LC振荡电路

课程设计
课设题目： LC 振荡器设计
专 业： 电子与信息工程 班 级： 姓 名： 学 号：
指导老师： 成 绩：
电子与信息工程学院
线路 高频 课程设计报告
目录
摘要 (1)
Abstract (1)
引言 (1)
一、设计任务与要求 (2)
二、整体设计方案 (2)
2.1.起振条件与平衡条件 (2)
2.2电感反馈三点式振荡器 (3)
2.3电容反馈三点式振荡器 (4)
2.4两种改进型反馈振荡电路 (5)
三、设计内容 (7)
3.1.1LC振荡器的基本工作原理 (7)
3.1.2西勒振荡器的原理 (7)
3.2静态工作点设置 (8)
3.3 进行仿真 (8)
四、总结 (9)
4.1设计的功能与应用 (9)
4.2设计的不足 (9)
五、主要参考文献 (9)
六、附录1 (10)
摘要
振荡器是一种不需要外加激励、电路本身能自动地将直流能量转换为具有某种波形的交流能量的装置。

种类很多，使用范围也不相同，但是它们的基本原理都是相同的，即满足起振、平衡和稳定条件。

通过对电感三点式振荡器（哈脱莱振荡器）、电容三点式振荡器（考毕兹振荡器）以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路和西勒电路）的分析，根据课设要求频率稳定度10-4,西勒电路具有频率稳定性高，振幅稳定，频率调节方便，适合做波段振荡器等优点,因此选择西勒电路进行设计。

继而通过Multisim设计电路与仿真。

关键词：振荡器；西勒电路；Multisim
Abstract
The oscillator is a kind of don't need to motivate, circuit itself automatically device for DC energy into a waveform AC energy applied. Many different types of oscillators, using range is not the same, but the basic principles are the same, to meet the vibration, the equilibrium and stability conditions. Based on the inductance of the three point type oscillator ( Hartley), three point capacitance oscillator ( Colpitts) and improved capacitor feedback oscillator (Clapp and Seiler) analysis, according to class requirements, Seiler circuit with high frequency stability, amplitude stability frequency regulation, convenient, suitable for the band oscillator etc., so the final choice of Seiler circuit design. Then through the Multisim circuit design and simulation.
Key Words：Oscillator; Seiler; Multisim
引言
在信息飞速发展的时代，对信息的获取、传输与处理的方法越来越受到人们的重视。

如何高效快捷且没有失真传递信息成为关注的热点。

通过对高频电子线路课程的学习，了解到高频信号发生器主要用来向各种电子设备和电路提供高频能量或者高频标准信号，以便测试各种电子设备和电路的电气特性。

一般采用 LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。

高频信号发生器主要是产生高频正弦振荡波，故电路主要是由高频振荡电路构成。

振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。

为此，振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路。

振荡器主要分为晶体振荡器和LC振荡器，本次课设采用LC振荡器。

LC振荡器中的基本电路就是通常所说的三点式振荡器，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。

其中三点式又分为两种基本电路。

根据反馈网络由电容还是电感完成的分为电容反馈振荡器和电感反馈振荡器。

同时为了提高振荡器的稳定度，通过对电容三点式振荡器的改进可以得到克拉泼振荡器和西勒振荡器两种改进型的电容反馈振荡器。

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。

通过对各电路的比较，以及根据课设要求频率稳定度10-4等综合考虑，最终选择西勒振荡器，并完成相关的技术指标。

LC振荡器的设计
一、设计任务与要求
通过LC正弦波振荡器的设计进一步巩固高频电子线路的相关知识，并在设计制作的过程中运用并熟悉multisim10电子仿真软件，在实践的过程中培养我们发现问题，并利用所学知识或利用一切可以利用的资源解决问题的能力，掌握振荡器的工作原理知识，设计一个LC正弦波振荡器，要求该电路输出稳定的正弦波信号，输出频率为5MHZ。

二、整体设计方案
通过对高频电子线路相关知识的学习，我们知道LC正弦波振荡器主要有电感反馈式三端振荡器、电容反馈式三端振荡器以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路和西勒电路）等。

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。

由所学知识可知，西勒电路具有该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，频率调节方便，适合做波段振荡器等优点。

所以在本设计中拟采用并联改进型的西勒电路振荡器。

2.1起振条件与平衡条件
（1）起振条件
利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡, 这就是反馈振荡器的基本原理。

反馈振荡器是由主网络和反馈网络组成的一个闭合环路。

其主网络一般由放大器和选频网络组成, 反馈网络一般由无源器件组成。

1
1-1反馈式振荡器组成框图+ V0 -
—Vf +
放大器
A
反馈网络
F
当振荡器接通电源后，即开始有瞬变电流产生。

这瞬变电流所包含的频带极宽，但由于谐振回路的选择性，它只选出了本身谐振频率的信号。

由于正反馈作用，谐振信号越来越强，但它不可能无限制的增长，而是达到一定的数值后，便自动稳定下来，即形成稳定的振荡。

（2）平衡条件
当反馈信号等于放大器的输入信号时，振荡电路的输出电压不再发生变化，电路达到平衡状态。

振荡的平衡条件包括振幅平衡条件和相位平衡条件
初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率ω0的信号应该被保留，成为等
幅振荡输出信号。

然而，一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不能
形成一定幅度的输出信号。

因此，起振阶段要求
起振条件 π2)()(0f 0a n =+ωϕωϕ
2.2 电感反馈三点式振荡器
电感三点式振荡器（哈特莱振荡器），其原理电路如图所示
o f i o U U F U U A ==,i o f U A F U F U ==1)](exp[||=+=f
a i F A F A ϕϕ 1||=F A π
ϕϕ2n =+f a 1
)()(00>⋅ωωF A
振荡频率： ()M L L C LC f 2π21
π21
≈21++≈
电感反馈振荡电路的优点是：由于1L 和2L 之间有互感存在，所以容易起振。

其次是改变回路电容来调整频率时，基本上不影响电路的反馈系数，比较方便。

这种电路的主要缺点是：与电容反馈振荡电路相比，其振荡波形不够好。

这是因为反馈支路为感性支路，对高次谐波呈现高阻抗，故对于LC 回路中的高次谐波反馈较强，波形失真较大。

其次是当工作频率较高时，由于1L 和2L 上的分布电容和晶体管的极间电容均并联于1L 与2L 两端，这样，反馈系数F 随频率变化而变化。

工作频率愈高，分布参数的影响也愈严重，甚至可能使F 减小到满足不了起振条件。

因此，这种电路尽管它的工作频率也能达到甚高频波段，但是在甚高频波段里，优先选择的还是电容反馈振荡器。

2.3电容反馈式三点式振荡器
电容三点式振荡器（考毕兹振荡器），其原理电路如图：
振荡频率的近似为
212
12121C C C C LC f +≈≈ππ
与电感三端振荡电路相比，电容三端振荡器的优点是输出波形较好，这是因为集电极和基极电流可通过对谐波为低阻抗的电容支路回到发射极，所以高次谐波的反馈减弱，输出的谐波分量减少，波形更加接近于正弦波。

其次，该电路中的不稳定电容（分布电容、器件的结电容等）都是与该电路并联的，因此适当的加大回路电容量，就可以减弱不稳定因素对振荡器的影响，从而提高了频率稳定度。

最后，当工作频率较高时，甚至可以只利用器件的输入和输出电容作为回路电容。

因而本电路适用于较高的工作频率。

这种电路的缺点是:调1C 或2C 来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。

但只要在L 两端并上一个可变电容器，并令1C 与2C 为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。

2.4两种改进型反馈振荡电路
克拉波电路振荡器
克拉泼电路时一种高稳定度的LC 振荡电路，电路图如下：
它的特点是在前述的电容三点式振荡谐振回路电感支路中增加了一个电容C3，其取值比较小，要求C3<< C1，C3<< C2。

先不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量C Σ为C1、C2 和C3的串联，即
43
21Σ≈1111C C C C C ++=
于是，振荡频率为
4
Σ0π21≈π21≈LC LC f 使上式成立的条件是C1和C2都要选得比较大，由此可见，C1、C2对振荡频率的影响显著减小，那么与C1、C2并接的晶体管极间电容的影响也就很小了，提高了振荡频率的稳定度。

西勒电路振荡器
西勒电路是在克拉泼电路的L 两端并联上一个电容得到的，有效的改善了克拉泼电路可调范围小的缺点，电路图如图所示：
433
214Σ≈1111C C C C C C C ++++= 所以振荡频率 ()
43Σ0π21≈π21≈C C L LC f + 该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，频率调节方便，适合做波段振荡器。

通过对以上的几种电路的分析，可以看出：
1. 电感反馈式三端振荡器：容易起振，调频方便，但波形失真较大；
2. 电容反馈式三端振荡器：波形好，频率稳定性好，但调频不方便；
3. 克拉泼振荡器：调频方便但可调范围小；
4. 西勒振荡器：频率稳定性高，振幅稳定，调频方便。

根据课题要求选用西勒振荡器电路完成本次课设。

三、设计内容
3.1.1LC 振荡的基本工作原理
在无需外加激励信号的情况下,将直流电源的能量转换成按特定频率变化的交流信号能量的电路,称为振荡器或振荡电路.
振荡器与放大器都是能量转换装置,它们都是把直流电源的能量转换为交流能量输出,但是,放大器需要外加激励,即必须有信号输入,而振荡器不需要外加激励.因此,振荡产生的信号是自激信号,常称为自激振荡器
3.1.2振荡原理
西勒电路是一种改进型的电容反馈振荡器，是在克拉泼电路上改进的来的，电路原理图如下所示：
振荡回路的总电容为：
433
214Σ≈1111C C C C C C C ++++= 所以可以得到振荡频率为： ()
43Σ0π21≈π21≈C C L LC f + 此时，4C 为粗调，3C 为细调，电路调频方便而且调频范围大。

3.2静态工作点的设置
合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。

－般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。

根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流I CQ 大约在0.8-4mA 之间选取，故本实验电路中： 选I CQ =3mA ， V CEQ =7.5V ，β=60 CQ
CEQ
CC c I U U R -=
+e R =2.5k Ω 取R C =1.5k Ω 则Re=1k Ω
mA I I CQ BQ 20
1==
β V U BEQ 7.0= V U BQ 7.3=
由
1
2
b BQ
CC BQ b BQ R U U I R U -+
=
令KΩ=7.31b R ，则KΩ=122b R 令H L μ10=，由∑
=
LC f π210，43C C C +=∑，并且=0f 5MH z ，
得F C C C P =+=∑3.10143 取3C =50pF 则pF C 3.514=
因要满足C 1,C 2>>C 3,C 4 ;C 1/C 2=1/8~1/2 取C 1=200PF,C 2=510PF 通过计算可得
40
010044.15
000522
.5-⨯==
-f f f ，满足设计要求。

3.3进行仿真
西勒电路振荡器的电路图，是Multisim 软件画出的，可以对其进行仿真：经过仿真后能清晰的分辨出图形，能更好的理解所学的内容，图像见附录1.
四、结论：
4.1 设计的功能
通过本次课程设计，我设计的西勒电路能够满足题目要求的工作频率5MH z ，频率稳定度10-4，电源电压15V，波形质量较好，并且有适当的输出功率。

并且振荡电路能够满足起振条件、平衡条件和稳定条件。

由于西勒电路有比较好的稳定性，振荡频率可以较高，做可变频率振荡器时其频率覆盖范围宽，波段范围内幅度比较平稳，因此在短波、超短波通信机、电视接收机等高频设备中得到非常广泛的应用。

4.2 设计不足
西勒电路是采用LC元件作为选频网络，由于LC元件的标准性较差，谐振回路的Q值较低，空载Q值一般不超过300，有载的更低。

所以即使是西勒电路的稳定度也就只能达到10 -4量级，为进一步提高频率稳定度，就只能选择晶体振荡器。

五、主要参考文献
[1]张义芳.《高频电子线路》第四版.哈尔滨工业大学出版社.2009.7
[2]童诗白,华成英.《模拟电子技术基础》第四版.高等教育出版社.
[3]李新春，吴琦《高频电子教学实验》辽宁工程技术大学电信学院
附录1。