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实验名称：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、实验原理压控振荡器是指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路, 其特性用输出角频率ω0与输入控制电压uc之间的关系曲线(图1)来表示。
图1中,uc为零时的角频率ω0,0称为自由振荡角频率；曲线在ω0,0处的斜率K0称为控制灵敏度。
使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。
在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。
人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。
在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。
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，平稳震荡。
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、震荡频率范围：50MHz到70MHz,控制电压范围3到10V。
5、三极管选用MPSH10（特征频率最小为650MH在，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、设计过程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。
1、LC 振荡器设计采用MPSH10 三极管，其特征频率T f =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。
压控振荡器的电路设计1压控振荡器的电路设计1压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）是一种能够根据控制电压的变化产生频率变化的电子电路。
它在通信系统、频率合成器、频率调谐器等领域有着广泛的应用。
本文将详细介绍压控振荡器的电路设计。
首先，我们需要确定所需的压控振荡器的频率范围、频率稳定度、功率要求等参数。
然后，根据这些参数选择适合的振荡器拓扑结构。
常见的压控振荡器拓扑结构有基准电流型、拉锁型、环型和美国电工和电子工程师协会（IEEE）标准204A型等。
在本文中，我们将以基准电流型压控振荡器为例进行设计。
基准电流型压控振荡器的电路由负电流源、反馈电路、振荡器核心以及控制电压端口组成。
首先，我们需要设计负电流源。
负电流源的作用是为反馈电路提供稳定的偏置电流。
常见的负电流源电路包括电流镜电路和欧陆电流镜电路等。
在本文中，我们将使用电流镜电路。
电流镜电路可以通过调整电阻的大小来控制输出电流的大小。
接下来是反馈电路的设计。
反馈电路的作用是将振荡器输出信号的一部分反馈到振荡器核心，以维持其振荡。
在基准电流型压控振荡器中，常用的反馈电路是LC谐振电路。
谐振频率可以通过选择合适的电感和电容器来调整。
然后是振荡器核心的设计。
振荡器核心一般由放大器和相移网络组成。
放大器负责放大信号，相移网络则用于改变相位。
常用的放大器有差动放大器和共射放大器等。
在本文中，我们将选择共射放大器。
相移网络则是通过选择电阻和电容器来实现。
最后是控制电压端口的设计。
控制电压端口用于输入控制电压，从而改变振荡器的频率。
常见的控制电压端口设计包括电压到电流转换电路和电流到电压转换电路等。
在本文中，我们将使用电流到电压转换电路。
电流到电压转换电路的原理是通过选择电阻和电容器来将变化的电流转换为电压。
在完成了振荡器的拓扑结构设计后，我们需要进行参数选择和电路元件的选择。
参数选择包括电容器和电感器的选择、电阻的选择以及电流源的选择等。
电压控制LC振荡器设计首先，我们需要了解电压控制LC振荡器的基本原理。
LC振荡器是由一个电感L和一个电容C组成，通过放大器提供正反馈实现振荡。
在电压控制LC振荡器中，通过改变电容C的电压以调节振荡频率。
当输入电压变化时，通过改变电容C的电压，可实现对振荡频率的控制。
接下来，我们来详细介绍电压控制LC振荡器的设计步骤。
首先，确定振荡频率的要求。
根据应用需求，选择所需的振荡频率范围和中心频率。
然后，选择适当的电感L和电容C。
根据振荡频率的要求，选择能够满足这一频率范围的电感和电容器。
电感L和电容C的数值选择是电压控制LC振荡器设计的重要一步。
可以通过计算公式或者参考相关的设计手册来确定合适的电感和电容数值。
接下来，设计放大器电路。
放大器电路可以选择运算放大器、晶体管放大器等。
放大器的选择是根据具体应用需求和设计要求来确定的。
通过运算放大器或者晶体管放大器提供正反馈，实现振荡。
放大器的增益也需要根据设计要求进行调整和控制。
然后，设计电压控制电路。
电压控制电路是改变电容C的电压以调节振荡频率的关键。
可以选择电压控制电容二极管、电压控制变压器等。
通过改变电容的电压，可以改变振荡频率。
电压控制电路的设计需要满足对电容电压的控制范围和精度要求。
最后，进行整体的电路调试和优化。
在完成电路设计后，需要进行电路的调试和性能优化。
通过实验和测试，可以对电路进行调整和改进，以满足设计要求和应用需求。
以下是一个典型的电压控制LC振荡器设计实例：假设我们需要设计一个电压控制LC振荡器，其振荡频率范围为1MHz到10MHz，中心频率为5MHz。
根据振荡频率范围的要求，选择合适的电感L和电容C。
在这个实例中，我们选择电感L为10μH，电容C为10pF。
然后，选择适当的放大器电路和电压控制电路。
在这个实例中，我们选择运算放大器作为放大器电路，选择电压控制电容二极管作为电压控制电路。
最后，根据实际设计需求，进行电路的调试和优化。
通过实验和测试，确定和调整电路参数，使其满足设计要求。
ADS设计压控振荡器VCO引言：在无线通信系统和射频电路中，压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)是一个关键的组件，常用来产生射频信号的频率。
在过去，VCO的设计主要采用传统的手工设计方法，这种方法存在效率低、耗时长、成本高等问题。
随着计算机软件的发展，先进设计软件(Advanced Design System, ADS)的使用，可以极大地提高VCO的设计过程的效率和精确度。
本文将使用ADS来设计一个压控振荡器，并介绍设计的步骤与方法。
1.设计规格：在进行VCO的设计之前，需要明确设计所需的规格和要求。
规格包括振荡频率范围、输出功率、频率调谐范围、相位噪声等。
以一个短波FM 调频收音机的压控振荡器为例，规格如下：-振荡频率范围：88MHz至108MHz-输出功率：10dBm-频率调谐范围：±30kHz2.基本设计步骤：a.选择合适的振荡电路拓扑在设计VCO时，需要选择适合应用的振荡电路拓扑。
常见的振荡电路拓扑包括Colpitts振荡器、Hartley振荡器、Clapp振荡器等。
选择适合的振荡电路拓扑可以满足设计规格并降低设计复杂度。
b.选择合适的振荡器元件和参数根据规格要求，选择合适的元件，如电容、电感和晶体管等。
同时，确定振荡器的参数，如电感值、电容值、稳压电源等。
这些参数的选择与规格要求和电路拓扑有关。
c.设计反馈网络振荡器的稳定性要求设计一个合适的反馈网络。
反馈网络可以提供适当的相移和放大来使振荡器产生振荡。
反馈电容和电感的选择要根据设计规格和稳定性要求进行。
d.电压控制和频率调谐电路设计VCO的特点是其输出频率可以通过调整输入电压来实现调谐。
设计电压控制和频率调谐电路，以实现规定的频率调谐范围和线性度。
3.ADS模拟仿真设计将以上设计步骤导入ADS软件中进行模拟仿真设计。
ADS提供了丰富的电路设计小工具和分析工具，可以进行电路拓扑优化、参数调整、稳定性分析、相位噪声分析等多种分析。
一、实验目的1. 理解压控振荡器（VCO）的基本原理和工作机制。
2. 掌握VCO的电路设计方法，包括选频网络、放大电路和反馈网络的设计。
3. 通过实验验证VCO的频率控制特性，分析其性能指标。
4. 熟悉Multisim仿真软件在电子电路设计中的应用。
二、实验原理压控振荡器是一种能够通过改变控制电压来调节振荡频率的电子电路。
它主要由放大电路、选频网络和反馈网络组成。
其中，放大电路负责将输入信号放大到足够的幅度，选频网络负责选择所需的振荡频率，反馈网络则将放大后的信号部分反馈到放大电路的输入端，以维持振荡。
三、实验仪器与材料1. Multisim仿真软件2. 实验电路板3. 万用表4. 信号发生器5. 示波器四、实验内容1. 电路设计：- 使用Multisim软件设计一个VCO电路，包括放大电路、选频网络和反馈网络。
- 放大电路选用运算放大器，选频网络采用LC振荡电路，反馈网络采用电容分压器。
2. 仿真实验：- 在Multisim中搭建VCO电路，并进行仿真实验。
- 调整电路参数，观察VCO的频率控制特性，分析其性能指标。
3. 实际实验：- 将VCO电路搭建在实验板上，进行实际实验。
- 使用信号发生器产生控制电压，观察VCO的频率变化。
- 使用示波器观察VCO的输出波形，分析其稳定性和失真情况。
五、实验结果与分析1. 仿真结果：- 通过仿真实验，验证了VCO电路的频率控制特性。
- 当控制电压变化时，VCO的振荡频率也随之变化，满足设计要求。
- 分析仿真结果，发现VCO的频率稳定性较好，但存在一定的失真。
2. 实际实验结果：- 实际实验中，VCO的频率变化与仿真结果基本一致。
- VCO的输出波形稳定，但存在一定的失真。
- 分析失真原因，可能是由于电路元件的非理想特性或实验过程中存在干扰。
六、实验结论1. 通过本次实验，掌握了压控振荡器的基本原理和电路设计方法。
2. 了解了VCO的频率控制特性，并分析了其性能指标。
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，ADS1 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进展，但在很长的一段时期内都是处在用分离元件组装而成的阶段，其性能较差，成本相对较高，体积较大和难以大批量生产。
随着通信领域的不断向前推进，终端产品越来越要求轻、薄、短、小，越来越要求低成本、高性能、大批量生产，这对于先前的分离元件组合模式将不再胜任，并提出新的要求和挑战。
集成电路各项技术的发展迎合了这些要求，特别是主流CMOS工艺提供以上要求的解决方案，单片集成振荡器的研制取得了极大的进步。
然而，由于工艺条件的限制，RF电路的设计多采用GaAs, Bipolar, BiCMOS工艺实现，难以和现在主流的标准CMOS工艺集成。
因此，优性能的标准的CMOS VCO设计成为近年来RF电路设计的热门课题。
射频电路需要在特定的载波频率点上建立稳定的谐波振荡，以便为调制和混频创造必要的条件，压控振荡器（VCO）作为收发系统常见的器件,它的性能指标主要包括:频率调谐范围，输出功率，(长期及短期)频率稳定度，相位噪声，频谱纯度，电调速度，推频系数，频率牵引等。
频率调谐范围是VCO的主要指标之一，与谐振器及电路的拓扑结构有关。
通常，调谐范围越大，谐振器的Q值越小，谐振器的Q值与振荡器的相位噪声有关，Q值越小，相位噪声性能越差。
振荡器的频率稳定度包括长期稳定度和短期稳定度，它们各自又分别包括幅度稳定度和相位稳定度。
长期相位稳定度和短期幅度稳定度在振荡器中通常不考虑;长期幅度稳定度主要受环境温度影响，短期相位稳定度主要指相位噪声。
在各种高性能、宽动态范围的频率变换中，相位噪声是一个主要限制因素。
在数字通信系统中，载波信号的相位噪声还要影响载波跟踪精度。
其它的指标中，振荡器的频谱纯度表示了输出中对谐波和杂波的抑制能力；推频系数表示了由于电源电压变化而引起的振荡频率的变化；频率牵引则表示了负载的变化对振荡频率的影响；电调速度表示了振荡频率随调谐电压变化快慢的能力。
在压控振荡器的各项指标中，频率调谐范围和输出功率是衡量振荡器的初级指标，其余各项指标依据具体应用背景不向而有所侧重。
例如，在作为频率合成器的一部分时，对VCO的要求，可概括为一下几方面:应满足较高的相位噪声要求；要有极快的调谐速度，频温特性和频漂性能要好；功率平坦度好；电磁兼容性好。
现在，国内外许多厂家都已生产出针对不同应用的VCO。
表1是具有代表性的国内十三所和Agilent公司生产的部分压控振荡器产品的部分指标：表1 VCO性能指标上述产品中，封装形式均为TO-8封装。
对于封装内的电路中一般使用的是晶体管管芯和变容二极管管芯，这样可减少管脚分布电感、电容的影响，减少对分布参数的考虑。
但是，制作此类封装需专门设备，制作工艺复杂，进入门槛高，产品价格较高。
频率较高时，这些参数对电路性能的影响非常显著。
需要在设计时仔细考虑，选择合适的电路形式，尽量降低电路对器件参数的敏感度。
另外，自前还用一种称为YIG(钇铁右榴石)的铁氧体器件作为谐振器的压控振荡器，谐振频率用外磁场调谐，调谐带宽可以很宽，因为YIG谐振器可以有很高的Q值，YIG振荡器的相位噪声性能很好。
但由于成本较高，且较难设计，所需电流大，调谐速度较变容二极管调谐的VCO慢。
近年来，随着通信电子领域的迅速发展，对电子设备的要求越来越高，尤其是对像振荡器等这种基础部件的要求更是如此。
但多年来我国在这方面的研究投入无论在军用还是民用上均不够重视，仅限于在引进和改进状态，还没有达到质的跨越，没有自主的知识产权(IP)，也是我国电子通信类滞后发达国家的一个重要原因。
而且我国多数仍然利用传统的双极工艺，致使产品在体积上、重量上、成本上都较大，各种参数性能不够优越，稳定性差、难以和现代主流CMOS工艺集成等等都是我国相关领域发展的瓶颈。
因此,我国在电子通信领域市场潜力非常大，自主研究高性能、高质量、低成本的压控振荡器市场前景广阔、意义巨大。
本论文使用ADS软件从器件选型到电路进行仿真，详细阐述了压控振荡器的设计步骤,对S波段1.8GHz下频率综合器对电感电容压控振荡器的要求，实现AT41411单片集成压控振荡器的设计与仿真,设计的具体指标是频率范围为1700～1900MHz,控制电压0～5V，供电电压12V。
2 振荡器的原理2.1 振荡器的功能、分类与参数振荡器是一种不需要外加输入信号就能够自激输出交变信号的电子装置,振荡器实际上是起一个能量转换的作用，它将直流能量转换成具有一定频率，一定幅度和一定波形的交流能量[1]。
凡是可以完成这一目的的装置都可以是振荡器.但是用电子管、晶体管等器件与L、C、R等元件组成的振荡器则完全取代了以往所有能产生震荡的方法，因为它有如下优点：（1）它将直流电能转变为交流电能，而本身静止不动，不需要做机械转动活移动。
如果用高频交流发电机，则其旋转速度必须很高，最高频率也只能到达50KHz。
（2）它产生的是“等幅振荡”，而火花发射机等产生的是“阻尼振荡”。
（3）使用方便，灵活性很大，它的功率可以自毫瓦级至几百千瓦，工作频率可以自极低频率至微波波段。
按照振荡器按工作原理，可以分为反馈振荡器和负阻振荡器。
按元器件主要分为RC振荡器，LC振荡器和晶体振荡器1．RC振荡器采用RC网络作为选频移相网络的振荡器统称为RC正弦振荡器,属音频振荡器。
2．LC振荡器采用LC振荡回路作为移相和选频网络的正反馈振荡器称为LC振荡器。
3晶体振荡器中石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。
其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（SPXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。
目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡（DCXO）微机补偿晶体振荡器（MCXO）等等。
晶体振荡器的应用有：1．通用晶体振荡器，用于各种电路中，产生振荡频率。
2．时钟脉冲用石英晶体谐振器，与其它元件配合产生标准脉冲信号，广泛用于数字电路中。
3．微处理器用石英晶体谐振器。
4．CTVVTR用石英晶体谐振器。
5．钟表用石英晶体振荡器。
晶体振荡器的技术指标1.总频差：在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大频差。
总频差包括频率温度稳定度、频率温度准确度、频率老化率、频率电源电压稳定度和频率负载稳定度共同造成的最大频差。
一般只在对短期频率稳定度关心，而对其他频率稳定度指标不严格要求的场合采用。
例如：精密制导雷达。
2. 频率温度稳定度：在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。
fT=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)fTref ＝±MAX[｜(fmax-fref)/fref｜,｜(fmin-fref)/fref｜]fT：频率温度稳定度(不带隐含基准温度)fTref：频率温度稳定度(带隐含基准温度)fmax ：规定温度范围内测得的最高频率fmin：规定温度范围内测得的最低频率fref：规定基准温度测得的频率说明：采用fTref指标的晶体振荡器其生产难度要高于采用fT指标的晶体振荡器,故fTref指标的晶体振荡器售价较高。
3. 频率稳定预热时间：以晶体振荡器稳定输出频率为基准，从加电到输出频率小于规定频率允差所需要的时间。
在多数应用中，晶体振荡器是长期加电的，然而在某些应用中晶体振荡器需频繁的开机和关机，这时频率稳定预热时间指标需要被考虑到（尤其是对于在苛刻环境中使用的军用通讯电台，当要求频率温度稳定度≤±0.3ppm(-45℃～85℃)，采用OCXO作为本振，频率稳定预热时间将不少于5分钟，而采用DTCXO只需要十几秒钟)。
4. 频率老化率：在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。
这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造成的，可用规定时限后的最大变化率（如±10ppb/天，加电72小时后），或规定的时限内最大的总频率变化（如：±1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年））来表示。
