反馈振荡器课程设计

反馈振荡器1.课程设计的目的通过解决比较简单的实际问题巩固和加深在高频电子电路课程中所学的理论知识和实验技能。综合运用学过的电子技术基础知识，在教师指导下完成查找资料、选择、论证方案、设计电路、安装调试、分析结果、撰写课程设计说明书等工作。初步掌握数字电子电路设计的一般方法步骤。高频电子电路课程设计是理论教学之后的一个综合性实践教学环节，是对课程理论和课程实验的综合和补充。学会并利用一种电路分析软件，对电路进行分析、计算和仿真，通过查找资料，选择方案，设计电路，撰写报告，完成一个较完整的设计过程，将抽象的理论知识与实际电路设计联系在一起，在掌握电路基本设计方法的同时，加深对课程知识的理解和综合应用，培养综合运用基础理论知识和专业知识解决实际工程设计问题的能力，以及创新能力。不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的内容。理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才是真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程遇到各种各样的问题，同时在设计的过程中发现自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固所学的知识。2.设计方案论证2.1设计思路及方法2.1.1基于Multisim的高频功率放大器的仿真Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)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。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。在Multisim Master中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间根本差别在于：一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用此类器件，不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性，还可以直接将设计导出到Ultiboard中进行PCB的设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值，不与实际器件对应，用户可以根据需要改变器件模型的参数值，只能用于仿真，这类器件称为虚拟器件。它们在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同。在元器件工具栏中，虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同，但虚拟器件的按钮有底色，而实际器件没有。本次课程设计，我们采用Multisim软件进行仿真2.1.2电路工作原理 与放大器一样，振荡器也是一种能量转换器，但不同的是振荡器不需要外部激励，就能自动的将直流电源供给的功率转换为指定频率和振幅的交流信号功率输出。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。由我们所学过的知识知道，构成一个振荡器必须具备下列一些最基本的条件：（1）任何一个振荡回路，包含两个或两个以上储能元件。在这两个储能元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。接收和释放能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。（2）电路中必须要有一个能量来源，可以补充由振荡回路电阻所产生的损耗。在电容三点式振荡器中，这些能量来源就是直流电源。（3）必须要有一个控制设备，可以使电源在对应时刻补充电路的能量损失，以维持等幅震荡。这是由有源器件（电子管，晶体管或集成管）和正反馈电路完成的。正弦波振荡器一般是有晶体管等有源器件和具有某种选频能力的无源网络组成的一个反馈系统。振荡器的种类很多，从振荡电路中有源器件的特性和形成振荡的原理来看，颗分为反馈振荡器行业负阻式振荡器；根据所产生的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器；根据选频网络所采用的器件可分为LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器及压控振荡器。随着集成技术的发展，又出现了集成振荡器。图1 系统总体框图提出设计指标小组讨论拟定电路方案电路连接程序编写运行正确仿真调试结果测量指标满足？设计结束程序编译连接重编程序修改电路方案3.主要部分电路图及原理分析3.1反馈振荡器3.1.1原理分析利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡器，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。一个反馈振荡器必须满足三个条件：起振条件（保证接通电源后能逐步建立起振荡），平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）和稳定条件（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏）。图2反馈振荡器原理图起振-非线性过程-稳幅振荡在反馈振荡器中，LC并联谐振回路是最基本的选频网络。反馈振荡器是一个非线性闭环系统，其特性需用非线性系统的分析方法来加以分析。但在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因此可以引用线性系统的分析方法，来确定这一时期振荡器的工作状态。3.1.2振荡条件起振过程是指接通电源后，振荡从无到有的建立过程。起振条件又称自激条件。它表示振荡电路在接通电源时，输出信号从无到有建立起来应满足的条件。振荡器最初的激励：第一，来源于放大管基极电压，电压在开机后由零升至定值，就相当于接入一个阶跃信号，此阶跃信号含有多种频率分量；第二，电路各部分存在许多形式的扰动，如管子的内部噪声、输入回路电阻的热噪声等，这些噪声和干扰所含有的频率成分十分丰富。这些微小的扰动电压或电流经过振荡器放大管的放大，加至负载回路及反馈网络，由于负载谐振回路的选频作用，只有与谐振回路的固有谐振频率相同的那个频率成分才能在负载回路两端产生电压。由于正反馈的存在，这一微弱信号经过放大，反馈，再放大，再反馈，往复循环在信号较小的起振阶段，每次返回至输入端信号的幅度总要比前一次的大，振荡幅度不断增加，完成起振过程。图3反馈型振荡器组成框图将闭合环路在“X”处断开，并定义环路增益 根据上述分析，可直接写出振荡器的起振条件为 即环路增益 （5.2.5）式（5.2.5）为复数形式，。令，式（5.2.5）可表示为振幅起振条件 （5.2.6a） 相位起振条件 （5.2.6b）式中表示开环环路增益的相角，为基本放大器输出电压与输入电压的相位差，为反馈网络的相移。 振幅的起振条件（5.2.6a）要求，即反馈信号幅度大于前一次的信号输入；（5.2.6b）为相位起振条件，要求在环路起振过程中，环路始终保持正反馈。3.1.3平衡条件记闭环电压放大倍数Ku(s)，开环电压放大倍数 K(s)，电压反馈系数 F(s)，环路增益 T(s)，反馈系数 F(j)=-F(j)。 自激振荡的条件就是环路增益为1， 即T(j)=K(j)F(j)=1，通常又称为振荡器的平衡条件。 振荡器的平衡条件又可细分为振幅平衡条件（|T(j)|=1）和相位平衡条件（(T)=(K)+(F)=2n, n=0,1,2）。 其中：(1) 当|T(j)|1，形成增幅电路振荡；当T|(j)|1时，形成减幅振荡。 (2) 平衡时电源供给的能量等于环路消耗的能量； (3) 通常的环路只在某一特定才满足相位条件。3.1.4稳定条件振荡器的稳定条件相应地可分为振幅稳定条件和相位稳定条件。 (1) 振幅稳定条件 要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说，就是在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益将减小，从而使振幅减小。 (2)相位稳定条件 同理，要使相位稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止相位变化的能力。 3.1.5频率稳定度振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化, 引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度, 它是振荡器的一个很重要的指标。频率稳定度又可分为：长期频率稳定度（一般是指一天以上甚至几个月的时间间隔内频率的相对变化）、短期频率稳定度（一般是指一天以内，以小时、分钟或秒记的时间间隔内频率的相对变化）和瞬时频率稳定度（一般是指秒或毫秒的时间间隔内频率的相对变化）。一般所说的频率稳定度是指短期稳定度。一般短波、超短波发射机的的频率稳定度为10-410-5，电视发射台的频率稳定度为510-7左右。 提高频率稳定度的措施有： (1)提高振荡回路的标准性（指回路元件和电容的标准性，温度是影响的主要因素） (2) 减少晶体管的影响 (3) 提高回路的品质因数 (4) 减少电源、负载等的影响3.2用Multisim软件进行仿真（1）启动Multisim9，并画出如下电路图3负反馈电路图（2）条节信号发生器V2的大小，是输出端10在开环情况下输出不失真。（3）启动直流工作点分析，记录数据，填入下表三极管Q1三极管Q2VbVcVeVbVcVe3.7167.1653.0773.4144.5032.762 表1直流工作点数据记录（4）交流测试RL（图中R11）Vi（mV）V0(V)Av开环RL=无穷（S2打开）203.122156.1RL=1.5k（S2闭合）201.7688闭环RL=无穷（S2打开）20410.22420.5RL=1.5k（S2闭合）20365.7461.03 表2开环、闭环交流测试表（5）负反馈对失真的改善在开环情况下适当加大Vi的大小，使其输出失真，记录波形图4失真波形图闭合开关S1，并记录波形图5闭合开关S1波形图 （6）测试放大频率特性 如图所示，进入交流分析图6交流分析如下所示，输入参数，包括Frequency Parameters和Output两项图7参数设置图8开环时的图形和闭环时的图形4.课程设计心的体会通过本次课程设计，初步掌握数字电子电路设计的一般方法步骤，学会并利用一种电路分析软件，对电路进行分析、计算和仿真，通过查找资料，选择方案，设计电路，撰写报告，完成一个较完整的设计过程，将抽象的理论知识与实际电路设计联系在一起，在掌握电路基本设计方法的同时，加深对课程知识的理解和综合应用，培养综合运用基础理论知识和专业知识解决实际工程设计问题的能力，以及创新能力。通过设计电路，既复习了以前所学过的知识，又学习了许多新的东西。理论上的东西不经过实际的检验是没有什么说服力的。而设计正是理论与实践的结合，通过设计，提高了我的动手能力和解决实际问题的能力，让我对所学课程的应用有了新的认识。最重要的是得到了很多宝贵的经验。通过这次课程设计，提高了我对本专业的兴趣，让我在以后的学习中更加努力。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，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。5.参考文献1张肃文.高频电子线路M.高等教育出版社,2005.82康华光.电子技术基础M.高等教育出版社,2004.43聂典.Multisim10计算机仿真M.电子工业出版社,2003.54于洪珍.通信电子线路M.清华大学出版社,2000.45林春方.高频电子线路M.电子工业出版社,2004.66于海勋，郑长明.高频电子实验与仿真M科学出版社,2005.87胡宴茹.高频电子线路M.高等教育出版社,2005.88魏群.怎样选用无线电电子元器件M.人民邮电出版社,2000.149 曾兴雯. 高频电子线路M. 高等教育出版社，2004.310 刘骋.高频电子线路M. 西安:西安电子科技大学出版社,2003.9:111-15611 懂尚斌. 高频电子线路实验指导M. 武汉大学电子信息学院，200312 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