基于multisim的正弦波振蕩器的設計與仿真-資料下載頁

【導讀】的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議，發表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均。已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承。第8學期的第1周，查相關文獻了解和掌握正弦波振蕩器的知識；第8周，在老師的指導下，修改程序并進一步完善畢業論文內容；第9周，完成畢業論文初稿；第11周，畢業論文裝訂，準備答辯。及研究外界條件對振蕩器頻率穩定度的影響?？梢姡也ㄕ袷庪娐吩诟鱾€科學技術部門的應用是十分廣泛的。2020年5月中旬，論文答辯，最后修改，上交打印稿及電子版。虛心向老師請教和同學進行學習交流，保障畢業設計的順利完成。

　　

【正文】 以圖 32 所示變壓器反饋 LC 振蕩電路為例確定一下平衡條件與放大器、反饋網絡參數間的關 系。 振蕩器處于平衡狀態時，放大器進入了非線性區。根據折線分析法可知，集電極電流將變成脈沖狀。由圖 32 可得放大器開環電壓平均增益表示式為： impcmi URIUUA o 1?? （ 15） 式中， oU 為負載諧振回路上的基波電壓， pR 為諧振回路諧振電阻。 圖 32 變壓器反饋 LC振蕩電路 7 由 1 m a x 1 1( ) ( ) ( 1 c os )c m C c imI i g U? ? ? ? ?? ? ? （ 16） 將式（ 16）代入式（ 15），得： 1 0 1( ) (1 c os ) ( )cpA g R A? ? ? ? ?? ? ? （ 17） 式中， 11( ) ( )(1 c o s )? ? ? ? ???； pcRgA ?0 為起振時（ 180o?? ）小信號線性放大倍數。 由式（ 17）可知，當振幅增大進入非線性工作狀態后，通角 0180?? ，故 A 下降，直到 1?FA?? 達到平衡狀態。此時，振蕩器的振幅平衡條件又可表示為： 01( ) 1A F A F???? （ 18） 同時，振蕩器處于平衡狀態時，輸出電壓 11 pc ZIUo ?? ? 即 111 pfeipc ZYUZIA ?? ??? ，可得平衡條件的另一表達形式 11 ?FZY pfe ? （ 19） 或者寫成如下形式 11 ?FZY pfe （ 110） ???? nFZY 2??? n=0， 1， 2，? （ 111） 式中， Yjfefe eYY ?? 稱為晶體管的平均正向傳輸導納， Y? 為集電極電流基波分量 1cI? 與基波輸入電壓 iU? 的相位差； Zjpp eZZ ?11 ? 稱為諧振回路的基波阻抗， Z? 為 cU? 與 1cI? 之間的相位差； FjFeF ??? 稱為反饋系數， F? 為 fU? 與 cU? 之間的相位差 [11]。式（ 110）和（ 111）就是用電路參數表示的振幅平衡條件和相位平衡條件。 當振蕩器的頻率較低時， 1cI? 與 iU? 、 cU? 與 1cI? 、 fU? 與 cU? 都可認為是同相的，也就是說滿足 0??? FZY ??? 的相位條件。 當振蕩器的頻率較高時， 1cI? 總是滯后 iU? ，即 0?Y? 。而 F? 也不等于 0，即0?? FY ?? 。若要保持相位平衡條件，只有回路工作于失諧狀態以產生一個 Z? 。這樣振蕩器的實際工作頻率不等于回路的固有諧振頻率 0f ， 1pZ 也不呈現為純電阻。 8 起振條件 式（ 12）是維持振蕩的平衡條件，是針對振蕩器進入穩態而言的。為了使振蕩器在接通直流電源后能夠自動起振，則要求反饋電壓在相位上與放大器輸入電壓同相，在幅度上則要求 fU Ui，即 ??? nFA 2?? n=0， 1， 2，? （ 112） 10 ?FA （ 113） 式中， A0為振蕩器起振時放大器工作于甲類狀態時的電壓放大倍數 。 式（ 112）和（ 113） 分別 稱為振蕩器起振的相位條件和振幅條件 。由于振蕩器的建立過程是一個瞬態過程，而式（ 112）和（ 113）是在穩態下分析得到的，所以從原則上來說，不能用穩態分析研究一個電路的瞬態過程，因而也就不能用式（ 112）和（ 113） 來描述振蕩器從電源接通后的振蕩建立過程 ，而必須通過列出振蕩器的微分方程來研究。但可利用式（ 112）和（ 113）來推斷振蕩器能否產生自激振蕩。因為在起振的開始階段，振蕩的幅度還很小，電路尚未進入非線性區，振蕩器可以通過線性電路的分析方法來處理 [12]。 綜上所述，為了確保振蕩器能夠起振， 設計的電路參數必須滿足 A0F1 的條件。而后，隨著振蕩幅度的不斷增大， A0就向 A 過渡，直到 AF=1時，振蕩達到平衡狀態。顯然， A0F 越大于 1，振蕩器越容易起振，并且振蕩幅度也較大。但 A0F 過大，放大管進入非線性區的程度就會加深，那么也就會引起放大管輸出電流波形的嚴重失真。所以當要求輸出波形非線性失真很小時，應使 A0F的值稍大于 1。 穩定條件 當振蕩器受到外部因素的擾動（如電源電壓波動、 溫度變化、噪聲干擾等），將引起放大器和回路的參數發生變化破壞原來的平衡狀態。如果通過放大和反饋的不斷循環， 振 蕩器越來越偏離原來的平衡狀態 ，從而導致振蕩器停振或突變到新的平衡狀態，則表明原來的平衡狀態是不穩定的 [13]。反之，如果通過放大和反饋的不斷循環，振蕩器能夠產生回到原平衡點的趨勢，并且在原平衡點附近建立新的平衡狀態， 則表明原平衡狀態是穩定的。 振幅穩定條件 在平衡條件的討論中我們曾經指出，放大倍數是振幅 Uom的非線性函數，且起振時，電壓增益為 A0，隨著 Uom的增大， A逐漸減小。反饋系數則僅取決于外電路參數，一般由線性元件組成，所以反饋系數 F（或 1/F）為一常數。為了說明振幅穩定條件 9 的物理 概念，在圖 33（ a）中分別畫出反饋型振蕩器的放大器電壓增益 A 和反饋系數的倒數 1/F 隨振幅 Uom的關系。圖 33（ a）中， Q 點就是振蕩器的振幅平衡點，因為在這個點上， A=1/F，即滿足 AF=1 的平衡條件。那么這一點是不是穩定的平衡點呢？那就要看在此點附近振幅發生變化時，是否具有自動恢復到原平衡狀態的能力。 (a) 軟自激的振蕩特性 (b) 硬自激的振蕩特性 圖 33 自激振蕩的振蕩特性 在平衡條件的討論中我們曾經指出，放大倍數是振幅 Uom的非線性函數，且起振時，電壓增益為 A0，隨著 Uom的增大， A逐漸減小。反饋系數則僅取決于外電路參數，一般由線性元件組成，所以反饋系數 F（或 1/F）為一常數。為了說明振幅穩定條件的物理概念，在圖 33（ a）中分別畫出反饋型振蕩器的放大器電壓增益 A 和反饋系數的倒數 1/F 隨振幅 Uom的關系。圖 33（ a）中， Q 點就是振蕩器的振幅平衡點，因為在這個點上， A=1/F，即滿足 AF=1 的平衡條件 [14]。那么這一點是不是穩定的平衡點呢 ？那就要看在此點附近振幅發生變化時，是否具有自動恢復到原平衡狀態的能力。 假定由于某種因素使振幅增大超過了 UomQ，由圖可見此時 A1/F，即出現 AF1的情況，于是振幅就自動衰減而回到 UomQ。反之由于某種因素使振幅小于 UomQ，此時 A1/F，即出現 AF1 的情況，于是振幅就自動增大，從而又而回到 UomQ。因此 Q 點是穩定平衡點。 Q點是穩定平衡點的原因是，在 Q點附近， A 隨 Uom的變化特性具有負的斜率，即： 0???? QUUom omomUA （ 114） 式（ 114） 就是振幅穩定條件 。 并非所有的平衡點都是穩定的。如果振蕩管的靜態工作點取得太低，而且反饋系數 F又 較小時，可能會出現圖 33（ b）的另一種振蕩特性。這時 A隨 Uom的變化特性不是單調下降，而是先隨 Uom的增大而上升，達到最大值后，又 Uom的增大而下降。Uom O A F1A0 Q UomQ Uom O A F1A0 Q UomQ UomB B 10 因此，它與 1/F 線可能出現兩個平衡點 Q 點和 B 點。其中平衡點 Q 滿足振幅穩定條件，而平衡點 B不滿足穩定條件，因為當振蕩幅度稍大于 UomB時，則 A1/F，即 AF1，成為增幅振蕩，振幅越來越大。 而當振蕩幅度稍低于 UomB時，則 AF1，成為減幅振蕩，振幅越來越小，直到停振為止。這種振蕩器不能自行起振，除非在起振時外加一個較大的激勵信號，使振幅超過 B 點，電路才能自動進入 Q 點。像這樣要預先外加一個一定幅度的信號才能起振的特性稱為硬自激 [15]。對于圖 33（ a）所示無需外加激勵就能起振的特性稱為軟自激。一般情況下都是使振蕩電路工作于軟自激狀態，通常應當避免硬自激。 相位平衡的穩定條件 相位平衡的穩定條件是指相位平衡條件遭到破壞時，電路本身能重新建立起相位平衡點的條件。 由于振蕩 的角頻率就是相位的變化率，即 dtd??? ，所以當振蕩器的相位變化時，頻率也必然發生變化。因此相位穩定條件和頻率穩定條件實質上是一回事。 圖 34 并聯諧振回路的相頻特性 圖 34所示以角頻率為橫坐標，選頻網絡的相移 Z? 為縱坐標，對應某一 Q 值的并聯諧振回路的相頻特性曲線。在相位平衡時，根據式（ 111）有 YFFYZ ???? ????? )( （取 n=0） （ 115） 為了表示出平衡點，將縱坐標也用與 Z? 等值的 YF?? 來標度。由圖可知，如果振蕩電路中 0?YF? ，則只有 0?Z? 才能使式 （ 115）成立，這就是說振蕩電路在并聯諧振回路的固有諧振頻率上滿足了相位平衡條件而產生振蕩。在一般情況下， 0?YF? ，為了滿足相位平衡條件，諧振 回路必須提供數值相同但異號的相移 [11]。這時，在圖中振蕩頻率 c? 處滿足相位平衡條件，那么 在 c? 處是否是穩定的呢？下面進行分析。 Z?YF?YF?YF??YF??0? c? c??c?? ? 11 若由于外界某種因素使振蕩器相位發生了變化，例如由 YF? 增大到 YF?? ，即產生了一個增量 YF?? ，從而破壞了原來工作于 c? 時的平衡條件。由于 0?? YF? ，且dtd??? ，故引起振蕩頻率的不斷增加。振蕩頻率的增加，必然使得并聯諧振回路的相移 Z? 減小，即引入 Z??? 的變化。當變化到 YFZ ?? ???? 時，則振蕩器在 c?? 的頻率上再一次達到平衡。但是新的穩定平衡點 ccc ??? ???? 畢竟還是偏離原來的平衡點。顯然，這是為了抵消 YF?? 的存在必然出 現的現象。反之，若外界因素去掉后，相當于在 YF?? 的基礎上引入了一個 YF??? 增量，調整過程與上述過程相反，則可返回原振蕩頻率 c? 的狀態。 具備這樣的調整過程是由并聯諧振回路的相頻特性的斜率為負所決定的，即： 0???? c???? （ 116） 式（ 116）就是振蕩器的 相位穩定條件。需要指出的是，在實際電路中，由于 Y?和 F? 都很小，所以可以認為振蕩頻率主要由并聯諧振回路的諧振頻率所決定。另外由于并聯諧振回路的相頻特性正好具有負的斜率，所以說， LC 并聯諧振回路不但是決定振蕩頻率的主要角色，而且是穩定振蕩頻率的機構 [11]。 三點式振蕩器 三點式振蕩器的基本工作原理 三點式 電容振蕩器是自激振蕩器的一種。由串聯電容與電感回路及正反饋 組成。因振蕩回路兩串聯電容的三個端點與振蕩管三個 管腳分別相接而得名。 它的優點是：反饋電壓取自電容 C2，而電容對晶體管非線性特性產生的高次諧波呈現低阻抗，所有反饋電壓中高次諧波分量很小，因而輸出波形很好；其缺點是：反饋系數因與回路電容有關，如果用改變電容的方法來調整振蕩頻率，必將改變反饋系數，從而影響起振。 由振蕩器諧振頻率計算公式 ： W=（ LC） 根據設計指標， f=6MHz 分配合適的電容和電感。 電容三點式振蕩器 電容三點式振蕩器又稱為考畢茲（ Colpitts）振蕩器，其原理電路如圖