【正文】 ers of the sinusoidal oscillator. 【 Keywords】 Multisim, Sinewave oscillators, the threepoint oscillators 1 緒論 課題研究背景 隨著信息科技的發(fā)展，在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去，這就需要能產(chǎn)生高頻信號(hào)的振蕩器 [1]。 通過此次設(shè)計(jì)，掌握正弦波振蕩電路的基本原理、起振條件、振蕩電路設(shè)計(jì)方法、電路參數(shù)計(jì)算、晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)、反 饋系數(shù)大小、負(fù)載變化對(duì)起 振和振蕩幅度的影響，以及研究外界 條件 對(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響 [4]。借助專業(yè)的高級(jí) SPICE 分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。使學(xué)生學(xué)的更快并且掌握的更多。 通過一個(gè)工具鏈 ， 無縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試 。 振蕩器簡(jiǎn)單地說就是一個(gè)頻率源，用來產(chǎn)生高、中、低頻信號(hào)，一般用在鎖相環(huán)中，振蕩器在無線電廣播 ,衛(wèi)星通信、電視機(jī)、開關(guān)電源、收音機(jī)等電子設(shè)備中都要用到 [6]。 它有很多用途 .在無線電廣播和通信設(shè)備中產(chǎn)生電磁波 .在微機(jī)中產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào) .在穩(wěn)壓電路中產(chǎn)生高頻交流電。那么，振蕩的產(chǎn)生是否就需要在開始的一瞬間外加一個(gè)輸入信號(hào) iU? ，等到產(chǎn)生了輸出信號(hào) oU? ，又反饋一部分回來，再把輸入信號(hào)拿走呢？實(shí)際上，在電源接通振蕩器時(shí) ，電路內(nèi)必然會(huì)存在微弱的電擾動(dòng)，如晶體管電流的突增、電路中的熱噪聲等等，這些電擾就構(gòu)成原始的輸入信號(hào)。平衡條件是研究振蕩器的理論基礎(chǔ)，利用振幅平衡條件可以確定振蕩幅度，利用相位平衡條件可以確定振蕩頻率 [10]。 由式（ 17）可知，當(dāng)振幅增大進(jìn)入非線性工作狀態(tài)后，通角 0180?? ，故 A 下降，直到 1?FA?? 達(dá)到平衡狀態(tài)。 8 起振條件 式（ 12）是維持振蕩的平衡條件，是針對(duì)振蕩器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)而言的。顯然， A0F 越大于 1，振蕩器越容易起振，并且振蕩幅度也較大。為了說明振幅穩(wěn)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(shù)的倒數(shù) 1/F 隨振幅 Uom的關(guān)系。 假定由于某種因素使振幅增大超過了 UomQ，由圖可見此時(shí) A1/F，即出現(xiàn) AF1的情況，于是振幅就自動(dòng)衰減而回到 UomQ。其中平衡點(diǎn) Q 滿足振幅穩(wěn)定條件，而平衡點(diǎn) B不滿足穩(wěn)定條件，因?yàn)楫?dāng)振蕩幅度稍大于 UomB時(shí)，則 A1/F，即 AF1，成為增幅振蕩，振幅越來越大。因此相位穩(wěn)定條件和頻率穩(wěn)定條件實(shí)質(zhì)上是一回事。振蕩頻率的增加，必然使得并聯(lián)諧振回路的相移 Z? 減小，即引入 Z??? 的變化。 三點(diǎn)式振蕩器 三點(diǎn)式振蕩器的基本工作原理 三點(diǎn)式 電容振蕩器是自激振蕩器的一種。因振蕩回路兩串聯(lián)電容的三個(gè)端點(diǎn)與振蕩管三個(gè) 管腳分別相接而得名。但是新的穩(wěn)定平衡點(diǎn) ccc ??? ???? 畢竟還是偏離原來的平衡點(diǎn)。在相位平衡時(shí)，根據(jù)式（ 111）有 YFFYZ ???? ????? )( （取 n=0） （ 115） 為了表示出平衡點(diǎn)，將縱坐標(biāo)也用與 Z? 等值的 YF?? 來標(biāo)度。這種振蕩器不能自行起振，除非在起振時(shí)外加一個(gè)較大的激勵(lì)信號(hào)，使振幅超過 B 點(diǎn)，電路才能自動(dòng)進(jìn)入 Q 點(diǎn)。因此 Q 點(diǎn)是穩(wěn)定平衡點(diǎn)。那么這一點(diǎn)是不是穩(wěn)定的平衡點(diǎn)呢？那就要看在此點(diǎn)附近振幅發(fā)生變化時(shí)，是否具有自動(dòng)恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的能力。所以當(dāng)要求輸出波形非線性失真很小時(shí)，應(yīng)使 A0F的值稍大于 1。 式（ 112）和（ 113） 分別 稱為振蕩器起振的相位條件和振幅條件 。式（ 110）和（ 111）就是用電路參數(shù)表示的振幅平衡條件和相位平衡條件。因?yàn)檎袷幤魈幱谄胶鉅顟B(tài)時(shí)，放大器已經(jīng)不工作在甲類狀態(tài)，而工作在非線性的甲乙類、乙類或丙類狀態(tài)，所以這時(shí)放大器已經(jīng)不能用小信號(hào)甲類狀態(tài)的增益來表示了。被放大后的某一頻率分量經(jīng)反饋加到輸入端，幅度得到增大。這種電路由兩部分組成，一是放大電路， 二是反饋網(wǎng)絡(luò) ，圖 31 所示為反饋振蕩器構(gòu)成方框圖及相應(yīng)電路 【 13】 。一般分為正反饋和負(fù)阻型兩種 [7]。 4 3 正弦波振蕩器 振蕩器 的簡(jiǎn)介 振蕩器是一種能自動(dòng)地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換電路 [6]。 要觀察仿真的 結(jié)果，你可以有多種選擇：時(shí)域，頻域， XY 圖，對(duì)數(shù)坐標(biāo)， 比特誤碼率 ，眼圖和功率譜。 Multisim 被美國 NI 公司收購以后，其性能得到了極大的提升。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī) 學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火，超聲波焊接，超聲診斷，核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器 [2]。正弦波振蕩器廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。 12 湖南科技學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）答辯記錄表 論文題目 基于 Multisim的正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)與仿真 作者姓名 馬智華 所屬系、專業(yè)、年級(jí) 電子工程 系 電子信息工程 專業(yè) 2020 年級(jí) 指導(dǎo)教師 姓名、職稱 李榮 講師 答 辯 會(huì) 紀(jì) 要 時(shí)間 2020年 5月 18日 地點(diǎn) 三教 103 答 辯 小 組 成 員 姓 名 職務(wù)（職稱） 姓 名 職務(wù)（職稱） 姓 名 職務(wù)（職稱） 張新安 教授 潘海軍 高級(jí)實(shí)驗(yàn)師 李榮 講師 唐云 講師 梁曉琳 講師 張丹 碩士 答辯中提出的主要問題及回答的簡(jiǎn)要情況記錄： 怎么樣實(shí)現(xiàn)電路的功能？ 答：該電路通過三極管放大器起能量控制作用；由三點(diǎn)式回路構(gòu)成正反饋網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)也由三點(diǎn)式回路諧振特性完成選頻功能，從而輸出了一定頻率和一定幅度的正弦波。 5 研究方法和手段的運(yùn)用能 力 能運(yùn)用本學(xué)科常規(guī)研究方法及相關(guān)研究手段（如計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐并加工處理、總結(jié)信息。用語、格式、圖表、數(shù)據(jù)、量 和單位、各種資料引用規(guī)范化、符合標(biāo)準(zhǔn)。 5 能力水平40% 查閱文獻(xiàn) 資料能力 能獨(dú)立查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，歸納總結(jié)本論文所涉及的有關(guān)研究狀況及成果。在此類應(yīng)用中，對(duì)振蕩器提出的要求是振蕩頻率和振蕩振幅的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。 學(xué) 生 簽 名： 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 指導(dǎo)內(nèi)容 記錄 (六 ) 進(jìn)行中期檢查，檢查論文撰寫情況，主要就其內(nèi)容提出修改意見。 有些語句欠通順，請(qǐng)認(rèn)真修改。 2. 什么叫正弦波振蕩器？ 答 ： 正弦波 振蕩器是指不需要輸入信號(hào)控制就能自動(dòng)地將 直流電 轉(zhuǎn)換為特定頻率和振幅的正弦交變電壓（電流）的電路 。 查閱國內(nèi)外最新資料，開拓視野，對(duì)已有的成果加以分析利用。可見，正弦波振蕩電路在各個(gè)科學(xué)技術(shù)部門的應(yīng)用是十分廣泛的。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。實(shí)驗(yàn) 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火，超聲波焊接，超聲診斷，核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。 采取的主要措施： (1)密切聯(lián)系本組設(shè)計(jì)成員及畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)導(dǎo)師，尋求有關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)信息，確定設(shè)計(jì)課題方向 與設(shè)計(jì)內(nèi)容； (2)充分利用圖書館和網(wǎng)絡(luò)查閱相關(guān)資料，廣泛獲取必要的知識(shí)，了解最新研究動(dòng)態(tài)。 全文都應(yīng)該設(shè)置頁碼，都應(yīng)該居中。 7 湖南科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)過程記錄表 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )題目 基于 Multisim的正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)與仿真 學(xué)生姓名 馬智華 學(xué)號(hào) 202006002211 專業(yè)班級(jí) 電信 0902 指導(dǎo)教師 李榮 職稱 講師 系（教研室） 信息技術(shù)教研室 指導(dǎo)過程記錄 指導(dǎo)內(nèi)容 記錄 (一 ) 選題、確定課題，提供參考文獻(xiàn)等資料，交待注意事項(xiàng)。 學(xué) 生 簽 名： 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 答辯小組組長(zhǎng)意見 組長(zhǎng) (簽名 )： 年 月 日 注：本表與畢業(yè)論文一起裝訂存檔。得到西勒振蕩器所產(chǎn)生的波形失真最小，所以決定選用西勒振蕩器。 5 研究方法和手段的運(yùn)用能力 能運(yùn)用本學(xué)科常規(guī)研究方法及相關(guān)研究手段（如計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐并加工處理、總結(jié)信息。 10 理論意義或 實(shí)際價(jià)值 符合本學(xué) 科的理論發(fā)展，有一定的學(xué)術(shù)意義；對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的應(yīng)用性研究中的某個(gè)理論或方法問題進(jìn)行研究，具有一定的實(shí)際價(jià)值。 5 寫作水平 論點(diǎn)鮮明；論據(jù)充分；條理清晰；語言流暢。 怎樣選擇合適的正弦波振蕩器？ 答：通過三種三點(diǎn)式振蕩器的計(jì)算分析得知西勒正蕩器的覆蓋系數(shù)較大，可達(dá) ～ ，可調(diào)范圍相對(duì)較大，所以選擇了西勒振蕩器。本次設(shè)計(jì)比較了不同種類型的正弦波振蕩器，詳細(xì)介紹了其原理，并比較了各種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了不同振蕩器的性能特征。 正弦波振蕩電路用來產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦交流信號(hào) [3]。通過 Multisim 和虛擬儀器技術(shù)， PCB 設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論 到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程 。 電路的構(gòu)建及仿真 單元電路、功能電路、 單片機(jī) 硬件電路的構(gòu)建及相應(yīng)軟件調(diào)試的仿真。 Multisim能完成以下的功能： 通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境 ， 輕松設(shè)計(jì)電路 。其構(gòu)成的 電路 叫振蕩電路。任何通信或電子系統(tǒng)，在一些給定的點(diǎn)應(yīng)該有一個(gè)正常 范圍的電平值，調(diào)節(jié)到正常電平值的部件就是放大器和衰減器。 圖 31 反饋振蕩器的組成方框圖 為了使振蕩器的輸出 oU? 為一個(gè)固定頻率的正弦波，圖 31 所示的閉合環(huán)路內(nèi)必須含有選頻網(wǎng)絡(luò)，使得只有選頻網(wǎng)絡(luò)中心頻率的信號(hào)滿足 fU? 與 iU? 相同的條件而產(chǎn)生自激振蕩，對(duì)其他頻率的信號(hào)不 滿足 fU? 與 iU? 相同的條件而不產(chǎn)生振蕩。 由于放大器開環(huán)電壓增益 A? 和反饋系數(shù) F? 的表示式分別為： ioUUA ????， ofUUF ???? （ 11） 6 且振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)后 if UU ?? ? ，此時(shí)根據(jù)式（ 11）可得反饋振蕩器的平衡條件為： 1)( ?? ? FAjA F eFA ???? （ 12） 式中， A 、 A? 分別為電壓增益的模和相位； F 、 F? 分別為反饋系數(shù)的模和相位。根據(jù)折線分析法可知，集電極電流將變成脈沖狀。而 F? 也不等于 0，即0?? FY ?? 。因?yàn)樵谄鹫竦拈_始階段，振蕩的幅度還很小，電路尚未進(jìn)入非線性區(qū)，振蕩器可以通過線性電路的分析方法來處理 [12]。反之，如果通過放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩器能夠產(chǎn)生回到原平衡點(diǎn)的趨勢(shì)，并且在原平衡點(diǎn)附近建立新的平衡狀態(tài)， 則表明原平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。為了說明振幅穩(wěn)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(shù)的倒數(shù) 1/F 隨振幅 Uom的關(guān)系。如果振蕩管的靜態(tài)工作點(diǎn)取得太低，而且反饋系數(shù) F又 較小時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)圖 33（ b）的另一種振蕩特性。一般情況下都是使振蕩電路工作于軟自激狀態(tài)，通常應(yīng)當(dāng)避免硬自激。這時(shí)，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(wěn)定的呢？下面進(jìn)行分析。 具備這樣的調(diào)整過程是由并聯(lián)諧振回路的相頻特性的斜率為負(fù)所決定的，即： 0???? c???? （ 116） 式（ 116）就是振蕩器的 相位穩(wěn)定條件。 電容三點(diǎn)式振蕩器 電容三點(diǎn)式振蕩器又稱為考畢茲（ Colpitts）振蕩器，其原理電路如圖