一种LC正弦波振荡电路设计

摘要

本次的主要内容是一种LC正弦波振荡电路设计，在高频电子线路充分的讲述了正弦波振荡器在通信与电子领域的应用，在通信中手机的发送的核心部分就是正弦振荡电路，也是手机收机设备的主要部分，正弦波振荡器是电脑，app等家用电子的核心部件。

LC振荡电路种将噪声转换为可以被识别的波形，在LC正弦振荡电路选频网络的作用是将许多杂波，进行选择和滤掉后，再通过反馈网络反馈回输入端终振荡正弦电流的电路，它是指用Multisim将电阻电感晶体管放在电脑屏幕上仿真出与之对应的电路图，振荡网络通过选频网络、选频网络和反馈网络组成。正弦波振荡电路将直流电源提供的信号转换为按输入信号规律变化的交变能量的电路，反馈振荡器的原理与分析以及电容三点式电路参数的计算，它是利用了与它相关的电路作调试放大运行工作的，由于解决放大电路中，经常出现的自激振荡问题，难以准确的调谐问题，通过仿真软件Multisim最终仿真出正弦波。

该课题是研究其中一种振荡网络的特点，并利用其特性设计一个好的振荡电路。进行试验，得出该电路的特点，再根据具体情况设计电路。

1绪论

1.1概述

1.1.1正弦波振荡器的介绍

从发展无线电技术以来，他对社会，人类，农业产生了特别的影响。正弦波在通信及电子领域中被广泛的应用着。如，通信天线，电视天线，雷达无线，遥控电子设备等。这些设备之所以能有这样的功能重点在于正弦波振荡器，而对与正弦波振荡器的应用，最重要的就是振荡波形是否失真的可能性，为了能够准确的输出信号和幅度，我查阅出一些关于能不能清晰的反应震动的稳定性和幅度的电路依据。

整体上研究正弦波振荡器电路的意义使用，正弦波振荡器是被放大器放大后，对于选频网络选择适合的波形。反对输入信号主要是由放大器在电路中的作用的结果，才能将其的信号的放大，并将其输送到所选的选频网络，筛选出一些对它有用的波形。并且输出波形的相位和幅度是相同的，因为网络只能通过特别指定的频率通过，所以才会反馈出输入信号。

没有输入信号，便能产生输出信号的电路称为振荡电路。根据波形的振动器可划分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。正弦波振荡器是产生有规律的波形，如相位和幅度的不变的正弦波信号。由于每个选频电路使用的元器件的不同可分为LC，晶体和RC振荡器三类；

对于正弦波振荡器来说有很多种型号，从所用的元器件的不同和连接方式来看，分为LC振荡器、RC振荡器。正弦波振荡器起着交流信号源的作用。选择正弦振荡电路是时，主要考虑的因素有:①工作相位的稳定度；②输出幅度的稳定度；③驱动负载能力。

正弦波是电路技术、模拟电子和电子测量等领域中应用最广泛的波形之一。就是其中一种正弦波振荡。

1.2设计的要求和目的

1.2.1LC正弦波振荡器的研究意义

每一次的课程设计都是考验一个学生对电路知识掌握的熟悉情况，与知识点的灵活应用，再设计电路时首先要对每个元件的特性功能，作用，在电路中的作用要熟悉，掌握一些典型的电路会计算出频率，增益等，可以基本的进行绘制高频电子电路，基本应用技术；可以正确使用示波器，万用表等器材，并通过示波器进行电路的调试，出现正弦波形，强化与使用实验仪器进行电路的调试。深层次了解电子电路的工作过程。

毕业设计的意义在于，设计者要更加深知三点式振荡器的组成原则，常用的形式电路，识别改进型电路、画交流等效电路图及在实际应用范围；并且还要掌握实用振荡电路的制作过程，使用在我们日常生活中，每一个电路都需要选择与之相应的参数的并计算，电路的设计与调试，需要我们明确了各种类型电路的特点，真确利用它。

目的在与撰写毕业论文是使学生独立的进行科学研究和使用。使我了解设计电路的过程的意义，掌握收集资料、整理文章和利用材料等；通过眼睛观察、作样本分析等过程；如何使用图书馆检索文献材料；如何操作仪器等方法。撰写毕业论文是学习电路知识和巩固所学内容的机会，它是由学生与教师深度交流并传授的大量的实际使用情况。

1.3LC振荡电路简介

LC振荡电路，由电感L和电容C组成选频电路的一种振荡电路，电容三点式LC振荡电路，电感三点式LC振荡电路。由于LC正弦波振荡电路没有输入信号，因此为了有做够多的电磁使电路运行，必须提高振荡频率且使电路是开放的形式。

在接通电源的那一刻，由能量驱动经三极管将波形放大，将大量的频率一次送入LC选频回路中，阴气只通过谐振频率F0的波形，其余的将不被反馈回输入端。而线圈L1和L2产生了互感耦合电容，把信号反馈到晶体管基极放大信号从而产生波形。如果满足电路在工作时的平衡条件，电路将会稳定也就会是电路正常工作，而其他偏离F0的频率的信号由于不能通过在窄通道而被过滤掉。所以也就满足不了电路的正常工作状态，因为放大系数B的电流和L1与L2的匝数比可以使的电路工作在稳定的条件下，就能出现频率F0的振荡信号。

1.4软件仿真

1.4.1Multisim12简介

Multisim12这个仿真工具是由加拿大图像交互技术这个公司主推的一款软件。它在很多方面都能被应用到，例如在课堂上老师利用Multisim将电路图画好后直接进行仿真，能让我们更容易消化吸收所学的电路知识；而作为一个电子工程设计师如果他没有这样的工具，那么当他需要做一个实物，这样特别浪费时间和浪费材料，所以使用Multisim非常方便、实用。Multisim12可以将电路原理图呈现在大家面前，设置好原理图参数后，能又快又好的仿真出图像，然后可以准确的捕捉某一参数下的结果。其里边的电路器件非常齐全，能设计出各类电路图。

Multisim12提供了大量的常用的虚拟仪器。如果有了电路图那么就可以知道此电路的工作性能及仿真的效果图，那么就要有对应的仿真仪器。在实验室中我们所用到的测量仪表在这里边都能找到并且相关的操作是类似的，应用灵活。

2LC振荡电路的设计要求及工作原理

2.1LC振荡电路的设计要求

要完成一个个设计：设计制作一个小功率（Po＜20.0mw）频率高于100.0MHz的无线发射器；设计制作一个波型他的起振频率覆盖宽的LC振荡器，频率范围0.50-1.50MHz可调，输出幅度0-0.10V可调。

2.2LC振荡电路的工作原理

2.2.1振荡电路起振工作的建立过程

图1振荡电路起振工作状态的变化

对于一个振荡电路在它加入信号时候，与其的电路结构有关；它由放大器电路，反馈电路组成，所以信号将首先通过放大器将输入信号放大，由于这是第一次放大，信号中有许多的频率，会影响输出波形的稳定和平衡，因此该信号将通过滤波器将一些多余的频分量滤出，只留下一个信号，之后在将信号有反馈网络反馈回输入端口，就这样电路经过多次的放大，反馈，放大，反馈….的这样工作。在经过多次的运行，将电源切断，电路中的放大器网络的工作状态成稳定，为电路的增益将受到影响。这时候反馈电压的相位值等于输入电压的相位值，振荡幅度值将不再增大并趋于稳定，最终进入平衡的状态，就这样形成闭环回路的电路。

2.2.2反馈振荡器电路产生振荡波形的基本原理

反馈型振荡器的是正反馈联接方式实现幅正弦振荡的电路。电路由放大电路，负反馈网络组成。画出反馈振荡器构成方框图如图2所示，从图2中可以看出当开关S闭合在1的位置的时候，在电路的输入端将加入频率和幅度的正弦波信号，而这一波形将会以电流的形式进入放大器后，波形的振幅相位将会相应的增大，电流以正弦波的形式输出信号，因这是一个电路输出波形经反馈网络输入端，经过反馈网络将该信号输出的反馈信号与不仅大小相等相位也相同，最后完成了正反馈闭环电路。若此在电路达到稳定是除掉外加信号源，将开关由1端接到2端的开关上，就会使放大器与反馈网络构成一个闭环的电路系统，在没有外加电源是，输出端依然维持一定幅度的电压，输出端仍可维持一定幅度的电压值。

图2反馈振荡器构成框图

图2所示是一个反馈振荡器构成框图，有图可以看出这是一个闭环电路，再输入能量的时候就会在负阻电阻上输出正弦波形，经过反馈振荡器将其信号以电流的形式，将反馈回的信号形成和相同的振幅和相位相同，当只有选频网络频率的信号满足电路的稳定的条件下，就会输出电路振荡波形。由于他频率的信号不能满足和相同的条件，不产生振荡。 也可与选频网络相结合构成正弦振荡电路。

2.2.3LC正弦波振荡电路的起振条件和平衡条件

(1)起振条件

由于在研究电路的时候是理想的情况下，所在网络加入电源的时候才就可以产生输出波形；电路在运行的过程中电感在工作的时候会产生热量，且电容原本身就会有误差，热量是一种能量，这种能量将会成为电脉冲接通电源时振荡的，振荡的起振条件：

（2.1）

（2.2）

再接通电源是振荡开始，激励信号是由于电感工作时产生的能量，电感产生的热能量是很微弱的，它作为输入信号输入时经过放大器电路将其放大，因一次的放大是有限的，所以经过多次的放大，才能最终达到振荡电路的平衡。由于电路刚开始的输出电压的振幅是非常弱的，输出幅度在放大器的工作下就会增大，为了将电路的输出振幅增大满足电路的工作启动，就应该让反馈回来的电压一定要大于输入到放大器的信号值，即振荡开始时的时候为增幅振荡。

(2.3)

（2.4）

由可知，称为自激振荡的起振条件，可写为：

（2.5）

（2.6）

(2)平衡条件

当振荡电路工作在稳定的条件下，振荡电路的各个环节输出的电流的相位值就会很小的范围内变化，振荡电路的波形的振幅也将在一定的范围变化，波形在经过放大电路的放大后，波形的振幅达到平衡，就可以振幅平衡来确定振荡电路的输出信号的幅值。

振荡器的平衡条件即为可以表示为:

（2.7）

（2.8）

电路的波形在没有失真的情况下，其波形是一个完美的正弦波时，也就是这个正弦波的相位不在随着不定因素的变化而变化,并且正弦波输出幅度将达到稳定的状态：振幅平衡条件决定了输出信号振幅值固定不变；因为在实际电路中存在损耗，而能量不可再生。

（3）稳定条件

①振幅稳定条件

在电路中有振荡器网络具有稳定波形的作用，输出波形的失真很微小，当振幅趋于稳定状态时电路的整体可以正常工作。当正弦振荡电路达到平衡，由于个别不确定因素进入电路使得振幅突然增大，需来减小振幅。

②相位稳定条件

因为瞬时角频率和瞬时相位互为倒数的情况下,所以设定振荡器的相频特性在振荡频率点，变化将引起瞬时角频率的不稳定。总得来说,在平衡点附近,当进入稳定因素让瞬时角频率增大的时候,相频特性也产生一个相位相同的波形,促使它使瞬时角频率减小。

2.3振荡器频率性能的要求

再设计电路中，我们一般会进行对电路的振荡频率特性进行研究，我们以频率准确度来衡量，且频率稳定度来确定电路波形的稳定。

在普通的电路中会影响电路的稳定度的原因有好多种：计算值和理论值之间有差距，有读数误差，仪器自身误差，系统误差等等，电容自身性能以及负载阻抗由于温度的的变化等。

频率准确度，是指振荡器实际工作频率与标称频率之间的偏差，分为绝对频率准确度和，对频率准确度。

通常有：

绝度频率准确度：（2.9）

相对频率稳定度：（2.10）

通常电路的平衡是由相对频率稳定度来判定的。又简称频率稳定度，符号用表示。即

（2.11）

在准确度和稳定度这两个指标，稳定度是最能体现电路的的状态稳定。

3LC正弦波电容三点式振荡电路设计

3.1三点式LC振荡电路的简介

三点式振荡器是一种振荡器由LC回路的和晶体管的连接。三点式振荡器电路用电容三点式代替互感耦合, 能克服振荡器振荡频率低的缺点, 是一种广泛应用的正弦振荡电路。

三点式振荡器有电容三点式振荡器和电感三点式振荡器两种基本类型。如图3，图4所示。

三点式电路的分析是将正弦点了中的损耗忽略掉，就可以更好的分析电路的性能，例如在分析电路时可忽略三极管的输入和输出阻抗，则当回路谐振及时，谐振回路的总阻抗,回路呈纯电阻性。由于放大器的输出电压与其输入电压反相，即,而反馈电压又是在和支路中分配在上的电压，即

（3.1）

满足相位平衡条件可以保持电路可以正常工作，要求，即与反相，由上式可见，与是同性质电抗，而应为异性质电抗。这时振荡器的振荡频率利用谐振回路的谐振频率来计算。

图3电容三点式图4电感三点式

图5三点式振荡器基本结构

再任何的电路中都不可能到理想状态而对于回路损耗的影响就必须考虑在内。他们的不同之处仅在于和不再反相，而是给在上附加上相移。相位平衡条件在满足了，对相移也应在上数值相等，符号反相的相移。在这时候谐振回路对振荡频率必须是失真的。也就是振荡器的振荡频率不等于回路的谐振频率，相位有一定的偏离。

三点式振荡器构成的一般原则有：

（1）晶体发射极的两个电抗元件和的性能相同不与发射极相接的电抗元件的电抗性质不同。

（2）振荡器的振荡频率的估算方法是利用关系式。

3.2LC正弦波三点式振荡电路的分类及其特点

电感三点式振荡电路是指原边电阻的并联与晶体管的射级。

其特点是：

1.容易起振。

2.电感三点式调节频率较简单。使用可变电容是为了的频率调节范围变宽，晶体管工作频率高产生失真现象。一般用于产生10来赫兹以下的正弦波。频率稳定度不可以太高。

3.输出波形较差。

电容三点式振荡电路是指两个电容的并联与晶体管的的射级上。又称为电容反馈式振荡电路或科皮兹式振荡电路。其特点是：

1.电容三点式的输出波形比普通三点式输出的波形好。

2.于普通振荡器来说其振荡频率较高，其电路的频率稳定度也比普通三点式较高。

3.3LC正弦波电容式三点式振荡电路的改进

3.3.1LC正弦波电容三点式振荡电路

在反馈电压中高次谐波很小，因而输出波形类似正弦波。如果用该变电路的方法来调整振荡频率，就会改变电容三点式反馈系数，回路电容的取值有关与反馈电压相关联，从而影响起振条件。

图6是一个实际应用电路。图中、、、、为电阻和旁路电容或直流电容与互感耦合振荡器是相同的，数据是决定电路起振初期的静态工作点U；

而图7是其高频等效电路，图7中忽略了大电阻的作用，与图6相比，就会满足三点式振荡器的相位平衡条件。

图6电容三点式振荡器原理图

图7电容三点式振荡器交流通路

由图7可见：晶体管与两个大小相同型号相同，材质相同的容抗元件C2和C1连接，在连接一个不同性质的电抗元件L，通过这些条件作为平衡条件的依据，就可知道电路满足相位平衡条件。

在振荡电路加入信号的时候，由于电路中的电流加大且其能量有明显升高，产生脉冲信号，电源中不可能只有一种脉冲信号，所以通过振荡器中具有选频率作用的选频网络，LC谐振回路有固有频率，会与输入相等可能，之后电路产生谐振波形实现信号的传输。在最初时信号很微小，通过电路放大的放大，再由正反馈电路反馈回到输入端，就这样其不断升高。晶体管有两个特殊的区域的且它们都有最佳电压，电压的大小将会导致晶体管工作状态是进入非线性区域，产生一个电压，使放大器的放大能力降低，最后达到一种稳定，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。总的来说，反馈输入电容，输出取自。该正弦振荡器的振荡频率为：

(3.2)

反馈系数F为：(3.3)

3.3.2电容三点式振荡电路小信号模型分析

如图8所示因为电容在交流电路中时是没有阻值的，起可以有很大的电流流过，而其损耗是非常小的，电感在交流电路中是其阻值是十分大的，以至于电流很难通过，电压也较大。所以流过电阻的交流电流微弱，不影响整体电路，所以高频微变等效电路如图8所示。

图8高频微变等效电路

电容三点式反馈系数；电容三点式回路总电容；电容三点式回路的谐振频率，可以近似的把回路的谐振频率是电路的振荡频率。

4电容三点式振荡电路仿真

4.1电容三点式参数

三点式电容振荡器是一种无需电源的振荡器。它利用串联电容和电感回路及正反馈放大器放大信号。

三点式电容振荡器的电路原理图如图9所示。

图9电容三点式振荡电路

由振荡器谐振频率计算公式：

(4.1)

根据设计指标，f=6000kHz分配的电容到电感。

为了是电路可以维持在起振，放大器的闭环环路增益等于1，即，

在谐振频率上振荡器的反馈系数为：

(4.2)

维持振荡所需的电压增益是：

(4.3)

电容三点式振荡器谐振频率为:

(4.4)

在实验中测量周期T来确定谐振频率，即

(4.5)放大器的电压增益是测量峰值输出电压；入电压来确定，即

(4.6)

所以，可以得出:

(4.7)

当知道输入数值时由公式4.7可以得

4.2设计要求

震荡频率500KHz；输出信号有效值3V，电源电压12V负载电阻3K

电容三点式振荡器接通电源的一瞬间，三级晶体管会产生一个从零快速上升为某一数值的电流阶跃，该电流阶跃有多种信号，这时候选频网络就会选出满足正反馈的频率，在经过正反馈建立信号。

电路设计如图：偏置电阻参数

基集偏置电阻：R2=33k，R3=12K

射集反馈电阻：R4=1.62k

电源电压12V

隔直电容：10nF旁路电容：510nF

三点震荡电路：C2=10NF,C3=30NF.L1=12UH

负载电阻：3k

图10电容三点式改进电路(该图重新截)

1）静态工作电流的确定

仿真电路的参数选择的影响着晶体管的静态工作点，工作的稳定性，波形的质量，等等。为此谨慎的选择一个工作点的重要性。为了满足电路达到平衡选择小功率振荡器的Q点是最好的，因为其远离饱和区而非线性的地方工作。所以我选择了电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间的值，故本实验电路中：

选ICQ=2.2mAVCEQ=1.3Vβ=100

则有

为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1.62KΩ则Rc＝4.5KΩ

因：UEQ=ICQ·RE则：UEQ=2.2mA×1.62K=3.564V

因：IBQ=ICQ/β则：IBQ=2.2mA/100=0.022mA

一般取流过Rb2的电流为5-10IBQ,若取10IBQ

因：则：取标称电阻12.0KΏ。

因：：

故Rb1取28.5K

调整振荡管静态集电极电流Rb1是由27.0KΏ电阻构成。

4.3仿真

在使用Mutisium画完成LC正弦电容三点式振荡电路图后，运用mutisium软件对电容三点式振荡电路进行仿真，将会看到波形，然后对其产生的波形进行分析，看是否与预期结果相同。振荡器波形图如图11所示。

图11电容三点式振荡器仿真结果

仿真结果图：该电路的振荡频率为500.0KHz，输出电压有效值为3.0V

4.4总结：

对于本次的毕业设计，我对于电容三点式的电路是特别的了解一些基本的电路内容和基本电路理论知识。再设计电路时需要算出电路元件的数值，最终点入电路中，最终仿真出正弦波。

电容三点式电路使输出输入的电压相位相同，电流幅值相同，仿真后系统的的数值不断增大，使系统的波形振荡起来，然后在放大器放大控制作用来维持振荡电路所消耗的。

在这次设计中，误差是从在的，对于计算值与理论值之间是有一定的误差；电阻和电容本身就存在误差，而且正弦振荡器存在系统误差，这是无法避免的。

参考文献

［1］罗伟雄.通信电路与系统第2版.北京理工大学出版.2007年。

［2］胡宴如、耿苏燕.高频电子线路.高等教育出版社.2006年。

［3］林涛、林薇.模拟电子技术基础.清华大学出版社.2010.11。

［4］张剑平.模拟电子技术教程.清华大学出版社.2011.3。

[5]谢自美.电子线路设计·实验·测试.华中科技大学出版社2011.4

[6]杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计.哈尔滨工程大学出版社2010.5

[7]何中庸译.高频电路设计与制作.科学出版社2013.6

[8]谢沅清.模拟电子线路.成都电子科大出版社2011.2

[9]李小珉徐炎义解锋.电气电子教学报.海军工程电子大学.2010.05

[10]Susan,K.;Allison,J.P.;Fox,R.H.;SimonP.B.PhysicalReviewB2005,

[11]Munir,S.;Skaf,B.M.;Ladanyi.J.Phys.Chem.1996

[12]Finney,J.;Soper,A.Phys.ReV.Lett.1993