要求振荡器的输出频率为10Mhz，属于高频范围。所以选择LC振荡器作为参考对象，再考虑输出频率和振幅的稳定性，最终选择了克拉泼振荡器。此次可设用了两周的时间，对改进型电容三点式克拉泼电路进行仿真，发现了克拉泼电路的优缺点。
正文
3.1设计的目的和意义
3.1.1设计目的
熟悉multisim软件，运用软件里的一些元器件连接电路图，完成课程设计：改变型电容三点式（克拉泼电路）设计仿真。
1.对改进型电容三点式（克拉泼电路）进行输出波形仿真，并分析。
3.调节可变电容的值，观察输出波形的变化，并与实际理论值进行比较。
3.1.2设计意义
设计的改进型电容三点式电路克服了电容三点式电路的频率高的缺点，在实际应用中的范围更加广泛。
3.2克拉泼电容三点式振荡电路的基本原理
3.2.1 振荡器组成原则
电容反馈式振荡电路的基本电路就是通常所说的三端式（又称三点式）的振荡器，即LC 回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路，如图3-2-1所示。由图可见，除晶体管外还有三个电抗元件X1、X2、X3，它们构成了决定振荡器频率的并联谐振回路，同时构成了正反馈所需的网络，为此根据振荡器组成原则，三端式振荡器有两种基本电路，如图3-2-1所示。图2-0中X1和X2为容性，X3为感性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电容元件完成的，称电容反馈振荡器
（a ）
（b ）
图3-2-1 三端式振荡器基本电路
电路由放大电路、选频网络、正反馈网络组成。总体设计方案框图如下：
图3-2-2 电容反馈式振荡电路设计框图
三点式LC 正弦波振荡器的组成法则是：与晶体管发射极相连的两个电抗元件应为同性质的电抗，而与晶体管集电极—基极相连的电抗元件应与前者性质相反。也就是说上图（b ）中be Z ?、ce Z ?与bc Z
?的性质必须相反振荡器才能起振。
选频网络
放大电路 反馈网络
3.2.2 电路原理及分析
电容反馈式电路工作原理及分析图3-2-3（a ）是电容三点式电路一种常见形式,（ｂ）是其高频等效电路。图中Ｃ1、Ｃ3是回路电容, Ｌ1是回路电感, Ｃ2和Ｃ5分别是高频旁路电容和耦合电容。一般来说, 旁路电容和耦合电容的电容值至少要比回路电容值大一个数量级以上。有些电路里还接有高频扼流圈, 其作用是为直流提供通路而又不影响谐振回路工作特性。对于高频振荡信号, 旁路电容和耦合电容可近似为短路, 高频扼流圈可近似为开路。
（a ）
（b ）
图3- 2-3 电容三点式振荡电路
由于电容三点式电路已满足反馈振荡器的相位条件, 只要再满足振幅起振条件就可以正常工作。因为晶体管放大器的增益随输入信号振幅变化的特性与振荡的三个振幅条件一致, 所以只要能起振, 必定满足平衡和稳定条件。
(1) 平衡条件
振荡器的平衡条件即为1)()()(==ωωωj F j K j T ，也可以表示为 ：
()1T j KF ω==，20,1,2T K F n n φφφπ=+==???
即为振幅平衡条件和相位平衡条件。平衡状态下，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时输出幅度将不在变化：振幅平衡条件决定了振荡器输出信号振幅的大小；环路
只有在某一特定的频率上才能满足相位平衡条件：相位平衡条件决定了振荡器输出信号频率的大小。
(2) 起振条件
振荡器在实际应用时不应有外加信号，而应是一加上电后即产生输出；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。振荡开始时激励信号很弱，为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。
由()()()1i i T j U j U j ωωω'>>，可知，1)(>ωj T 称为自激振荡的起振条件，也可写为
()1f L T j Y R F ω'=>，20,1,2,T f L F n n φφφφπ'=++==???
分别称为起振的振幅条件和相位条件，其中起振的相位条件即为正反馈条件。
(3) 稳定条件
振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。
(1)振幅稳定条件
要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说，0
i iA U U i K
U =?
振幅减小。
(2)相位稳定条件
振荡器的相位平衡条件是φT （ω0）＝２ｎπ。 在振荡器工作时, 某些不稳定因素可能破坏这一平衡条件。如电源电压的波动或工作点的变化可能使晶体管内部电容参数发生变化, 从而造成相位的变化, 产生一个偏移量Δφ。
由于瞬时角频率是瞬时相位的导数, 所以瞬时角频率也将随着发生变化。为了保证相位稳定, 要求振荡器的相频特性φT （ω）在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力。具体来说, 在平衡点ω=ω0附近, 当不稳定因素使瞬时角频率ω增大时, 相频特性φT （ω0）应产生一个-Δφ, 从而产生一个-Δω, 使瞬时角频率ω减小。
3.2.3改进型电容三点式（克拉泼振荡器）
在电容三点式电路中，要减小极间电容在回路总电容中的比重，可以采用部分接入的方法。一种电容三点式振荡器的改进型电路——克拉泼振荡器就是从这一点出发得到的。在电容三点式振荡器电路的回路中仅多加一个与
1C 、2C 相串联的电容3C 即构成了克拉泼振荡
器。
3.2.4 克拉泼振荡器的电路分析
(a) 实际电路 (b)交流通路
图3-2-4克拉泼振荡器原理图
图3-2-4（a ）和（b ）分别是克拉泼振荡器的实际电路和相应的交流通路。由图3-2-4（a ）可知，克拉泼电路与电容三点式电路的差别，仅在回路中多加一个与1C 、3C 相串联的电容3C 。通常3C 取值较小，满足31C C <<，32C C <<，回路总电容主要取决于3C 。而
回路中的不稳定电容主要是三极管的极间电容ce C 、be C 、cb C ，它们又都直接并接在1C 、
2C 上，不影响3C 值，结果是减小了这些不稳定电容对振荡频率的影响，而且3C 越小，这种影响就越小，环路增益就越小，回路标准性就越高。实际情况下，克拉泼电路的频稳度大体上比电容三点式电路高一个量级，达4510
~10--。
3.2.5克拉泼振荡器的起振条件
（a ）克拉泼电路 （b ）开环电路
图3-3-5克拉泼电路及其开环电路 在如图（a ）所示的克拉泼电路中，L 、3C 的串联支路呈感性，符合三点式电路的组成
法则，即与发射极连接的为1C 和2C ，而不与发射极连接的为感性电抗。该电路满足相位平衡条件。在×处断开，可以得到如图（b ）所示的开环电路。它的反馈网络的反馈系数保持
不变，仍为112
/()n C C C '=+，22b e C C C ''=+，不同的仅是0(//)L L e R R R '=需要通过3C 和1,212
12(/())C C C C C ''=+的电容分压网路折算到集电极上，折算后的数值为2
2L n R '（或22/L L g n g ''），其中2331,2/()n C C C =+。因此，该电路的振幅起振条件 1/222'>+n g n n g g i
L m
其中，1i e g r =。
3.2.6克拉泼振荡器的振荡频率 克拉泼振荡电路是在电容三点式振荡电路的基础上，采用L 和C 3的串联电路代替原来的L 而构成的。由图3-2-4（b ）可知，在工作频率上，L 与3C 串联支路应等效为一个电感，1C 和2C 以及并接在1C ，2C 上的ce C ，be C 只是整个回路电容的一部分，晶体管以部分接入的方式与回路联接，这样就减弱了晶体管与回路的耦合。由于31C C <<，32C C <<，因而回路总电容近似等于3C ，振荡器的振荡频率osc ω为：
C L LC OSC 31
1≈=ω
显然，管子的结电容对osc ω的影响是很小的，而且3C 越小，结电容对振荡频率的影响就越小。但是，由于1C ，2C 只是整个振荡回路的一部分，晶体管是以部分接入的方式与回路连接，减弱了晶体管与回路之间的耦合。而晶体管的电压反馈系数为：C C U U ce be 2
1'
F ≈=。 如果设回路L 两端的等效负载为L R ，则折合到集电极回路作为集电极负载电阻L R ': 2231L L L C R R p R C ??'== ???
p 为回路总阻抗反映到管子ce 端的接入系数，其值为 C C C C C C C C C C C p 133
2321323
2≈+++=