正弦波振荡器练习题
一、选择题
1、振荡器的振荡频率取决于。（）
A．供电电源 B．选频网络C．晶体管的参数 D．外界环境
2、为提高振荡频率的稳定度，高频正弦波振荡器一般选用。（）
A．LC正弦波振荡器 B．晶体振荡器 C．RC正弦波振荡器
3、设计一个振荡频率可调的高频高稳定度的振荡器，可采用（）
A．RC振荡器B．石英晶体振荡器C．互感耦合振荡器 D．并联改进型电容三点式振荡器
4、串联型晶体振荡器中，晶体在电路中的作用等效于。( )
A．电容元件 B．电感元件 C．大电阻元件 D．短路线
5、振荡器是根据反馈原理来实现的，反馈振荡电路的波形相对较好。（）
A、正、电感
B、正、电容
C、负、电感
D、负、电容
6、振荡器的频率稳定度高。（）
A．互感反馈 B．克拉泼电路C．西勒电路 D．石英晶体
7、石英晶体振荡器的频率稳定度很高是因为（）
A．低的Q值 B．高的Q值 C．小的接入系数 D. 大的电阻
8、正弦波振荡器中正反馈网络的作用是 （ ）
A ．保证产生自激振荡的相位条件
B ．提高放大器的放大倍数，使输出信号足够大
C ．产生单一频率的正弦波
D ．以上说法都不对
9、在讨论振荡器的相位稳定条件时，并联谐振回路的Q 值越高，值ω
???越大，其相位稳
定性 （ ）
A 、越好
B 、越差
C 、不变
D 、无法确定
10、并联型晶体振荡器中，晶体在电路中的作用等效于
( )
A ．电容元件
B ．电感元件
C ．电阻元件
D ．短路线
11、克拉拨振荡器属于 振荡器。 ( )
A . RC 振荡器
B .电感三点式振荡器
C .互感耦合振荡器
D .电容三点式振荡
器
12、振荡器与放大器的区别是 （ ）
A ．振荡器比放大器电源电压高
B ．振荡器比放大器失真小
C ．振荡器无需外加激励信号，放大器需要外加激励信号
D ．振荡器需要外加激励信号，放大器无需外加激励信号
13、如图所示电路，以下说法正确的是 （ ）
A ． 该电路由于放大器不能正常工作，不能产生正弦波振荡
B ． 该电路由于无选频网络，不能产生正弦波振荡
C．该电路由于不满足相位平衡条件，不能产生正弦波振荡
D．该电路满足相位平衡条件，可能产生正弦波振荡
14、改进型电容三点式振荡器的主要优点是
（）
A．容易起振B．振幅稳定C．频率稳定度较高 D．减小谐波分量15、在自激振荡电路中，下列哪种说法是正确的（）
A．LC振荡器、RC振荡器一定产生正弦波 B．石英晶体振荡器不能产生正弦波 C．电感三点式振荡器产生的正弦波失真较大 D．电容三点式振荡器的振荡频率做不高
16、利用石英晶体的电抗频率特性构成的振荡器是（）
A．f＝fs时，石英晶体呈感性，可构成串联型晶体振荡器
B．f＝fs时，石英晶体呈阻性，可构成串联型晶体振荡器
C．fs 17、如图所示是一个正弦波振荡器的原理图，它属于振荡器。 A．互感耦合B．西勒C．哈特莱 D．克拉泼 二、填空题 1、振荡器的振幅平衡条件是，相位平衡条件是。 2、石英晶体振荡器频率稳定度很高，通常可分为和两种。 3、电容三点式振荡器的发射极 至集电极之间的阻抗Z ce性质应为，发射极至基极 之间的阻抗Z be性质应为，基极至集电极之间的阻抗Z cb性质应为。 4、要产生较高频率信号应采用振荡器，要产生较低频率信号应采用振荡器，要产生频率稳定度高的信号应采用振荡器。 5、LC三点式振荡器电路组成的相位平衡判别是与发射极相连接的两个电抗元件必须，而与基极相连接的两个电抗元件必须为。 三、判断题 1、串联型石英晶体振荡电路中，石英晶体相当于一个电感而起作用。（） 2、电感三点式振荡器的输出波形比电容三点式振荡器的输出波形好。（） 3、反馈式振荡器只要满足振幅条件就可以振荡。（） 4、串联型石英晶体振荡电路中，石英晶体相当于一个电感而起作用。（） 5、放大器必须同时满足相位平衡条件和振幅条件才能产生自激振荡。（） 6、正弦振荡器必须输入正弦信号。（） 7、LC振荡器是靠负反馈来稳定振幅的。（） 8、正弦波振荡器中如果没有选频网络，就不能引起自激振荡。（） 9、反馈式正弦波振荡器是正反馈一个重要应用。（） 10、LC正弦波振荡器的振荡频率由反馈网络决定。（） 11、振荡器与放大器的主要区别之一是：放大器的输出信号与输入信号频率相同，而振荡 器一般不需要输入信号。（） 12、若某电路满足相位条件（正反馈），则一定能产生正弦波振荡。（） 13、正弦波振荡器输出波形的振幅随着反馈系数F的增加而减小。（） 四、简答题 1、下图是一个三回路振荡器的等效电路，设有下列二种情况： (1)L 1C 1 (2)L 1C 1 试分析上述二种情况是否能振荡， 如能，给出振荡频率范围。 2、如图所示石英晶体振荡器，指出他们属于哪种类型的晶体振荡器，并说明石英晶体在电路中的作用。 3、用相位平衡条件的判断准则，判断图中示的三端式振荡器交流等效电路，哪些不可能 振荡，哪些可能振荡，不能振荡的说明原因，若能振荡，属于哪种类型的振荡电路，并说 明在什么条件下才能振荡。 C L 3 L 1 L 2 L C 2 C 3 （a ） （b ） 7、试画出三端式振荡器的等效三端电路图并说明判断是否振荡的原则。 8、画出如图所示振荡器的交流等效电路图，并说明是什么类型的振荡器 五、计算题 1、某振荡器原理电路如图所示，已知pF C 4701=，pF C 10002=，若振荡频率为， 求：（1）画出该电路的交流通路； （2）该振荡器的电路形式； （3）回路的电感； （4）反馈系数。 2、某振荡电路如下图所示10pF,C 400pF,C 200pF,C 321===200pF,~50C 4= H 10L μ= （1）画出交流等效电路。 （2）回答能否振荡。 （3）写出电路名称。 （4）求振荡频率范围。 （5）求反馈系数。 前言 (1) 1高频压控振荡器设计原理压控振荡器 (2) 1.1工作原理 (2) 1.2变容二极管压控振荡器的基本工作原理 (2) 2高频压控振荡器电路设计 (4) 2.1设计的资料及设备 (4) 2.2变容二极管压控振荡器电路的设计思路 (4) 2.3变容二极管压控振荡器的电路设计 (4) 2.4实验电路的基本参数 (5) 2.5实验电路原理图 (6) 3高频压控振荡器电路的仿真 (7) 3.1M ULTISIM软件简介 (7) 3.2M ULTISIM界面介绍 (8) 3.2.1电路仿真图 (9) 3.2.2压控振荡器的主要技术指标 (9) 3.3典型点的频谱图 (9) 4高频压控振荡器电路实现与分析 (16) 4.1实验电路连接 (16) 4.2实验步骤 (16) 4.3实验注意事项 (18) 4.4硬件测试 (19) 5心得体会 (21) 参考文献 (22) 压控振荡器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，在LC振荡器决定振荡器的LC 回路中，使用电压控制电容器（变容管），可以在一定的频率范围内构成电调谐振荡器。这种包含有压控元件作为频率控制器件的振荡器就称为压控振荡器。它广泛应用与频率调制器、锁相环路以及无线电发射机和接收机中。 压控振荡器是锁相环频率合成器的重要组成单元，在很大程度上决定了锁相环的性能。在多种射频工艺中，COMS工艺以高集成度、低成本得到广泛的应用。 压控振荡器（VCO）在无线系统和其他必须在一个范围的频率内进行调谐的通信系统中是十分常见的组成部分。许多厂商都提供VCO产品，他们的封装形式和性能水平也是多种多样。现代表面的贴装的射频集成电路（RFIC）VCO继承了近百来工程研究成果。在这段历史当中。VCO技术一直在不断地改进中，产品外形越来越小而相位噪声和调谐线性度越来越好。 对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。 压控振荡器可分为环路振荡器和LC振荡器。环路振荡器易于集成，但其相位噪声性能比LC振荡器差。为了使相位噪声满足通信标准的要求，这里对负阻RC压控振荡器进行了分析。 思考题与习题 3.3 若反馈振荡器满足起振和平衡条件，则必然满足稳定条件，这种说法是否正确？为什 么？ 解：不正确。因为满足起振条件和平衡条件后，振荡由小到大并达到平衡。但当外界因素（温度、电源电压等）变化时，平衡条件受到破坏。若不满足稳定条件，振荡起就不 会回到平衡状态，最终导致停振。 3.4 分析图 3.2.1(a)电路振荡频率不稳定的具体原因？ 解：电路振荡频率不稳定的具体原因是晶体管的极间电容与输入、输出阻抗的影响，电路的工作状态以及负载的变化，再加上互感耦合元件分布电容的存在，以及选频回路接在基极回路中，不利于及时滤除晶体管集电极输出的谐波电流成分，使电路的电磁干扰大，造成频率不稳定。 3.7 什么是振荡器的起振条件、平衡条件和稳定条件？各有什么物理意义？振荡器输出信号 的振幅和频率分别是由什么条件决定的？ 解：（ 1）起振条件： 振幅起振条件A0 F 1 相位起振条件 A F 2n (2) 平衡条件： 振幅平衡条件AF=1 相位平衡条件 A F 2n （ 3）平衡的稳定条件：（n=0,1, ）（n=0,1,） A 振幅平衡的稳定条件0 U 0 相位平衡的稳定条件Z0 振幅起振条件A0F 1 是表明振荡是增幅振荡，振幅由小增大，振荡能够建立起来。振幅平衡条件AF=1 是表明振荡是等幅振荡，振幅保持不变，处于平衡状态。 相位起振条件和相位平衡条件都是 馈，是构成反馈型振荡器的必要条件。 A F2n（n=0,1,），它表明反馈是正反 振幅平衡的稳定条件A/U0<0表示放大器的电压增益随振幅增大而减小，它能 保证电路参数发生变化引起 A 、F 变化时，电路能在新的条件下建立新的平衡，即振幅 产生变化来保证AF=1 。相位平衡的稳定条件Z /<0 表示振荡回路的相移Z 随频率增大而减小是负斜率。它能保证在振荡电路的参数发生变化时，能自动通过频率的变 化来调整 A F = YF Z =0，保证振荡电路处于正反馈。 显然，上述三个条件均与电路参数有关。A是由放大器的参数决定，除于工作点 I 第一章 设计内容 第一节：设计题目：正弦波振荡电路的设计与实现 第二节：设计指标 振荡频率: f=7MHZ ； 频率稳定度:小时/105/30-?≤?f f ； 电源电压：V=12V ； 波形质量 较好； 第三节： 方案设计与选择 LC 振荡器的电路种类比较多，根据不同的反馈方式，又可分为互感反馈振荡器，电感反馈三点式振荡器，电容反馈三点式振荡器，其中互感反馈易于起振，但稳定性差，适用于低频，而电容反馈三点式振荡器稳定性好，输出波形理想，振荡频率可以做得较高。 所以选择电容反馈三点式振荡器是不容置疑的，而电容反馈三点式振荡器又分为考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器。本次课程设计我们选择考毕兹振荡器,因为此振荡电路适用于较高的工作频率。 第二章 设计原理 第一节 自激振荡的工作原理 正弦波振荡器：一种不需外加信号作用，能够输出不同频率正弦信号的自激振荡电路。 LC 回路中的自由振荡如图1(a)所示。 自由振荡——电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。 阻尼振荡——因损耗等效电阻R 将电能转换成热能而消耗的减幅振荡。图1(b)所示。 等幅振荡——利用电源对电容充电，补充电容对电感放电的振荡过程，图1(c) 所示。这种等幅正弦波振荡的频率称为LC 回路的固有频率，即 LC f π= 210 图1 LC 回路中的电振荡 一、自激振荡的条件 振荡电路如图2所示。 振荡条件：相位平衡条件和振幅平衡条件。 1．相位平衡条件 反馈信号的相位与输入信号相位相同，即为正反馈，相位差是180?的偶数倍，即 ?=2n π 。其中，? 为vf 与vi 的相位差，n 是整数。vi 、vo 、vf 的相互关系参见图3。 2.振幅平衡条件 反馈信号幅度与原输入信号幅度相等。即 AVF=1 图2 变调谐放大器为振荡器 图3 自激振荡器方框图 二、自激振荡建立过程 自激振荡器：在图2中，去掉信号源，把开关S 和点“2”相连所组成的电路。 目录 1 引言 (2) 2 振荡器的原理 (5) 2.1 振荡器的功能、分类与参数 (5) 2.2 起振条件 (9) 2.3 压控振荡器的数学模型 (10) 3 利用ADS仿真与分析 (11) 3.1 偏置电路的的设计 (12) 3.2 可变电容VC特性曲线测试 (13) 3.3 压控振荡器的设计 (15) 3.4 压控振荡器相位噪声分析 (18) 3.5 VCO振荡频率线性度分析 (23) 4 结论 (24) 致谢 (25) 参考文献 (25) 压控振荡器的设计与仿真 Advanced Design System客户端软件设计 电子信息工程（非师范类）专业 指导教师 摘要：ADS可以进行时域电路仿真，频域电路仿真以及数字信号处理仿真设计，并可对设计结果进行成品率分析与优化，大大提高了复杂电路的设计效率。本论文运用ADS仿真软件对压控振荡器进行仿真设计，设计出满足设计目标的系统，具有良好的输出功率，相位噪声性能及震荡频谱线性度。本论文从器件选型开始，通过ADS软件仿真完成了有源器件选型，带通滤波器选型，振荡器拓扑结构确定，可变电容VC特性曲线，瞬态仿真及谐波平衡仿真。实现了准确可行的射频压控振荡器的计算机辅助设计。关键字：压控振荡器，谐波平衡仿真，ADS 1 引言 振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压:在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热;某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制;电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。尤其在通信系统电路中，压控振荡器(VCO)是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。 人们对振荡器的研究未曾停止过。从早期的真空管时代当后期的晶体管时代，无论是理论上还是电路结构和性能上，无论是体积上还是制作成本上无疑都取得了飞跃性的 第五章 正弦波振荡器 5－1 把题图5－1所示几个互感反馈振荡器交流等效电路改画成实际电路，并注明变压器的同名端（极性）。 5－9 用相位平衡条件的判断规则说明题5－2所示几个三点振荡器交流等效电路中，哪个电路是正确的（可能振荡），哪个电路是错误的（不可能振荡）。 [解]： （a ）、（b ）、（c ）不能振荡。（d ）、（e ）、（f ）可能振荡，但（e ）应满足 11011C L g = >ωω （f ）应满足11221 1 C L C L > 使0201ωωω< 第6章调谐放大器和正弦波振荡器 本章重点 1．了解调谐放大器的电路结构、工作特点及工作原理。 2．理解正弦波振荡电路的工作原理、振荡条件。 3．掌握变压器耦合及三点式LC振荡电路的工作原理及振荡频率。 4．了解石英晶体振荡电路。 本章难点 1．调谐放大器的选频能力。 2．正弦波振荡电路的振荡条件。 学时分配 序号内容学时 1 6.1调谐放大器 2 2 6.2正弦波振荡器 6 3 实验九调谐放大器 2 4 实验十LC正弦波振荡器 2 5 本章小结与习题 6 本章总学时12 6.1调谐放大器 调谐放大器：具有选频放大能力的放大电路。 电路特点：LC谐振回路作负载。 应用：无线电发射和接收设备。 6.1.1.调谐放大器的工作原理 动画调谐放大器的工作原理 一、LC并联电路 图6.1.1所示。R为并联电路损耗电阻。 图6.1.1 LC并联电路1．阻抗频率特性 图6.1.2(a)所示。它表示了LC并联电路的阻抗Z与信号频 率f之间的变化关系。当f = f0时，LC并联电路发生谐振，阻抗最大。当f < f0或f > f0时，电 路失谐，阻抗很小。因此，f 0称为谐振频率，又称固有频率，即 LC f π=210 可见，元件L 、C 取定值时，谐振频率f 0是一个常数。 2．相位频率特性 图6.1.2(b )所示。它表示了LC 并联电路两端电 压v 和流进并联电路电流i 之间的相位角之差 ?与 信号频率f 之间的变化关系。 当f = f 0时，? = 0，电路呈纯阻性； 当f < f 0时，? > 0，电路呈感性； 当f > f 0时，? < 0，电路呈容性； 可见，LC 并联电路随信号频率的变化呈现不同的性质。 3．选频特性 阻频特性和相频特性统称为LC 并联电路的频率特性。 它说明了LC 并联电路具有区别不同频率信号的能力，即 具有选频特性。如图6.1.3所示。 品质因数为 R L f R L R X Q L 002π===ω 它表征了LC 并联电路选频特性的好坏。 实验和理论证明： R 越小，Q 值越大，曲线越尖锐，电路选频能力越强； R 越大，Q 值越小，曲线越平坦，电路选频能力越差。 LC 并联电路的Q 值，一般在几十到一二百之间。 4．选频放大器 图6.1.4(a )所示。电路特点是利用LC 并联电路作为负载，因此放大电路具有选频放大能力。 工作原理：当信号频率等于谐振频率时，即f = f 0，放大器输出电压最大；放大倍数A VO 最大。如图6.1.4(b )所示。这种表示选频放大器的放大倍数与信号频率关系的曲线，称为调谐放大器的谐振曲线。 图6.1.4 选频放大器原理 图6.1.5 单回路调谐放大器 图6.1.3 阻频特性与Q 值关系 图6.1.2 LC 并联电路的频率特性 3-1 若反馈振荡器满足起振和平衡条件，则必然满足稳定条件，这种说法是否正确？为什么？ 解：否。因为满足起振与平衡条件后，振荡由小到大并达到平衡。但当外界因素(T 、V CC )变化时，平衡条件受到破坏，若不满足稳定条件，振荡器不能回到平衡状态，导致停振。 3-2 一反馈振荡器，欲减小因温度变化而使平衡条件受到破坏，从而引起振荡振幅和振荡频率的变化，应增大 i osc )(V T ??ω和ω ω???) (T ，为什么？试描述如何通过自身调节建立新平衡状态的过程（振幅和相位）。 解：由振荡稳定条件知： 振幅稳定条件： 0) (iA i osc 3-5 试判断下图所示交流通路中，哪些可能产生振荡，哪些不能产生振荡。若能产生振荡，则说明属于哪种振荡电路。 解： (a) 不振。同名端接反，不满足正反馈； (b) 能振。变压器耦合反馈振荡器； 压控振荡器（VCO 一应用范围 用于各种发射机载波源、扩频通讯载波源或作为混频器本振源。 二基本工作原理 利用变容管结电容Cj 随反向偏置电压VT 变化而变化的特点（VT=OV 时Cj 是最大值，一 般变容管VT 落在2V-8V 压间，Cj 呈线性变化，VT 在8-10V 则一般为非线性变化，如图1 所示，VT 在10-20V 时，非线性十分明显），结合低噪声振荡电路设计制作成为振荡器，当 改变变容管的控制电压，振荡器振荡频率随之改变，这样的振荡器称作压控振荡器（VCO 。 压控振荡器的调谐电压 VT 要针对所要求的产品类别及典型应用环境（例如用户提供调谐要 求，在锁相环使用中泵源提供的输出控制电压范围等 ）来选择或设计，不同的压控振荡器， 对调谐电压VT 有不同的要求，一般而言，对调谐线性有较高要求者， VT 选在1-10V ，对宽 频带调谐时，VT 则多选择1-20V 或1-24V 。图1为变容二极管的V — C 特性曲线。 图1变容二极管的V — C 特性曲线 三压控振荡器的基本参数 1工作频率：规定调谐电压范围内的频率范围称作工作频率，通常单位为“ MHZ 或 “GHz 。 2输出功率：在工作频段内输出功率标称值，用 Po 表示。通常单位为“ dBmW 。 3输出功率平稳度：指在输出振荡频率范围内，功率波动最大值，用△ P 表示，通常 单位为“ dBmW 。 4调谐灵敏度：定义为调谐电压每变化1V 时，引起振荡频率的变化量，用 MHz/ △ VT 表示，在线性区，灵敏度最咼，在非线性区灵敏度降低。 5谐波抑制：定义在测试频点，二次谐波抑制 =10Log （P 基波/P 谐波）（dBmw ）。 6推频系数：定义为供电电压每变化1V 时，引起的测试频点振荡频率的变化量，用 MHz/V 表 示。 7相位噪声：可以表述为，由于寄生寄相引起的杂散噪声频谱，在偏移主振 f0为fm 的带内，各杂散能量的总和按fin 平均值+15f0点频谱能量之比，单位为dBC/Hz 相位噪 声特点是频谱能量集中在f0附近，因此fm 越小，相噪测量值就越大，目前测量相噪选定 WV) 0 8 10 实验二压控LC 电容三点式振荡器设计及仿真 一、实验目的 1、了解和掌握LC 电容三点式振荡器电路组成和工作原理。 2、了解和掌握压控振荡器电路原理。 3、理解电路元件参数对性能指标的影响。 4、熟悉电路分析软件的使用。 二、实验准备 1、学习LC 电容三点式西勒振荡器电路组成和工作原理。 2、学习压控振荡器的工作原理。 3、认真学习附录相关内容，熟悉电路分析软件的基本使用方法。 三、设计要求及主要指标 1、采用电容三点式西勒振荡回路，实现振荡器正常起振，平稳振荡。 2、实现电压控制振荡器频率变化。 3、分析静态工作点，振荡回路各参数影响，变容二极管参数。 4、振荡频率范围：50MHz~70MHz，控制电压范围3~10V。 5、三极管选用MPSH10（特征频率最小为650MHz，最大IC 电流50mA，可 满足频率范围要求），直流电压源12V，变容二极管选用MV209。 四、设计步骤 1、整体电路的设计框图 整个设计分三个部分，主体为LC 振荡电路，在此电路基础上添加压控部分，设计中采用变容二极管MV209 来控制振荡器频率，由于负载会对振荡电路的 频 率产生影响，所以需要添加缓冲器隔离以使振荡电路不受负载影响。 2、LC 振荡器设计 首先应选取满足设计要求的放大管，本设计中采用MPSH10 三极管，其特征频率f T=1000MHz。LC 振荡器的连接方式有很多，但其原理基本一致，本实验中采用电容三点式西勒振荡电路的连接方式，该振荡电路在克拉泼振荡电路的基础上进行了细微的改良，增加了一个与电感L 并联的电容，主要利用其改变频率而不对振荡回路的分压比产生影响的特点。电路图如下所示： 第三章 正弦波振荡器习题解 3-5 (a) 不振。不满足正反馈；(b)能振。变压器耦合反馈振荡器；(c)不振。不满足三点式振荡电路的组成法则；(d)能振。当ω1<ωosc <ω2(ω1、ω2分别L 1C 1、L 2C 2谐振频率)，即L 2C 2回路呈感性，L 1C 1回路呈容性，组成电感三点式振荡电路；(e)能振。计入结电容e 'b C ，组成电容三点式振荡电路；(f)能振。 (b) 当ω1、ω2<ωosc (ω1、ω2分别L 1C 1并联谐振回路、L 2C 2串联谐振回路谐振频率)时，L 1C 1回路呈容性，L 2C 2回路呈感性，组成电容三点式振荡电路。 3-6 交流通路如图3-6所示。 (a)、(c)、(f)不振；不满足三点式振荡电路的组成法则；(b)、(d)、(e)、(g)能振。(b)、(d)为电容三点式振荡电路，其中(d)的管子发射结电容e 'b C 成为回路电容之一，(e)为电感三点式振荡电路，(g)LC 1o osc = ω≈ω,电路 同时存在两种反馈。由于LC 串联谐振回路在其谐振频率o ω上呈现最小的阻抗，正反馈最强，因而在o ω上产生振荡。 L 图3-7 C L 2 L 1 T C R C L 1 L 2 M T R E L C 2 C 1 T C L 1 L 2 R D T R E1 R E3 C L R C1 R C2 R T 1 T 2 C 2 C 1 L T (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) 3-7 按并联谐振回路相频特性可知：在电感三点式振荡电路中ωo3<ωosc <ωo1、ωo2,在电容三点式振荡电路中ωo1、ωo2<ωosc <ωo3。振荡电路如图3-7所示，图中 1C C 、2C C 、B C 、E C 对交流呈短路。设1B R 、2B R 阻抗较大，对回路影响不大。 3-8 改正后的电路如图3-8所示。 说明，图(c)中可在2B R 两端并联旁路电容B C 。 3-9 图(a)满足正反馈条件，LC 并联回路保证了相——频特性负斜率，因而满足相位稳定条件，电路可振。图(b)不满足正反馈条件，将1T 基极开路，反馈电压f V 比1i V 滞后一个小于 90的相位。图(c)不满足正反馈条件，不振。 3-10 用万用表测量发射极偏置电阻E R 上的直流电压：先使振荡器停振（例如回路线 (a) B C C R B1 R B2 E CC C CC R B1 R B2 (b) (c) (e) (f) (g) R f 思考题与习题 3.3 若反馈振荡器满足起振和平衡条件，则必然满足稳定条件，这种说法是否正确？为什 么？ 解：不正确。因为满足起振条件和平衡条件后，振荡由小到大并达到平衡。但当外界因素（温度、电源电压等）变化时，平衡条件受到破坏。若不满足稳定条件，振荡起就不会回到 平衡状态，最终导致停振。 3.4 分析图3.2.1(a)电路振荡频率不稳定的具体原因？ 解：电路振荡频率不稳定的具体原因是晶体管的极间电容与输入、输出阻抗的影响，电路 的工作状态以及负载的变化，再加上互感耦合元件分布电容的存在，以及选频回路接在基极回路中，不利于及时滤除晶体管集电极输出的谐波电流成分，使电路的电磁干扰大，造成频率不稳定。 3.7 什么是振荡器的起振条件、平衡条件和稳定条件？各有什么物理意义？振荡器输出信号 的振幅和频率分别是由什么条件决定的？ 解：（1） 起振条件： 振幅起振条件 01A F > 相位起振条件 2A F n ??π+=（n=0,1,…） (2) 平衡条件： 振幅平衡条件 AF=1 相位平衡条件2A F n ??π+=（n=0,1,…） （3） 平衡的稳定条件： 振幅平衡的稳定条件 0A U ?是表明振荡是增幅振荡，振幅由小增大，振荡能够建立起来。振幅平 衡条件AF=1是表明振荡是等幅振荡，振幅保持不变，处于平衡状态。 相位起振条件和相位平衡条件都是2A F n ??π+=（n=0,1,…），它表明反馈是正反馈，是 构成反馈型振荡器的必要条件。 振幅平衡的稳定条件A ?/0U ?<0表示放大器的电压增益随振幅增大而减小，它能保证电 路参数发生变化引起A 、F 变化时，电路能在新的条件下建立新的平衡，即振幅产生变化来保证AF=1。相位平衡的稳定条件Z ??/ω?<0表示振荡回路的相移Z ?随频率增大而减小是负斜率。它能保证在振荡电路的参数发生变化时，能自动通过频率的变化来调整A F ??+=YF Z ??+=0，保证振荡电路处于正反馈。 显然，上述三个条件均与电路参数有关。0A 是由放大器的参数决定，除于工作点eQ I 有关外，还与晶体管的参数有关，而反馈系数F 是由反馈元件的参数值有关。对电容三点式与反馈电容1C 、2C 有关，对于电感三点式与反馈电感有关。 3.8 反馈型LC 振荡器从起振到平衡，放大器的工作状态是怎样变化的？它与电路的哪些参 数有关？ 第六章 波形的产生与变换电路 6.1基本要求 1.熟练掌握正弦波振荡器产生振荡的相位平衡条件和幅值平衡条件。 2.熟练掌握桥式、变压器反馈式、三点式振荡器的结构、相位条件的判别和振荡频率的计算。 3.熟悉桥式振荡器的幅值条件，了解其稳幅措施。 4.了解石英晶体振荡器的工作原理。 5.熟练掌握各种比较器的结构、工作原理及参数的计算。 6.熟悉集成运放组成的方波、三角波、锯齿波发生器的工作原理和输出波形。 6.2 解答示例及解题技巧 题6-3解：（a ）不能产生正弦振荡。 此电路欲构成RC 桥式振荡器，桥式振荡器是由基本放大器和正反馈网络(同时具有选频功能)构成的。此电路中的运放与10k 、20k 电阻是基本放大器部分，应为负反馈放大器；RC 串并联网络是正反馈网络部分，应引正反馈（f =f 0时）至运放的同相输入端。但本电路中的放大器却构成了正反馈，而RC 串并联网络却引入了负反馈。所以不能产生正弦振荡。若将运放的反相输入端与同相输入端互换，便可以使基本放大器的相移ΦA =0o ，RC 串并联网络的相移ΦF =0（f =f 0时），从而满足振荡的相位条件ΦA +ΦF =0o 。 （b ）不能产生正弦振荡。 此电路欲构成RC 移相式振荡器。它的移相网络作为反馈网络，同时具有选频功能。但此电路中放大器部分是共基极放大器，ΦA =0o ，移相网络的相移ΦF 在0o ～270o 之间变化，其中当ΦF =0o 时，对应频率趋近无穷大，这意味着当频率趋近无穷时，电路才能满足振荡的相位条件ΦA +ΦF =0o ，显然是不可能做到的，所以不能产生正弦振荡。须将移相网络的反馈连线由BJT 的发射极改至基极，构成共射放大器，这样可以使ΦA =180o ，而在有限的频率范围内又可以在某一频率上得到ΦF =180o ，使 ΦA +ΦF =360o ，满足振荡的相位条件。 （c ）可以产生正弦振荡。 此电路构成了RC 桥式振荡器。其中的差放是基本放大器，RC 串并联网络是正反馈网络部分，由于ΦA =0o ，ΦF =0（f =f 0时），可以使ΦA +ΦF =0o ，所以能产生正弦振荡。 （d ）不能产生正弦振荡。 此电路欲构成RC 移相式振荡器。但放大器部分的输入端接错了位置。应将2R 电阻与移相网络的连线断开，改接至移相网络的最后一级RC 之间。另将移相网络的电阻R 下端接地。这样才可以构成正确的振荡电路，在这个电路中，ΦA =180o ，ΦF =180o （某频率上），可以使ΦA +ΦF =360o ，满足振荡的相位条件。 题6-4 解：（1）此电路为RC 桥式振荡器，当电路振荡时，RC 串并联网络的反馈系数为 3 1 。 分类号 密级 基于Multisim11的压控振荡电路仿真设计 所在学院机械与电气工程学院 专业电气工程及其自动化 班级 姓名 学号 指导老师 年月日 诚信承诺 我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《基于Multisim11的压控振荡电路仿真设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年月日 摘要 Multisim是美国国家仪器有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于初级的模拟及数字电路板的设计工作，Multisim不仅具有丰富的仿真分析能力，而且还包含了电路原理图的图形输入及电路硬件描述语言的输入方式。有了Multisim软件就相当于有了一个电子实验室，可以非常方便的从事各种电路设计及仿真分析工作。 随着无线通信技术的快速发展，使得市场对压控振荡电路产生了巨大的需求。压控振荡器是通过调节可变电阻或电容可以改变波形的振荡频率，一般是通过人工来调节的。而在自动控制场合往往要求能自动地调节振荡频率。常见的情况是给出一个控制电压，要求输出波形的振荡频率与控制电压成正比。这种电路称为压控振荡器。 本次设计的内容是基于Multisim11的压控振荡电路仿真设计，阐述了压控振荡器的电路原理以及组成结构。本次设计是采用集成运算放大器741芯片组成的滞回电压比较器和反向积分电路，利用二极管1N4148相当于电子开关的功能，控制电容的充放电时间，构成的压控振荡电路，从而实现输入电压对输出频率变化的控制。只要改变输入端的电压，就可以改变输出端的输出频率。并在电路设计与仿真平台Multisim11仿真环境中创建集成压控振荡器电路模块，进而使用Multisim仿真工具对其进行仿真从而达到设计的目的和要求。 关键词：Multisim，压控振荡器，1N4148 第5章正弦波振荡器习题参考答案 5-2为什么晶体管LC振荡器总是采用固定偏置与自生偏置混合的偏置电路？ 答：晶体管LC振荡器采用固定的正向偏置是为了使振荡器起振时为软激励状态，在无需外加激励信号时就能起振，也不致停振。而采用自生反向偏置则可以稳幅。若两者不结合，则两者优点不可兼而有之。 5-6LC振荡器的静态工作点应如何选择？根据是什么？ 5-9试用相位条件的判断准则，判明题图5-1所示的LC振荡器交流等效电路，哪个可以振荡？哪个不可以振荡？或在什么条件下才能振荡？ 答：题图5-1（a）：可以起振。 题图5-1（b）：不能起振（晶体管be与bc电抗性质相同了）。 题图5-1（c）：考虑管子的极间电容C i时可能起振。 题图5-1（d）：当L2C2＞L1C1时可以起振。 5-12 试画出题图5-2各振荡器的交流等效电路，并判断哪些电路可以振荡？哪些电路不能产生振荡？若不能振荡，请改正。 答：题图5-2各振荡器的交流等效电路如图5-12所示。 5-14 已知某振荡器的电路如题图5-4所示，Lc是扼流圈，设L＝1.5μH，振荡频率为49.5MHz，试求： （1）说明各元件的作用； （2）画出交流等效电路； （3）求C 4的大小（忽略管子极间电容的影响）； （4）若电路不起振应如何解决？ 答：R b1、R b2是基极偏置电阻；R e 是射极偏置电阻；C 1、 C 2、C 3、C 4、L 是振荡回路的元件，C p 是输出耦合电路。 （2）交流等效电路如题图5-14所示。 （3） ()4321C C L f o +≈π ()4366105.121 105.49C C +?≈?-π 解得 ()pF C C 12431091.6-?=+ ()pF pF C 91.3391.64=-= （4）若电路不起振，可以改变偏置或加大C 3。 5-17 题图5-6（a ）（b ）分别为10MHz 和25MHz 的晶体振荡器。试画出交流等效电路，说明晶体在电路中的作用，并计算反馈系数。 答：题图5-6的交流等效电路分别如解题图5-17（a ）、（b ）所示，图5-17（a ）中晶体等效为电感，反馈系数，5.0300150 == F 图5-17（b ）中晶体等效为短路元件，反馈系数 16.027043 ==F 。 7-1判断下面所述的正误 1. 串联型石英晶体振荡电路中，石英晶体相当于一个电感而起作用。（） 2. 电感三点式振荡器的输出波形比电容三点式振荡器的输出波形好。（） 3. 反馈式振荡器只要满足振幅条件就可以振荡。 （） 4. 串联型石英晶体振荡电路中，石英晶体相当于一个电感而起作用。（） 5. 放大器必须同时满足相位平衡条件和振幅条件才能产生自激振荡。（） 6. 正弦振荡器必须输入正弦信号。 （） 7. LC振荡器是靠负反馈来稳定振幅的。（） 8. 正弦波振荡器中如果没有选频网络，就不能引起自激振荡。（） 9. 反馈式正弦波振荡器是正反馈一个重要应用。 （） — 10. LC正弦波振荡器的振荡频率由反馈网络决定。 （） 11. 振荡器与放大器的主要区别之一是：放大器的输出信号与输入信号频率相同， 而振荡器一般不需要输入信号。 （） 12. 若某电路满足相位条件（正反馈），则一定能产生正弦波振荡。（） 13. 正弦波振荡器输出波形的振幅随着反馈系数F的增加而减小。（）7-2并联谐振回路和串联谐振回路在什么激励下（电压激励还是电流激励）才能产生负斜率的相频特性 解：并联谐振回路在电流激励下，回路端电压V 的频率特性才会产生负斜率的相频特性，如图(a)所示。串联谐振回路在电压激励下，回路电流I 的频率特性才会产生负斜率的相频特性，如图(b)所示。 7-3电路如题7-3图所示，试求解：(1)R W的下限值；(2)振荡频率的调节范围。 ^ 题7-3图 解：(1) 根据起振条件 ''2,2f W W R R R R k +>>Ω 故R w 的下限值为2k Ω。 (2) 振荡频率的最大值和最小值分别为 0max 11 1.62f kHz R C π= ≈， 0min 1211452()f Hz R R C π=≈+ 7-4 在题7-4图所示电路中，已知R 1=10k Ω，R 2=20k Ω，C = μF ，集成运放的最大输出电压幅 值为±12V ，二极管的动态电阻可忽略不计。(1)求出电路的振荡周期；(2)画出u O 和u C 的波形。 题7-6图 解7-6图 解：(1)振荡周期： 12()ln 3 3.3ms T R R C ≈+≈ (2)脉冲宽度：11ln 3 1.1T R C mS ≈≈ ) ∴u O 和u C 的波形如解7-6图所示。 7-5 试判断如图所示各RC 振荡电路中，哪些可能振荡，哪些不能振荡，并改正错误。图中， C B 、C C 、C E 、C S 对交流呈短路。 2003年全国大学生电子设计大赛 设计报告 设计者：李永彬王萍宋均雷 赛前辅导老师：姚福安万鹏 单位：山东大学控制科学与工程学院 邮编：250061 A题电压控制LC正弦波振荡器 摘要 本系统由LC振荡电路、高频放大电路、采样保持电路、三位半电压显示模块、CPLD控制模块及四位LED显示模块等构成。本设计的特色在于应用变容二极管实现了压控变频及应用可编程逻辑器件实现了频率测量。 Abstract This system includes LC frequency generator, the sampling-holding circuit, controlled by the CPLD. This can realize that the function that change the frequency step by step. To display the outcome, the model applied in. 1. 方案论证及实现 根据压控LC震荡器题目的要求，提出以下两种方案： 1.方案一：变压器反馈式LC振荡器 变压器反馈式LC震荡电路要使用变压器，其体积和重量都比较大。而且，变压器的铁芯容易产生电磁干扰。 2.方案二：电感三点式振荡电路 电感三点式振荡电路电路反馈电压取自电感，而电感对高次谐波的阻抗较大，不能将高次谐波滤掉，因此输出波形中含有较多的高次谐波分量，波形较差，而且频率稳定度不高 3.方案三：电容三点式震荡电路 电容三点式振荡器的电路反馈电压取自电容，其对高次谐波的阻抗较较小，因此反馈电压中的高次谐波分量较小，波形较好。为达到题目要求实现压控，可采用变容二极管组成电容三点式振荡器。由于制版条件有限，不可能有效克服分布参数干扰的影响，但此方案仍为实现题目 思考题与习题 3.3 若反馈振荡器满足起振和平衡条件，则必然满足稳定条件，这种说法是否正确？为什 么？ 解：不正确。因为满足起振条件和平衡条件后，振荡由小到大并达到平衡。但当外界因 素（温度、电源电压等）变化时，平衡条件受到破坏。若不满足稳定条件，振荡起就不会回到平衡状态，最终导致停振。 3.4 分析图3.2.1(a)电路振荡频率不稳定的具体原因？ 解：电路振荡频率不稳定的具体原因是晶体管的极间电容与输入、输出阻抗的影响，电 路的工作状态以及负载的变化，再加上互感耦合元件分布电容的存在，以及选频回路接在基极回路中，不利于及时滤除晶体管集电极输出的谐波电流成分，使电路的电磁干扰大，造成频率不稳定。 3.7 什么是振荡器的起振条件、平衡条件和稳定条件？各有什么物理意义？振荡器输出信号 的振幅和频率分别是由什么条件决定的？ 解：（1） 起振条件： 振幅起振条件 01A F > 相位起振条件 2A F n ??π+=（n=0,1,…） (2) 平衡条件： 振幅平衡条件 AF=1 相位平衡条件 2A F n ??π+=（n=0,1,…） （3） 平衡的稳定条件： 振幅平衡的稳定条件 0A U ?是表明振荡是增幅振荡，振幅由小增大，振荡能够建立起来。振幅平衡条件AF=1是表明振荡是等幅振荡，振幅保持不变，处于平衡状态。 相位起振条件和相位平衡条件都是2A F n ??π+=（n=0,1,…），它表明反馈是正反 馈，是构成反馈型振荡器的必要条件。 振幅平衡的稳定条件A ?/0U ?<0表示放大器的电压增益随振幅增大而减小，它能保证电路参数发生变化引起A 、F 变化时，电路能在新的条件下建立新的平衡，即振幅产生变化来保证AF=1。相位平衡的稳定条件Z ??/ω?<0表示振荡回路的相移Z ?随频率增大而减小是负斜率。它能保证在振荡电路的参数发生变化时，能自动通过频率的变化来调整A F ??+=YF Z ??+=0，保证振荡电路处于正反馈。 显然，上述三个条件均与电路参数有关。0A 是由放大器的参数决定，除于工作点eQ I 目录 1 引言 (2) 1.1 振荡器简介 (2) 1.2 系统设计的目的 (2) 1.3 系统设计的意义 (2) 2 系统设计要求和设计方案 (3) 2.1设计任务及基本要求 (3) 2.1.1 任务 (4) 2.1.2 基本要求 (4) 2.2 总体设计思路 (4) 2.3 基本模块的论证与选择 (4) 2.3.1 电压控制LC振荡器模块 (5) 2.3.1.1互感耦合振荡器 (5) 2.3.1.2 电感反馈三端式振荡电路 (5) 2.3.1.3 电容反馈三端式振荡电路 (5) 2.3.1.4 集成电路振荡器 (6) 2.3.2 LC控制信号的实现 (8) 2.3.3 稳幅电路的选择 (9) 2.3.4频率控制方式的设计与选择 (9) 2.3.5功率放大器 (10) 2.3.6 系统组成构图 (10) 3 单元电路的设计 (11) 3.1压控振荡器和稳幅电路的设计 (11) 3.2锁相环式频率合成器的设计 (12) 3.3 峰值检测电路 (16) 3.3 系统软件的设计 (18) 4 测试方法及结果分析 (20) 4.1 测试仪器 (20) 4.2 测试方法 (20) 4.3 结果分析 (20) 5 总结 (21) 6 参考文献 (21) 电压控制LC振荡器 1 引言 1.1 振荡器简介 振荡器简单地说就是一个频率源，一般用在锁相环中。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。所谓“振荡”，其涵义就暗指交流，振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。能够完成从直流电能到交流电能的转化，这样的装置就可以称为“振荡器”。 压控振荡器（VCO）的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。 振荡器广泛应用于各行各业中，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压:在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热；某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制；电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。在通信系统电路中，压控振荡器(VCO)是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等电路中更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO压控振荡器几乎与电流源电路和运放电路具有同等重要的地位。 1.2 系统设计的目的 了解、分析振荡器设计的基本设计和发展方向，掌握压控LC振荡电路的主要技术指标，电路结构，工作原理。 1.3 系统设计的意义 随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色， 第五章振荡电路 在一个电子线路中，不加输入信号就有信号输出的现象，称为自激振荡，实现振荡的电路称为振荡器。常见的振荡器有两类：一类是正弦波振荡器，另一类是非正弦波振荡器。 §5-1RC正弦波振荡器 一、自激振荡的基本原理 正反馈放大器有可能形成振荡。但满足什么条件时，才能使正反馈放大器成为一个自激振荡器呢？ 1.自激振荡的基本条件 a.自激振荡器的原理框图如 图5-1所示。 (1)自激振荡器分为两个部分：一是基本放大器， 其放大倍数为A u;二是正反馈电路，反馈系数为F。 (2)信号的传输：设基本放大器的输入端有一初始 输入信号u i→基本放大器→u o= A u〃u i→正反馈电路→u f＝ F〃u o→基本放大器，如此循环。 显然，在将输入信号拿掉的情况下，电路能维持有信号输出的条件是：u f ≥u i。 b.产生自激振荡，必须具备的两个基本条件： (1)相位条件：反馈信号u f与输入信号u i同相位，即u f与u i 的相位差应为?＝2nπ(n＝0,1,2,3…) (2)幅度条件：反馈信号u f应大于或等于输入信号u i ，即 FA u≥1 （u o＝A u〃u i ，u f＝F〃u o＝F A u〃u i） 只有满足了以上两个基本条件，电路才能产生自激振荡。 2.正弦波振荡器的基本组成 （如果有多个频率的信号满足产生振荡的条件，那么输出端获得的振荡信号将不是单一频率的正弦波，而是一个由多种频率信号合成的非正弦波。如果有选频电路，并且选频电路只让某一频率的信号满足产生振荡的两个基本条件，那么得到的振荡信号就会是单一频率的正弦波信号。） b.从原理上讲，一个自激正弦波振荡器必须由三个部分组成：基本放大器、正反馈电路和选频电路。 （选频电路可以由R、C元件组成，也可以由L、C元件组成，还可以由石英晶体组成。在实际的振荡电路中，选频电路可以作为一个独立的部分，但多数情况下是包含在反馈电路中或基本放大器之中。） 3.振荡的建立和稳定 a.提出问题：振荡器的最初的输入电压从何而来？ b.自激振荡的建立： (1)因为振荡电路是一个闭合的正反馈系统，因此电路中任何地方微小的电扰动（如接通直流电源等），最终都会传送到基本放大器的输入端，而成为最初的输入电压。 (2)不规则的电扰动中包含了丰富的频率成分，选频电路从中选出满足振荡条件的某一频率信号，使其在振荡电路中经过放大－正反馈－再放大－再正反馈的循环过程，振荡将迅速增大，这样自激振荡便建立起来了。 c.振荡的稳定：上述振荡信号不会无止境地增长下去，最后会达到一个相对稳定的幅度，而获得一个等幅振荡。（因为随着振荡的增长， 必将导致晶体三极管进入非线性工作状态，使放大器的放大倍数明显下降，再加上信号在线路中的损耗，因此信号的幅度有减小的趋势，最后信号会达到一个相对稳定的幅度。） 二、RC串并联选频电路 1. RC串并联选频电路的构成及特性 a.电路的构成如图5-2(a)所示。 b.当输入电压u i的频率很低时，输出高频压控振荡器设计
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第六章波形产生与变换电路
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第五章 振荡电路 (54)
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