LC正弦波振荡电路的仿真分析精编版

摘要
振荡器的种类很多，适用的范围也不相同，但它们的基本原理都是相同的，都由放大器和选频网络组成，都要满足起振，平衡和稳定条件。

然后通过所学的高频知识进行初步设计，由于受实践条件的限制，在设计好后，我利用了模拟软件进行了仿真与分析。

为了学习Multisim软件的使用，以及锻炼电子仿真的能力，我选用的仿真软件是Multisim10.0版本，该软件提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路图和文件管理功能。

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。

NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

关键词：LC振荡回路；仿真；正弦波信号；Multisim软件；
目录
一、绪论 (1)
二、方案确定 (1)
2．1电感反馈式三端振荡器 (2)
2．2电容反馈式三端振荡器 (3)
2.3 振荡平衡条件一般表达式 (4)
2．4起振条件和稳幅原理 (4)
三、LC振荡器的基本工作原理 (4)
四、总电路设计和仿真分析 (5)
4.1软件简介 (5)
4.2 总电路设计 (7)
4.3 进行仿真 (8)
4.4 各个原件对电路的影响 (11)
五、心得体会 (12)
参考文献 (13)
附录 (14)
电路原理图 (14)
元器件清单 (14)
一、绪论
在本课程设计中，对LC正弦波振荡器的仿真分析。

正弦波振荡器用来产生正弦交流信号的电路，它广泛应用于通信、电视、仪器仪表和测量等系统中。

在通信方面，正弦波震荡器可以用来产生运载信息的载波和作为接收信号的变频或调解时所需要的本机振荡信号。

医用电疗仪中，用高频加热。

在课程设计中，学习Multisim软件的使用，以及锻炼电子仿真的能力，我选用的仿真软件是Multisim10.0版本，该软件提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路图和文件管理功能。

我利用了仿真软件对电路进行了一写的仿真分析，得到了与理论值比较相近的结果，这表明电路的原理设计是比较成功的，本次课程设计也是比较成功的。

本课程设计中要求设计的正弦波振荡器能够输出稳定正弦波信号，本设计中所涉及的仿真电路是比较简单的。

但通过仿真得到的结论在实际的类似电路中有很普遍的意义。

二、方案确定
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。

我们这里研究的主要是LC三端式振荡器。

图1 电感三点式振荡器
电感反馈震荡电路如图1，它的优点是：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：与电容反馈震荡电路想比，其震荡波形不够好。

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。

总之，由于存在互感，电路不好计算而且波形失真较大，在此不再仿真分析。

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。

电容三点式振荡器又称为考毕兹振荡器，如图2：
图2 电容三点式振荡器原理图
对于电容三点式振荡器，反馈系数F 的表达式为：
2
11≈C C C F + 不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量为1C 、2C 的串联，即
21111
C C C +=∑
振荡频率的近似为
212
12121
C C C C LC f +≈
≈ππ
与电感三端震荡电路想比，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 来改变震荡频率时，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。

2.3 振荡平衡条件一般表达式
震荡条件为 1=F A
振幅平衡条件 1=AF
2．4起振条件和稳幅原理
振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求1≥AF 。

既然1≥AF ，起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的继续增加，这样电路必然产生失真。

这就要靠选频网络的作用，选出多次谐波中的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。

也可以再反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益。

从而达到稳幅目的。

三、LC 振荡器的基本工作原理
振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。

LC 振荡器是一种能量转换器，由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络及反馈
网络组成。

振荡器根据自身输出的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器，正弦波振荡器在广播通讯、自动控制、仪器仪表、高频加热、超声探伤等领域有着广泛的应用；而非正弦振荡器能产生出矩形波(方波)、三角波、锯齿波等信号，这些信号可以用于测量设备、数字系统、自动控制及计算机设备中。

本设计讨论的就是正弦波振荡器。

其框图如图1所示。

图3 振荡器原理框图
由所学知识可知，构成一个振荡器必须具备下列三个条件：
1) 一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。

在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。

释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。

2) 一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。

在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。

3) 一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。

这是由有源器件和正反馈电路完成的。

四、 总电路设计和仿真分析：
4.1软件简介
Multisim 是一个专门用于电子线路设计与仿真的EDA 工具软件，它是加拿大IIT 公司（Interactive Image Technologise Ltd.）推出的继EWB 之后的版本。

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。

NI Multisim
软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快
速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

学生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。

Multisim软件特点:
(1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。

(2)丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库，包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。

(3)丰富的测试仪器：除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。

尤其与EWB不同的是：所有仪器均可多台同时调用。

(4)完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。

(5)强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。

仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。

双通道示波器：
双通道示波器主要用来显示被测量信号的波形，还可以用来测量被测信号的频率和周期等参数。

如右图所示。

A,B表示两个信号的通道，Ext Trig表示外接触发信号输入端，“-”表示接地。

如图4：
图4 双通道示波器
频率计：
频率计可以用来测量数字信号的频率，周期，相位以及脉冲信号的上升沿和下降沿。

如右图所示。

应当注意的是，在Multisim中不能用频率计来测量较低频率的信号。

如图5：
图5 频率计
4.2 总电路设计
如图，下图为LC正弦波电路振荡器的电路图，是Multisim软件画出的，Multisim软件是一款功能强大的软件。

可以方便快捷的进行原理图的绘制，如图6：
图6 总电路原理设计图
4.3 进行仿真
分析步骤如下。

（1）创建电路。

在原件库中选择电阻、电容、电源。

接地及示波器等，用Multisim画出如下电路图7：
图7 仿真电路图
（2）仿真过程。

点击仿真按钮，双击示波器，观测示波器显示。

下图所
示为LC正弦波振荡器的起振过程。

LC正弦波振荡器起振过程波形图如图8：
图8 LC正弦波振荡器起振过程
LC正弦波振荡器电路波形图，如图9：
图9 LC正弦波振荡器电路波形图
（3）观测仿真结果。

测试振荡器各原件的作用，即短路或者开路该元件，观察振荡器的工作情况；进行LC振荡器波段工作研究，即测试振荡器在多宽的频率比范围内能平稳工作；研究LC振荡器的静态工作点、反馈系数及负载对振荡器的影响；测试LC振荡器的频率稳定度，即研究温度。

电源和负载变化对振荡器频率稳定度的影响。

（4）下面我们双击频率计，观测频率计的显示，如图10：
图10 频率计显示图
4.4 各个原件对电路的影响
现在我们要测试各原件的作用。

就是开路或者短路该原件，观察振荡器的工作情况。

观察波形。

现在我将电路中的R2开路，即删除R2。

通过Multisim软件再次进行仿真。

首先由Multisim画出的开路R2的电路图，即删除R2，如图11：
图11 开路R2电路图
下面就给出Multisim进行仿真后看到的对波形的影响，如图12：
图12 R2影响后的波形图
我们可以看到，由于开路了R2，使得振荡器发生变化，波形图中的正弦波变得失真。

五、心得体会
在本次课程设计中，我的题目是LC正弦波振荡电路的仿真分析，根据所学的高频电路知识，我拟采用LC三端式振荡器进行仿真。

经过这次的仿真我学到了很多在课本上学不到的东西。

这次我利用了仿真软件Multisim来对自己的设计电路图进行仿真。

在仿真的过程中，我对正弦波震荡电路有了更进一步的了解。

也让我更好的掌握了各种电路的测试与计算；熟悉了电子仿真的工作原理和其具体的使用方法.更深刻的理解课本知识。

明白了正弦波振荡器的分类方法以及各个类型电路的震荡波形。

也逐渐对振荡器的振荡频率、震荡幅度等相关技术指标有了一定的了解。

在本次的设计报告中，振荡电路接通电源后，有时不起振，或者在外界信
号强烈触发下才起振（硬激励），在波段振荡器中有时只在某一频段振荡，而在另一频段不振荡等。

所有这些现象无非是没有满足相位平衡条件或振幅平衡条件。

如果在全波段内不振荡，首先要看相位平衡条件是否满足。

对三端振荡电路要看是否满足对应的相位平衡判断标准。

此外，还要在振幅平衡条件所包含的各种因素中找原因：1、静态工作点选的太小。

2、电源电压过低，使振荡管放大倍数太小。

3、负载太重，振荡管与回路间耦合过紧，回路Q值太低。

4、回路特性阻抗ρ或介入系数pce太小，使回路谐振阻抗RO太低。

5、反馈系数kf太小，不易满足振幅平衡条件。

但kf并非越大越好，应适当选取。

在这个设计当中，我学会了振荡电路中的一些基础理论知识，在设计电路元件参数的时候首先要考虑电路起振条件和平衡条件，这分别包含振幅条件和相位条件。

经过了这次课程设计，我更加深入的了解了课本里的知识，学会了如何熟练的使用Multisim软件。

更加明白了应该如何细心耐心的去完成一件事。

这是我学习之外体会到的东西。

参考文献
《通信电子电路》于洪珍清华大学出版社
《电子线路集》人民邮电出版社
《电子技术基础数字部分》康华光高等教育出版社
附录
电路原理图
图13 电路原理图元器件清单：
表1 原器件清单表。