电容反馈三点式振荡器电路设计

电子技术课程设计报告

题 目： 基于Multisim的电容反馈三点式

振荡器电路的设计与仿真

学生姓名： 陈颍帝 学生学号： 1214030203 年 级： 2012级 专 业： 通信工程 班 级： 2012(2) 指导教师： 张水锋

电子工程学院制 2015年5月

基于Multisim的电容反馈三点式

振荡器电路的设计与仿真

学生：陈颍帝 指导老师：张水锋

电子工程学院通信工程专业

1电容反馈三点式振荡器电路设计的任务与要求

1.1 电容反馈三点式振荡器电路设计的任务

(1) 理解LC三点式振荡器的工作原理，掌握其振荡性能的测量方法。 (2) 理解振荡回路Q值对频率稳定度的影响。

(3) 理解晶体管工作状态、反馈深度、负载变化对振荡幅度与波形的影响。 (4) 了解LC电容反馈三点式振荡器的设计方法。 1.2 电容反馈三点式振荡器电路设计的要求

(1) 原理图设计要符合项目的工作原理，连线要正确，端了要不得有标号。 (2) 图中所使用的元器件要合理选用，电阻，电容等器件的参数要正确标明。 (3) 简要说明设计目的，原理图中所使用的元器件功能及在图中的作用，各器件的工作过程及顺序。

2 电容反馈三点式振荡器电路设计的方案制定

2.1 电容反馈三点式振荡器电路设计的原理 三点式振荡器的交流等效电路如图1所示。

图1 三点式振荡器交流等效电路

图中Xcs、Xbe、Xcb为谐振回路的三个电抗。根据相位平衡条件可知，Xcs、Xbs

必须为同性电抗，Xcb与Xcs、Xbs相比必须为异性电抗，且三者之间满足下列关系：

Xcb=-(Xcs+Xbs),这就是三点式振荡器相位平衡条件的判断准则。若Xcs、Xbs呈容性,Xcb呈感性，则振荡器为电容反馈三点式振荡器；若Xcs、Xbs呈感性，Xcb呈容性，则为电感反馈三点式振荡器。下面以图2“考毕兹”电容三点式振荡器为例分析其原理。

图2 “考毕兹”电容三点式振荡器电路

图2中L和C1、C2组成振荡回路，反馈电压取自电容C2的两端，Cb和Cc为高频旁路电容，Lc为高频扼流圈，对直流可视为短路，对交流可视为开路。显然，该振荡器的交流通路满足相位平衡条件。若要它产生正弦波，还必须满足振幅条件和起振条件，即：Auo*Fuo>1。式中Auo为电路刚起振时，振荡管工作状态为小信号时的电压增益；Fuo为反馈系数，只要求出二者的值，便可知道电路有关参数与它的关系。为此，我们画出Y参数等效电路。若忽略晶体管的内反馈，即Yrε=0。C1’=C1+Coε, C2’=C2+Ciε,giε’=giε+Gb,go为LC并联谐振回路折合到晶体管ce端的等效谐振电导，即go’=P1^2go，P1=(C1’+C2’)/C2’。可求出小信号工作状态时电压增益Auo’和反馈系数Fuo’分别为Auo=Uo/Ui=|Yfε|/g。式中，|Yfε|≈gm=Ie(mA)/26(mV)， g=goε+go+P2^2

giε‘，P2=C1’/C2’。若忽略各个g的影响，电路的反馈系数为

Fuo=Uf/Uo=C1’/C2’=P2。可得起振条件为AuoFuo=(|Yfε|/g)*(C1’/C2’)>1，故有|Yfε|>C2’/C1’g，上式即为振荡器起振的振幅条件。为了进一步说明起振的一些关系，可将上式变换为|Yfε|>(1/F)*g=

(1/F)*(goε+go+P2^2giε)=(1/F)*(goε+go)+Fgiε第一项表示输出电导和负载电导(这里未考虑负载电导)对振荡的影响，F越大，越容易起振。第二项表示输入电导对振荡的影响，g’iε和F越大，越不容易起振。可见，考虑到晶体管输入电导对回路的加载作用时，反馈系数F并不是越大越容易起振在晶体管参数giε、goε、Yfε一定的情况下，可以改变Rb1，Rb2和负载电导gl及F来保证起振。F一般取0.1~0.5。

对于一个振荡器，在其负载阻抗及反馈系数F已经确定的情况下，静态工作点的位置对振荡器的起振以及稳定平衡状态（振幅大小，波形好坏）有着直接的影响。工作点偏高，振荡管工作范围易进入饱和区，输出阻抗的降低将会使振荡波形严重失真，严重时甚至使振荡器停振；工作点偏低，避免了晶体管工作范围进入饱和区，对于小功率振荡器，一般都取在靠近截止区，但不能取得太低，否则不易起振。

实际的振荡电路在Fuo确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值，静态电流越大，输出幅度越大。但是如果静态电流取得太大，不仅会出现波形失真现象，而且由于晶体管的输入电阻变小同样会使振荡幅度变小。实际中静态电流值一般取0.5mA～1mA。

频率稳定度是振荡器的一项重要技术指标，它表示在规定的时间间隔内和规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频率的相对变化量。振荡频率的相对变化量越小，振荡器的频率稳定度越高。

要改善振荡频率稳定度，必须减小振荡频率随温度、负载、电源等外界因素影响的程度。振荡器的电路结构和振荡回路是决定振荡频率稳定度的主要因素，因此，改善振荡频率稳定度的主要措施一是改善电路结构，减小电路分布参数对频率稳定度的影响；二是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率稳定的能力，即提高振荡回路的标准性。

提高振荡回路标准性的方法除了采用稳定性好和高Q值的回路电容和电感外，还可以采用与正温度系数电感作相反变化的具有负温度系数的电容，以实现温度补偿作用；或采用部分接入法以减小不稳定的晶体管极间电容和分布电容对振荡频率稳定度

的影响。

2N2222三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。

但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。IC 的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数β（β=ΔIC/ΔIB, Δ表示变化量。），三极管的放大倍数β一般在几十到几百倍。三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，即要先建立合适的静态工作点，也叫建立偏置，否则会放大失真。

在实验中为了减小晶体管极间电容的影响可采用改进型电容三点式振荡电路，即在谐振回路电感支路中增加一个电容C6,其直比较小，要求C6<总

=1/C4+1/C5+1/C6≈1/C6,即C

总

≈C6因此振荡频率f0近似为：

f0=1/2π（LC总）1/2≈1/2π（LC6）1/2经过这样的改变之后，C4，C5对振荡频率的影响显著减小，与 C4，C5并联相接的晶体管极间电容影响也减小了。但由于谐振回路接入C6，晶体管等小负载会减小、放大器放大倍数减小、振荡器输出幅度减小，若C6过小，振荡器会因不满足起振条件而停止振荡。因此，在添加C6的时候一定要选择合适的值，不能为了减小晶体管极间电容的影响而使振荡器不再振动。

2.2 电容反馈三点式振荡器电路设计的技术方案

图3 电容反馈三点式振荡器电路的系统框图

滤波网络:滤除电源中的交流成分是外加电源中只含有直流成分，因为振荡器所要求的加在电路上的电能是直流电能，而实际电源很难达到纯粹的直流，所以需要加这样一个电路将其中可能的交流成分滤除。

放大网络：放大网络就是通过加在基极的直流电压来控制集电极的电压输出。放大网络对于靠近谐振频率的信号，有较大的增益，对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降。

选频网络：由电感及电容组成的选频网络分为两类，一类是串联谐振回路，另一类是并联谐振回路，回路谐振时，电感线圈中的磁能与电能中的磁能周期性的转换着。电抗元件不消耗外交电动势能量。外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路中的等幅振荡。所以在串联谐振时，回路中电流达到最大值，并联谐振中，负载电压达到最大值。

正反馈网络：反馈，指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程，即将输出量通过恰当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。正反馈使输出起到与输入相似的作用，使统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。正反馈网络是电感反馈三点式振荡网络中比较重要的一个环节。 3 电容反馈三点式振荡器电路设计的方案实施

3.1交流电路仿真电路图

图4 交流电路图

3.2电容反馈三点式振荡器电路的整体电路图

图5 电容反馈三点式振荡器电路的整体电路图

3.3 元器件清单

图6 虚拟元件清单

4 电容反馈三点式振荡器电路设计的仿真实现

4.1 Multisim仿真软件介绍

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。

4.2电容反馈三点式振荡器电路设计的仿真

图7 仿真结果示波器显示图

仿真结果如图上图所示，在本次仿真的过程中，开始时我将C5的电容值调得过大，并且由于没有接好电容C4，而使结果不能出波形。随后纠正了错误才得到上边的图形。

在设计过程中，我不会对波形调试，由于显示的波形太小并且把x轴的比例调的太大，导致没有发现图形。随后通过翻阅multisim的一些资料，才知道自己的失误，于是对电路重新进行了调试才得到满意的结果。 5 总结及心得体会

对于电路的设计过程我以为电容三点式振荡器的设计很难，设计比较烦琐，有静态工作点的要求，各电阻、电容值的设计，还有好多要求，看起来十分复杂。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，一切都会变得简单。同样，在这次课程设计中也遇到了不少问题，集中体现在Multisim软件的应用并不熟练，以前从来没有接触过Multisim软件，只用过类似的仿真软件。通过用网络的查询以及自行寻找汉化包并使用，让软件变得更好理解和看懂，了解元件的分类也很重要。在仿真电路时经常出现不能仿真仿真或者无法出现正弦波等问题，运用软件自带的辅助和合理更改电容电阻值确定电路可以产生震

荡从而可以合理解决所遇到的问题。而且word运用较不熟练，尤其是编辑公式时，操作不灵便，特殊字符和下标很难编辑，编辑好的文档没有及时保存，以至于从头再来，浪费了很多时间。但吃一堑长一智，现在遇到这些问题，及时解决，以后再做这类事情就会多一点经验，就会少出一些类似问题。

经过这次课程设计，让我对前面的路有了更多的信心，因为在这个过程中，我学到了不少实用的东西，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。虽然这次课程设计中我对电路进行了仿真，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。本次课程设计没有要求制作电路板并且对其进行调试，但我相信要是调试的话也一定回去的满意的效果。

我们在学习理论知识的同时还要努力培养自己的动手操作能力，对于通信工程的我们更是如此，通过这次课程设计我也看到了自己的差距，今后会努力提高自己的动手操作能力，以求真正领会通信专业里边的各种知识，为将来的工作打下良好的基础。在本次课程设计中，我从各方面的设计和构思中学到了许多知识，了解到理论和实践结合的难度。在本学期学习高频这门课程时，芯片的使用只是很局限的运用。在课程设计中我发现很多芯片，元器件，电路都有很奇妙的作用。它们以前的作用只是一个最基本的运用，更多的运用会出现在各个实际电路中。

课程设计不仅仅是一项任务，而且是一项使命，我们必须靠自己的能力拿出解决问题的方法。只有认真，灵活，严谨才能较好的完成整个设计，整个电路。这次课程设计使我得到了多方面的锻炼，无论从毅力，能力，还是定力都得到了大大的提高。 6 参考文献

[1] 于洪珍.通信电子电路 [M].北京:清华大学出版社.2005. [2] 沈伟慈.高频电路 [M].西安:西安电子科技大学出版社.2000.

[3] 谢自美.电子线路设计·实验·测试 [M].武汉：华中科技大学出版社，2006 [4] 高吉祥.高频电子线路 [M].北京:电子工业出版社.2003.

[5] 贾更薪.电子技术基础实验、设计与仿真 [M].郑州：郑州大学出版社.2006. [6] 姚福安.电子电路设计与实践 [M].山东:科学技术出版社.2003. [7] 姜威.实用电子系统设计基础 [M].北京:北京理工大学出版社.2008. [8] 王松武.电子创新与实践 [M].国防工业出版社.2005.

指导教师评语 指导教师签字： 成绩（60%） 年 月 日 答辩过程及评价

答辩小组签字： 成绩（40%） 年 月 日 院综合意见 分管院长签字（盖章）： 综合成绩 年 月 日

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