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振荡电路Multisim电路仿真实验汇总——硬件工程师笔记

news 2025/7/2 14:24:20

1 振荡电路基础知识

1.1 振荡电路的基本原理

1 反馈机制

2 相位条件和幅度条件

1.2 振荡电路的主要类型

1 LC振荡电路

2 RC振荡电路

3 石英晶体振荡电路

1.3 振荡电路的设计要点

1 频率稳定性

2 振荡幅度

3 启动特性

2 振荡电路仿真实验

2.1 LC振荡电路

2.1.1 电容反馈式LC正弦波振荡电路

2.1.2 变压器反馈式LC振荡电路

2.2 RC振荡电路

2.2.1 RC延迟环形震荡电路

2.3 石英晶体振荡电路

2.3.1 工作原理

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1 振荡电路基础知识

振荡电路是一种能够产生周期性振荡信号的电子电路，广泛应用于通信、广播、测量仪器、时钟等领域。

1.1 振荡电路的基本原理

1 反馈机制

振荡电路的核心是利用反馈来产生持续的振荡。它通过一个反馈网络将电路的一部分输出信号反馈到输入端。根据反馈信号与输入信号的相位关系，振荡电路可以分为正反馈振荡电路和负反馈振荡电路。在大多数情况下，振荡电路采用正反馈，因为正反馈可以使电路的输出信号不断加强，从而产生振荡。

例如，一个简单的RC（电阻-电容）振荡电路，当电路开始工作时，电容开始充电，随着电容两端电压的升高，反馈信号也逐渐增强，当反馈信号与输入信号相位相同且幅值足够大时，电路就会进入振荡状态。

2 相位条件和幅度条件

相位条件是指反馈信号与输入信号的相位差必须满足一定的要求。对于正反馈振荡电路，反馈信号与输入信号的相位差应该是2nπ（n为整数），这样才能保证信号在循环过程中不断加强。

幅度条件是指反馈信号的幅值必须足够大，以克服电路中的损耗，使振荡能够持续。如果反馈信号的幅值小于损耗，振荡就会逐渐减弱直至停止。

1.2 振荡电路的主要类型

1 LC振荡电路

结构组成：

LC振荡电路主要由电感（L）和电容（C）组成。它利用电感和电容的储能特性来产生振荡。电感储能时，电容放电；电容储能时，电感放电，通过这种能量的转换实现振荡。

工作原理：

以克拉泼荡振电路为例，它是在并联型LC振荡电路的基础上改进而来。通过在电容回路中接入一个可变电容，能够方便地调节振荡频率。当电路通电后，电容开始充电，当电容两端电压达到一定程度时，通过电感的作用，电容开始放电，同时电感开始储能。当电感中的电流达到最大时，电容又开始反充电向，如此循环往复，产生振荡信号。

应用：

LC振荡电路广泛应用于高频信号源，如无线通信设备中的发射机和接收机。它的优点是频率稳定度高，能够产生较高频率的振荡信号。

2 RC振荡电路

结构组成：

RC振荡电路主要由电阻（R）和电容（C）组成。它不像LC振荡电路那样需要电感元件，因此电路结构相对简单。

工作原理：

以文氏桥振荡电路为例，它由一个RC串并联网络和一个放大器组成。RC串并联网络起到选频和反馈的作用。当电路接通电源后，电容开始充电，随着电容两端电压的变化，反馈信号通过RC网络反馈到放大器的输入端。当反馈信号满足相位和幅度条件时，电路开始振荡。文氏桥振荡电路的振荡频率可以通过调节电阻和电容的值来改变。

应用：

RC振荡电路常用于音频信号源，如电子琴中的音源电路。它的优点是电路简单，成本较低，但频率稳定度相对LC振荡电路稍差。

3 石英晶体振荡电路

结构组成：

石英晶体振电路荡的核心元件是石英晶体。石英晶体具有压电效应，当在石英晶体两端施加电场时，它会产生机械振动；反之，当石英晶体受到机械振动时，它会产生电场。

工作原理：

石英晶体在振荡电路中相当于一个高Q值的选频元件。当电路工作时，石英晶体在其固有频率附近产生强烈的振动，从而带动整个电路产生振荡。石英晶体振荡电路的频率稳定度非常高，因为石英晶体的固有频率受温度、压力等外界因素的影响较小。

应用：

石英晶体振荡电路广泛应用于高精度的时钟电路，如电子手表、计算机的时钟电路等。它还用于通信设备中的频率基准源，为信号的发射和接收提供稳定的频率参考。

1.3 振荡电路的设计要点

1 频率稳定性

这是振荡电路的一个重要指标。对于需要高精度的振荡电路，如原子钟中的振荡电路，要采用高Q值的元件，如石英晶体，并且要尽量减少温度、电源电压等因素对振荡频率的影响。例如，可以通过温度补偿电路来抵消温度变化对石英晶体振荡频率的影响。

2 振荡幅度

振荡幅度要适中。如果振荡幅度太大，可能会导致电路中的元件损坏或者产生失真；如果振荡幅度太小，可能无法满足后续电路的驱动要求。可以通过调节反馈系数、电源电压等方式来控制振荡幅度。

3 启动特性

振荡电路需要具备良好的启动特性。有些振荡电路在刚接通电源时可能需要一定的时间才能稳定振荡，这会影响设备的使用。可以通过优化电路结构，如增加启动电路，来改善振荡电路的启动性能。

2 振荡电路仿真实验

2.1 LC振荡电路

2.1.1 电容反馈式LC正弦波振荡电路

1 基本概念

电容反馈式 LC 正弦波振荡电路是一种利用电容反馈来实现振荡的电路。它属于 LC 振荡电路的一种形式，通过电容反馈网络来满足振荡的相位条件和幅度条件，从而产生正弦波信号。

2 工作原理

振荡条件

相位条件：在振荡电路中，反馈信号必须与输入信号同相，这样才能保证振荡的持续进行。对于电容反馈式 LC 振荡电路，电容反馈网络和 LC 回路共同作用，使得反馈信号的相位与输入信号相位一致。

幅度条件：反馈信号的幅度必须足够大，以保证振荡信号能够持续增长并稳定在一定幅度。电路中的放大器和反馈网络需要合理设计，以满足幅度条件。

3 电路组成

一个典型的电容反馈式 LC 振荡电路主要由放大器、电容反馈网络和 LC 回路组成。放大器提供增益，电容反馈网络用于实现反馈信号的相位和幅度调整，LC 回路则用于产生特定频率的振荡信号。

4 电路结构

（一）放大器

放大器的作用是将反馈信号放大，以满足振荡的幅度条件。它可以采用晶体管放大器、运算放大器等不同形式。在设计放大器时，需要考虑其增益、频率响应和稳定性等因素，以确保电路能够正常振荡。

例如，对于一个基于晶体管的放大器，需要合理选择晶体管的型号和偏置电路，以保证放大器在工作频率范围内具有足够的增益和良好的线性特性。

（二）电容反馈网络

电容反馈网络是电路的核心部分之一，它由电容和其他元件（如电阻）组成。电容反馈网络的主要作用是将一部分输出信号反馈到放大器的输入端，并调整反馈信号的相位和幅度。

电容反馈网络的设计需要根据振荡频率和电路的其他参数进行优化。通过选择合适的电容值和电阻值，可以实现所需的反馈特性，从而满足振荡的相位条件和幅度条件。

（三）LC 回路

LC 回路是产生振荡信号的关键部分，它由电感（L）和电容（C）组成。LC 回路的谐振频率决定了振荡信号的频率，其计算公式为 f0=(2π(LC)^(0.5))\1，其中 f0 是谐振频率，L 是电感值，C 是电容值。

在电路中，LC 回路通常与放大器和电容反馈网络紧密相连，共同构成一个完整的振荡系统。LC 回路的品质因数（Q 值）对振荡信号的纯度和稳定性有重要影响，Q 值越高，振荡信号的频率稳定性和纯度越好。

仿真实验如下图所示，可以产生正弦波震荡

2.1.2 变压器反馈式LC振荡电路

（一）基本概念

变压器反馈式LC振荡电路是一种利用变压器来实现反馈的LC振荡电路。它通过变压器的耦合将输出信号反馈到输入端，从而满足振荡的相位和幅度条件，产生正弦波信号。

（二）工作原理

1 振荡条件

相位条件：振荡电路要求反馈信号与输入信号同相，以保证振荡的持续进行。在变压器反馈式 LC 振荡电路中，变压器的初级和次级绕组之间的相位关系以及 LC 回路的相位特性共同决定了反馈信号的相位。通过合理设计变压器的绕组连接方式和 LC 回路的参数，可以满足相位条件。

幅度条件：反馈信号的幅度必须足够大，以保证振荡信号能够持续增长并稳定在一定幅度。放大器的增益和变压器的耦合系数共同决定了反馈信号的幅度。设计时需要确保放大器的增益与变压器的耦合效果相匹配，以满足幅度条件。

电路组成

一个典型的变压器反馈式 LC 振荡电路主要由放大器、变压器反馈网络和 LC 回路组成。

放大器：放大器的作用是将反馈信号放大，以满足振荡的幅度条件。它可以采用晶体管放大器、运算放大器等不同形式。放大器需要提供足够的增益，并且在工作频率范围内具有良好的线性特性。

变压器反馈网络：变压器是电路的核心反馈元件。它将输出信号从次级绕组反馈到初级绕组，从而实现反馈信号的传输。变压器的绕组匝数比、耦合系数等参数对反馈信号的幅度和相位有重要影响。

LC 回路：LC 回路是产生振荡信号的关键部分，由电感（L）和电容（C）组成。LC 回路的谐振频率决定了振荡信号的频率，其计算公式为 f0=(2π(LC)^(0.5))\1。LC 回路的品质因数（Q 值）对振荡信号的纯度和稳定性有重要影响。

(3)电路结构

放大器

放大器是电路的重要组成部分，通常采用晶体管放大器或运算放大器。晶体管放大器具有较高的增益和良好的频率特性，适用于高频振荡电路；运算放大器则具有较高的输入阻抗和低输出阻抗，适用于低频振荡电路。

例如，在一个基于晶体管的放大器中，可以通过选择合适的晶体管型号和偏置电路，确保放大器在工作频率范围内具有足够的增益和良好的线性特性。放大器的增益通常需要根据反馈网络的特性进行调整，以满足振荡的幅度条件。

变压器反馈网络

变压器是电路的核心反馈元件，其主要作用是将输出信号从次级绕组反馈到初级绕组。变压器的绕组匝数比、耦合系数等参数对反馈信号的幅度和相位有重要影响。

通过合理设计变压器的绕组连接方式，可以实现所需的反馈相位。例如，采用反相连接方式可以使反馈信号与输入信号同相，从而满足振荡的相位条件。同时，变压器的耦合系数需要足够高，以确保反馈信号的幅度足够大，满足振荡的幅度条件。

LC 回路

LC 回路是产生振荡信号的关键部分，由电感（L）和电容（C）组成。LC 回路的谐振频率决定了振荡信号的频率，其计算公式为 f0=(2π(LC)^(0.5))\1。

在电路中，LC 回路通常与放大器和变压器反馈网络紧密相连，共同构成一个完整的振荡系统。LC 回路的品质因数（Q 值）对振荡信号的纯度和稳定性有重要影响。Q 值越高，振荡信号的频率稳定性和纯度越好。

仿真实验如下图所示

2.2 RC振荡电路

2.2.1 RC延迟环形震荡电路

工作原理

RC延迟环形振荡电路是一种利用RC电路的延迟特性与环形结构相结合的振荡电路。其核心原理是通过RC电路的充放电过程来增加信号的延迟时间，从而实现振荡。

基本结构：

电路通常由奇数个反相器（或与非门）组成环路，并在环路中加入RC延迟电路。RC电路由电阻（R）和电容（C）组成，用于调节信号的延迟时间。

例如，一个简单的RC环形振荡器可以由三个反相器和一个RC电路组成。

振荡过程：

假设初始时刻，第一个反相器的输入为高电平（HIGH），其输出为低电平（LOW）。这个低电平信号经过RC电路延迟后，到达下一个反相器的输入，再经过反相器的反相作用，输出为高电平。

信号在环路中不断循环，每次经过反相器都会反相和延迟，最终导致振荡信号的产生。

振荡频率：

振荡频率取决于RC电路的延迟时间和反相器的数量。振荡周期 T 可以通过公式 T≈2.2RC 近似估算，其中 R 是电阻值，C 是电容值。

通过改变RC值，可以方便地调节振荡频率。

仿真实验如下图所示

2.3 石英晶体振荡电路

2.3.1 工作原理

基本结构：

电路通常由奇数个反相器（或与非门）组成环路，并在环路中加入RC延迟电路。RC电路由电阻（R）和电容（C）组成，用于调节信号的延迟时间。

例如，一个简单的RC环形振荡器可以由三个反相器和一个RC电路组成。

振荡过程：

信号在环路中不断循环，每次经过反相器都会反相和延迟，最终导致振荡信号的产生。

振荡频率：

振荡频率取决于RC电路的延迟时间和反相器的数量。振荡周期 T 可以通过公式 T≈2.2RC 近似估算，其中 R 是电阻值，C 是电容值。

通过改变RC值，可以方便地调节振荡频率

仿真实验如下所示

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