频率可调的西勒振荡器

前言

由于研究生又回到电路的方向上了，最近在搞一些模电的相关资料，突然在百度云发现了以前的一个实验，想着看看实验报告，顺便整理一下一个振荡器设计，也是一个参考，实验是大三做的应该，过了几年猛一看还有点忘了呢，也提醒了下自己，有啥东西抓紧整理，省的以后都忘了。

实验要求

• 实验目的及实验内容要求

进一步熟悉高频电子线路仿真方法。
理解振荡电路的工作原理，熟悉交流分析法。
熟悉振荡器满足振荡的三个条件，并在试验中运用。
了解西勒振荡器的原理和改进的优势。

• 实验设备或运行软件平台

硬件：PC机
软件：Multisim

实验内容及过程

实验原理

西勒振荡器为并联改进型电容反馈三点式振荡电路，其采用共基极的三极管，在克拉泼电路的L两端并联一个电容得到，有效的改善了克拉泼电路的可调范围小的缺点，西勒振荡器输出特性平坦，振荡频率较高。西勒振荡器电路简单，易起振，与电容式三点式振荡器比较具有更高的稳定度、更好的振荡频率，改变C调节频率时不影响反馈系数的优点，因此西勒式振荡器更广泛的应用于在宽频段，频率可调的场合。

其中电路的特点是振荡频率稳定度高，调整范围大，电路的总电容是

因此，振荡频率是

其中 C3为粗调，C4为细调，两者相互调整使电路的调频范围扩大。

设计电路仿真系统

根据实验原理，设计西勒振荡器原理图如下图所示，在Multisim中找到相应的器件并连接起来，构成如下的电路图。

参数设置

• 静态工作点设置

合理的选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振难度，工作的稳定性，波形质量的好坏又十分密切的关系。振荡器的静态工作点选择在靠近截止区的地方。根据此原则，计算参数如下

• 振荡回路的元件参数运算

回路中既有电感元件，又有电容元件，因为电感元件占少数，因此，先确定电感元件的数值，取L=10uH，再根据电感元件计算电容元件的参数值，振荡器频率为

因为宽频带可调振荡器，可令振荡频率在5Mhz<f<15Mhz区间内振荡
由于在本电路中根据公式计算得 11pF<C4+C5<101pF
因此取可变电容C4=30pF ，C5=100pF同时，在保证总电容近似等于C4+C5那么要求C2、C3>>C4、C5 ，因此取C2=470pF，C3=1000pF。

实验步骤及实验数据记录

1．按照以上电路连接，开启仿真，调节电容和基级偏置电阻R1，使示波器出现振荡正弦波形，并用频率计测量振荡频率并记录。


2．调节偏置电阻R1观察稳定后波形的变化并记录。
R1=70kΩ

R1=60kΩ

R1=50kΩ

R1=30kΩ

3．调节电容C4、C5，并记录当频率在5Mhz~15Mhz时C4+C5的数值

频率（Mhz）	5	7	9	11	13	15
C4（pF）	83	36	14	10	10	8
C5（pF）	26.4	14.7	14.7	8.4	3.9	2.4
电容值（pF）	109.4	50..7	28.7	18.4	13.9	10.4
理论值（pF）	101.3	51.7	31.3	20.9	15.0	11.3

实验数据分析

在第一步实验中，通过调节基级偏置电阻，电路很容易自激形成高频正弦波，前提是必须满足振荡器震荡的三个条件，即起振条件，平衡条件和稳定条件，这点在设计电路的时候就已经完成，再者就是要满足三点式电路三个极两两之间的关系，对于此电路来说基级集电极中间的应为感性电抗，因此C4和C5的电容和不宜过小，否则，将使得基级和发射极之间的电抗成容性。
第二步实验中通过调整R1可以使振荡起来的正弦波幅值发生改变，R1增大，电压幅值减小，其原因是，增大R1基级的偏置电压减小， 从而导致之路负载特性曲线变缓，在交流因此放大后的的幅值也减小。
第三步实验，是使振荡器生成不同频率的正弦波，并和理论的值相比较，通过调节C4、C5的数值可以改变谐振网络的电抗阻值，但是始终要保持感性电抗，因此，根据公式算得C4+C5的数值，并在实验中调节两个电容，经过比较，在较低频率下实验值和理论值相差无几，但是随着频率的增高，实验数值小于理论值，分析其原因是因为，在分析交流电路时，因为C2和C3数值较大，在计算总电容时，将其忽略，但是在高频时，由于C2、C3的电抗减小，因此变得不可忽略，将C2、C3的数值考虑进去才使得C4、C5的数值小于理论值，再有就是由于三极管极间电容的影响，但是因为影响较小，因此在此忽略不加考虑。

总结与体会

实验任务完成情况

本次实验是自主设计实验，通过以前对三点式振荡电路、克拉泼振荡电路的了解，从而衍生出西勒振荡电路，西勒振荡电路就是在克拉泼的基础上增加一个电容，在本次试验中我将其换成了可变电容以便于探究电容的作用和影响。
本次实验可以说是十分成功，西勒振荡器的模型通过查阅资料所得，其中的各元件参数值均是由手算得出，详细的计算过程如上面的原理所示，设计完电路后，在进行仿真的时候稍加修改就成功，虽然有的时候不能直接起振，但是在修改基级偏置之后由于给了个硬激励电路很容易既可以完美的起振，且仿真出的正弦波形基本可以接受，由于谐振不好导致的正弦波顶部的部分失真可以忽略，在探究电容的作用时，理论计算出来的数值，基本和实验得出的数值相似，误差在可接受的范围内，在分析误差时也通过查阅资料将误差产生的原因一五一十的解释清楚。

实验体会、收获、建议回答问题

本次试验获益匪浅，通过设计LC西勒振荡电路，将所学习的高频知识和以前的低频基础联系起来，并在此基础上，实际出的电容反馈振荡器加深我对振荡电路的理解，在实验过程中，也熟悉三点式振荡电路，克拉泼振荡电路的工作原理，并在实验中将三种振荡电路进行比较。让我对三种电路的优缺点有了更深的认识，三点式振荡电路是基础，后面两者都是在此基础上进行的修改，克拉泼电路的振荡频率较高，但是频率的覆盖率较小，而西勒振荡器在保持高频震荡的基础上，拓宽了频带宽度，使频率的覆盖率增大，且震荡的幅值比较稳定。
在本次实验中也让我体验到理论计算的重要性，通过理论的设计然后在进行实验的验证，知行合一，从而得到更加充分的学习和认识，实验中不起振，振幅小的等问题通过理论分析然后在对电路元件的参数值进行修改，来达到一个上下对称尽可能不失真的正弦振荡波形。