正弦信号发生器的研究

本科毕业论文（设计）

(2014届）

正弦信号发生器的研究

院 系 电子信息工程学院

专 业 电子信息工程

姓 名 张*

指导教师 钟** 讲师

2014年4月

2

摘 要

随着电子技术的飞跃发展，社会发展步入了信息时代；随着生活水平提高，人们对精神生活的要求也跟着提高，这对电子领域提出了跟更高的要求。所以我们有必要在电子技术的各个领域不断创新、提高。正弦信号发生器广泛地应用于电子电路，自动控制系统，仪表测量校正调试和教学实验等领域。

本文利用仿真软件Proteus，以RC振荡电路、LC振荡电路、石英振荡电路为选频网络，仿真出三种正弦信号发生器的电路，通过仿真结果分析电路参数对正弦信号发生器性能指标的影响。其中研究RC振荡电路中电阻、电容对振荡频率的影响；讨论电位器对 振荡电路输出波形的影响；讨论谐振回路的电容对振荡频率和反馈系数的影响；研究负载电阻对电路输出波形的影响等。

关键词：正弦信号发生器；Proteus；LC振荡电路；RC振荡电路

Abstract

With the rapid development of electronic technology, social development has entered the information age; with the improvement of living standards, the requirements on the spiritual life of people has also been increased, which put forward with the higher request to the electronic field. So we need to constantly innovate and improve in all areas of electronic technology. Sinusoidal signal generator is widely used in the field of electronic circuits, automatic control system, instrumentation correction debugging and teaching experiment etc.

On this paper, by using the simulation software Proteus, the RC oscillation circuit, LC circuit, crystal oscillation circuit for the frequency selective network, I simulated a circuit of three sinusoidal signal generator. Through the simulation results, I analyzed the influence of circuit parameters on the performance of the sinusoidal signal generator.Among which make a research on the effect of the resistance, capacitance of oscillation frequency in the RC oscillation circuit; discuss the effects of potentiometer to oscillation circuit output waveform; discuss the influence of capacitance in the resonant circuit on the oscillation frequency and the feedback coefficient of load resistance; and study the impact of load resistance on the circuit output waveform,etc.

Keywords: sinusoidal signal generator; Proteus; LC circuit; RC oscillation circuit;

目 录

摘 要 ..................................................... I Abstract ..................................................... II 目 录 ..................................................... III

1 绪论 ....................................................... 1

1.1 本课题研究的背景及意义 .................................... 1

1.2 信号发生器的发展 .......................................... 1

2 电子设计软件Proteus简介 ................................... 2

2.1 Proteus的概述 ............................................. 2

2.2 基本组件 .................................................. 3

2.3 基本操作 .................................................. 3

2.4 原理图的绘制 .............................................. 4

3 电路的设计方案 ............................................. 4

3.1 正弦信号发生器的功能、分类 ................................ 4

3.2 正弦信号发生器的性能指标 .................................. 5

3.3 正弦波发生电路 ............................................ 7

4 仿真结果及分析 ........................................... 11

4.1 RC振荡电路仿真结果 ...................................... 11

4.2 LC振荡电路仿真结果 ...................................... 12

4.3 电感三点式与电容三点式振荡电路的比较 ...................... 16

5 小结 ...................................................... 16

参考文献 ................................................... 18

1 绪论

1.1 本课题研究的背景及意义

随着电子技术的飞跃发展，社会步入了信息时代；同时随着信息时代对人才高素质和信息化的要求以及高等教育发展的趋势、生活水平提高，人们对精神生活的要求也渐渐地跟着提高。电子通讯技术的应用在现代生活中已经无处不在，有利的推动生产力的发展以及社会信息化程度的提高，同时电子通讯产品性能不断提高，产品更新的节奏也越来越快。这对电子领域提出了更高的要求，所以我们有必要在电子技术的各个领域不断创新、提高。信号发生器又称信号源或振荡器[1]，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。正弦波的电路被称为函数信号发生器，其频率范围可从几个微赫到几十兆赫，除供通讯、遥控和热处理设备中外，还广泛用于各种电子设备中。例如，无线电发射机中的载波信号源，接收设备中的本地振荡信号源，各种测量仪器像信号发生器、频率计、FT测量仪中的核心部分和自动控制环节，都离不开正弦信号发生器。信号发生器也是控制系统的重要组成部分，是工业自动化中不可缺少的测量设备，因此在许多高科技领域都得到了非常广泛的应用，如设计与测试、汽车制造业、生物医学、传感器仿真、函数发生器等领域。因此通过借鉴国内外研究工作的先进经验，研制出高精度、可靠性、可调参数的数字量信号发生器，对于促进我国航空、航天、国防及工业自动化等领域的发展，跟随和赶超世界先进水平均有重要意义。

本课题的主要目的是为了学以致用，利用掌握的知识和技能分析与解决问题。本设计通过对电路设计的流程和要求的掌握，以及对Proteus应用软件的了解使我们学会设计和分析电路并分析仿真结果，加深对所学知识的理解，提高我的专业技能水平。

1.2 信号发生器的发展

信号发生器是一种最悠久的测试仪器，早在二十世纪20年代年代电子技术刚出现时信号产生电路就产生了。紧接着由于电子通信和无线电技术的快速发展发展，二十世纪40年代出现了主要运用于测量各种接收机的标准信号发生器，从而把是定性分析的测试仪器的信号发生器发展成定量分析的测试工具。与此同时还发明了脉冲信号发生器，它是可用来测量脉冲电路或者作为脉冲调制器。由于在前期的振荡器的内部结构比较复杂，功率也比较大，同时也拥有比较简单的电路，因此速度发展的相对较慢。在二十世纪六十年代中期才诞生了第一台全晶体管的信号发生器。

自从60年代以后，信号发生器发展的非常的迅速，人们紧接着发明了函数发生器，这个时期的信号发生器一般采用模拟电子技术[2]，由分立元件或模拟集成电路构成，此时的信号发生器电路比较复杂，而且只能够输出正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种比较简单的信号波形，随后人们发现模拟电路的漂移较大，导致信号发生器输出的波形的幅度不稳定，而且，输出波形的性能比较差，而且模拟器件构成的电路存在着许多缺

点，例如，尺寸比较大、价格比较贵、功耗也较大，并且如果要产生比较复杂的信号波形则要求电路结构非常复杂。自从二十世纪70年代，微处理器出现以后，人们利用微处理器、A/D和D/A技术[3]，同时利用硬件和软件扩大信号发生器的许多功能，产生比较复杂的波形。这时期的信号发生器大多数以软件为主，但是，那时的信号发生器实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。当然，由于是软件控制波形的导致了产生的波形频率比较低，这主要是取决于微处理器的工作速度，如果想提高波形频率可以改进软件程序，就是要减少其执行周期或者提高微处理器的时钟周期，但是这些办法是有限度的，改进硬件电路才是根本的办法。 随着现代的电子技术、计算机和信息处理等技术的快速发展，同时也极大促进了数字技术在电子测试仪器中的应用，从而使数字化技术[4]慢慢地代替了模拟技术，从而增强了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理带来的的许多不足，从而数字信号发生器也快速地发展起来。

在当今的信息时代，信号发生器的应用非常广泛，种类很多。首先，信号发生器可以分通用和专用两大类，专用就是主要为了某种特殊的测量而开发制造的，例如，电视信号发生器、广播信号发生器等等。当然这种信号发生器的特性是由受测量对象的要求所限制的。其次，信号发生器按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函数发生器和任意波发生器等。再次，按照产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。

随着通信、电子及微电子技术的快速发展，对各种高性能的测试仪器、高频段信号发生器的需求越来越多，我国数字合成信号发生器发展也较快，并广泛应用在通信、雷达、无线电导航、影视音响以及电测试仪器等领域。我国信号发生器行业目前发展形势良好，该行业企业正逐渐产业化，规模化发展，随着我国信号发生器行业需求市场的不断扩大以及出口不断增加，我国信号发生器行业将迎来一个新的发展机遇。

2 电子设计软件Proteus简介

2.1 Proteus的概述

有了protel、Multisim、proteus、psice等一系列的软件的存在，就此便可以以虚代实、以软代硬，独立建立一个完善的虚拟实验室。代替了在实验室和教室里的以实物进行实践的方式，可以在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。因此这一系列的软件受到广大电子设计爱好者的青睐，是他们工作、学习上难得的工具软件，也因此它们在全球得到了广泛应用。

其中，Proteus是英国Labcenter electronics公司开发的EDA工具软件[5]。Proteus软件提供多达30多个元件库，元件涉及到数字和模拟、交流和直流等，有RAM、

ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。它的功能强大，集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术所涉及的电路进行仿真与分析，还能够对CPU进行设计、仿真和分析，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。它还提供多种现实存在的虚拟仪器，这些仪表有极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响。

此外，Proteus软件还有图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus 提供了两种方法：系统总体执行效果和对软件的分步调试。它还提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试，这些测试信号包括模拟信号和数字信号。在用Proteus进行仿真和程序调试时，只要关心从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。它还提供Schematic Drawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真PIC、AVR、51系列等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如示波器、373、led等。

2.2 基本组件

Proteus有以下组件组成：

(1) 原理图输入系统

(2) 电路仿真

(3) 未处理软件协同仿真

(4)源码级调试

(5)诊断信息

(6)外围器件模型库

2.3 基本操作

图形编辑的基本操作包括：

(1) 对象放置

(2) 选中对象

(3) 删除对象

(4) 拖动对象

(5) 拖动对象标签

(6) 调整对象大小

(7) 调整对象的朝向

(8) 拷贝所有选中的对象

(9) 移动所有选中的对象

(10)删除所有选中的对象

2.4 原理图的绘制

原理图绘制可按照如下步骤进行：

(1)画导线

(2) 画总线

(3) 画总线分支线

(4)放置总线将各总线分支连接起来

(5) 跳线

(6)放置线路节点

3 电路的设计方案

3.1 正弦信号发生器的功能、分类

3.1.1 正弦信号发生器的功能

信号发生电路是用于产生一定频率和幅度的变化信号，也称为振荡器。振荡电路的功能是在没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定波形和一定振幅的交变震荡信号输出。而正弦波振荡电路的功能是在没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定振幅的波形为正弦波的信号输出。即电路在没有输入信号的条件下，接通电源Vcc后，电路输出的信号u(t)=Umsin(wt+φ)或u(t)=Umcos(wt+φ)[6]。

振荡器在通信领域应用范围极广。在无线电通信、广播和电视发射机中，正弦波振荡器用来产生运载信息的载波信号；在超外差接收机中，正弦波振荡器用来产生“本地振荡”信号以便与接收的高频信号进行混频；在测量仪器中，正弦波振荡器作为信号发生器、时间标准、频率标准等应用。

3.1.2 正弦信号发生器的分类

根据选频网络的不同，正弦波发生电路可以分为由电阻R和电容C构成的RC正弦波发生电路，振荡频率较低，一般在1MHz一下；由电感L和电容C构成的LC正弦波发生电路振荡频率较高，一般在1MHz以上；由石英振荡器组成的正弦波发生电路也可等效为LC正弦波振荡电路，其特点是振荡频率非常稳定。而按照有无外界激励，可以分为自激和他激波形发生电路，RC、LC和石英振荡器组成的电路属于自激振荡电路。

正弦波发生电路的基本结构是在放大电路中引入正反馈。为产生稳定可靠的振荡，主要需要具备四方面的条件：

① 接入正反馈，成为相位条件，是产生振荡的首要条件。

② 满足幅度条件。

③ 保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具备选频特性。

④ 稳幅特性。

故正弦波一般包括放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅电路四部分[7]。

放大电路：保证电路能够从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。

正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。

选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。

稳幅电路：也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。

3.2 正弦信号发生器的性能指标

3.2.1 反馈振荡器产生振荡的原因及其工作原理

反馈性振荡器是通过正反馈连接方式实现等幅的正弦波振荡电路。这种电路可以分成两个部分，一个是放大电路，二是反馈电路。图3-1所示的为反馈振荡器构成方框图和相应的电路。由图可知道，当开关经过放大器放大后，在输出端产生输出信号，若经过反馈网络并在反馈网络输出端得到的反馈信号与不仅大小相等，而且相位也相同，即实现了正反馈。若此时除去外加信号，将开关由1端转接到2端。使放大器和反馈网络构成一个闭环系统，那么，在没有外加信号的情况下，输出端仍然可以维持一定幅度的电压，从而实现了自激振荡的目的。

图3-1反馈振荡器构成方框图

为了使振荡器的输出为一个固定频率的正弦波，图3-1所示的闭合环路内必须含有选频网络，使得只有选频网络中心频率的信号满足相同的条件而不产生振荡。选频网络可以和放大器相结合构成选频放大器，也可以与选频网络相结合构成选频反馈网络。

U (3-1) 电压增益： Aoi



U (3-2) 反馈系数： Ffo

3.2.2 平衡条件

振荡器的平衡条件即为： AF1 (3-3)

AF2n （n=0,1,2,3,…,n） (3-4) 即为振幅平衡条件和相位平衡条件。A为电压增益，F为反馈系数，A为放大器引入的相移，F为Uf和Uo的相位差。平衡状态下，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时输出幅度将不在变化：振幅平衡条件决定了振荡器输出信号振幅的大小；环路只有在某一特定的频率上才能满足相位平衡条件：相位平衡条件决定了振荡器输出信号频率的大小。

3.2.3 起振条件

振荡器在实际应用时不应有外加信号，而应是一加上电后即产生输出；振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声。振荡开始时激励信号很弱，为使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡[8]。为了自激振荡的输出电压，使振荡能够建立起来，电路必须满足： AoF1 (3-5)

AF2n n=0,1,2,3,…,n (3-6) 其中，A0为当电源接通时的电压增益[9]。分别称为起振的振幅条件和相位条件。

3.2.4 稳定条件

振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件[10]。

(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

振荡器的相位平衡条件是AF2n ，在振荡器工作时，某些不稳定因素可能破坏这一平衡条件。如电源电压的波动或工作点的变化可能使晶体管内部电容参数发生化，从而造成相位的变化，产生一个偏移量Δφ。

由于瞬时角频率是瞬时相位的导数，所以瞬时角频率也将随着发生变化。为了保证相位稳定，要求振荡器的相频特性在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力。具体来说，在平衡点ww0附近，当不稳定因素使瞬时角频率ω增大时，相频特性应产生一个-Δφ,从而产生一个-Δω，使瞬时角频率ω减小。

3.3 正弦波发生电路

3.3.1 RC正弦波振荡电路

RC正弦波振荡器可产生幅值连续可调和频率可调的正弦波. 采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC正弦波振荡电路；它适用于低频振荡。在正弦波振荡电路中，一要反馈信号能够取代输入信号，即电路中必须引入正反馈；二要有外加的选频网络，用以确定振荡频率。文氏桥正弦波振荡电路如下所示，

图3-2 文氏桥正弦波振荡电路

对于RC振荡电路来说，通过以下计算，求出RC串并联选频网络的频率特性和振荡频率fo： U Ff (3-7) UoR1R//1

jwCjwC

R//1jwC

 整理，可得 F

113j(wRC)wRC (3-8)

令w0RC, 则 fo2RC (3-9)

1 代入上式，得出 F (3-10) o3j()fof

幅频特性为 F1 (3-11) ff9(o)2

fof

f1f 相频特性是 Farct(o) (3-12) 3fof

图3-2中RC串并联网络在此作为选频和反馈网络接在运算放大器的同相输入端，构成了具有选频特性的正反馈，R4、RV1和二极管D1和D2接在运算放大器的输出端和反相输入端之间，构成了具有稳幅环节的负反馈。电位器可以用来调节振荡形状。当RC选频网络在fof时，F=1/3，F0。由此可以知道，由起振条件公式(3-5)可知，振荡电路要想起振，电压增益必须大于3，所以放大倍数大于3，相位角等于2nπ，可以使得RC振荡电路满足自激振荡的振幅和相位条件，并产生自激振荡。RC振荡电路的振荡频率为：

fo1 (3-13) 2RC

稳幅二极管应该选用温度稳定性较好的硅管，而且的特性必须一致，以保证输出波形的正负半周对称。选择的运放要求输入电阻高、输出电阻小，而且增益带宽积[11]要求满足条件。

3.3.2 LC正弦波振荡电路

三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的反馈型振荡器。

三点式振荡电路用电感耦合或电容耦合代替变压器耦合，可以克服变压器耦合振荡器只适宜于低频振荡的缺点，是一种广泛应用的振荡电路，其工作频率可从几兆赫到几百兆赫。

电感三点式振荡电路如图3-3所示 ，也称为哈特来振荡电路。

图3-3 电感三点式振荡电路

如图3-3所示，电感L1、L2和电容C4构成了正反馈选频网络。回路中的三个端点分别于晶体管的三个电极连接，反馈信号取自电感线圈L2两端电压，形成正反馈，满足了振荡的相位条件。适当地选择L1、L2的比值就可以使得电路起振。如果L1、L2之间耦合密切，那么正反馈就会较强，使得起振容易成为了电感三点式振荡电路的特点。

改变谐振回路的电容，可以调节振荡频率。由于反馈信号取自电感，而线圈对高次

谐波呈现干阻抗，故不可以抑制干次谐波的反馈，使得振荡信号输出信号的质量一般。电感三点式振荡[12]电路的谐振频率为：

fo

反馈系数的数值为：

FL2 (3-15) L11 (3-14) 2(L1L2)C4

电容三点式振荡电路如图3-4所示，也称为考毕兹振荡电路。

图3-4 电容三点式振荡电路

如图3-4所示，电容三点式振荡电路的反馈信号从电容C4取出，电容对高次谐波呈

现较小的容抗，反馈信号中高次谐波的分量小，故该振荡电路的输出信号质量较好。改变电容C1和C4可以调节振荡电路的输出频率，但同时也改变了正反馈的大小，因此，输出信号幅度发生变化，严重时甚至会使得振荡电路停振。电容三点式振荡电路的谐振频率为：

fo

2L1C1C4

C1C4 (3-16)

反馈系数的数值为： FC1 (3-17) C4

电感三点式与电容三点式振荡电路的比较：

电容三点式振荡电路：

(1)高次谐波成分小，输出波型好；

(2)振荡频率可以做得更高；

(3)频率不易调。

电感三点式振荡电路：

(1)频率易调；

(2)输出波形差；

(3)振荡频率不能太高。

3.3.3 石英晶体正弦波振荡电路

在振荡电路中，实现稳频比实现稳幅难度要大，对于LC振荡电路来说，由于振荡回路的品质因数Q值不要高，故振荡电路的频率稳定度不是很高。为提高振荡电路的频率稳定度，经常使用石英晶体谐振电路代替一般的LC谐振回路。从石英晶体的等效电路可知其等效电感很大而电容很小，回路的品质因数Q很大。其特点是振荡频率特别稳定，常用于要求高稳定振荡频率的场合。

石英振荡电路形式多种多样，基本电路分为两种，即串联型晶体振荡电路和并联型晶体振荡电路。串联型晶体振荡电路如图3-5所示，

图3-5 串联型晶体振荡电路

该电路其实是一个电容三点式振荡器，只是在振荡回路与晶体管发射极之间的反馈

支路上接入了一个石英谐振器。石英晶体接在正反馈回路中，谐振时反馈最强，电路满足自激振荡条件。该电路的振荡频率为石英晶体的固有频率，调节RV1的大小可以改变反馈的强度，从而获得良好的输出波形。并联型晶体振荡电路如图3-6所示。

并联型晶体振荡电路[13]是电容三点式振荡电路中的电感换成石英晶体。此电路的振

荡频率为石英晶体与C3、C4组成的并联型谐振频率。实际上C3、C4远大于石英晶体的等效电容C，因此，电路的振荡频率主要是由石英晶体的等效电容C决定，谐振频率近似为晶体的固有频率[14]。故石英晶体构成的振荡电路很稳定。

图3-6 并联型晶体振荡电路

4 仿真结果及分析

4.1 RC振荡电路仿真结果

运用Proteus仿真工具按图3-2正弦波振荡电路图设置各元件的参数，仿真出的结果，如图4-1所示：

图4-1 RV120k的RC仿真输出波形

根据电路图3-2中电阻R=10kΩ，电容C=0.01uF,其中R1R2R，C1C2C。电路参数利用公式(3-13)谐振频率的计算公式得1592.36Hz，再根据输出图像观察出大致的周期，取倒数，得出实际的振荡频率值为1562.56Hz。同时在电路图中输入的激励源信号的频率f=1600Hz。比较f和fo的值可以发现：在误差的允许范围内，f和fo两个值基本相等。因此，得出反馈系数F≈1/3。相频特性值F0。满足RC振荡电路自激振荡的振幅和相位条件，从而振荡电路能够振荡。如图4-2所示。

图4-2 RV150k的RC仿真输出波形

改变电位器的阻值，由原来的RV120k改成RV150k，我们从图4-1和图4-2的结果能够发现输出波形的幅度发生了变化，振荡频率f没有变化，大约在1.6kHz左右，振荡波形发生了变化。因此，说明了RC振荡电路中的电位器能够调节振荡波形[15]形状。 从振荡频率的计算公式(3-13)可知，RC振荡电路的频率主要取决于电阻R和电容C，若想得到较高的频率，则必须减小电阻和电容但是随着R的减小将使得放大器负载加重，电容C较小受到分布电容的限制。因此，RC振荡电路一般用于1MHz以下的低频振荡。

4.2 LC振荡电路仿真结果

4.2.1 电感三点式振荡电路仿真结果

运用Proteus仿真工具按图3-2正弦波振荡电路图设置各元件的参数，研究在两个电感值不变的情况下，只改变电容对振荡电路谐振频率的影响。为了保持电路能够振荡并且保持，以便更好地对频率变化的研究，L2L1的比值应该保持大约在7~4之间。

图4-3 C4100pF的仿真波形及放大后的波形

图3-2中电感L15uH,L21uH,电容C4100pF，负载R31k，仿真后得到如图4-3所示的振荡波形及放大后的输出波形。由谐振频率计算公式(3-13)计算出理论上的谐波频率fo6.5MHz。由放大后的图形计算出一个近似的周期，然后取周期倒数，可算得谐振频率[16]的近似值为5.74MHz。

图4-4 C4400pF的仿真波形及放大后的波形

如图4-4所示，两个电感L1、L2的值保持不变，改变电容C4400pF，由(3-13)谐振频率计算公式计算出理论上的谐波频率fo3.25MHz。由图4-4中的仿真放大后的图形可算得谐振频率的近似值为4.1MHz。

图4-5 C41600pF的仿真波形及放大后的波形

如图4-5所示，两个电感值不变，改变电容C41600pF，由谐振频率计算公式计算出理论上的谐波频率fo1.625MHz。由图4-5的放大后的波形可算得谐振频率的近似值为1.51MHz。

因此，由以上三幅仿真图形可以看出，在适当选取电感值使得电路起振后，改变电容值时，会改变振荡频率，然而，随着电容的不断增加，仿真后输出的波形的实际谐振频率也是不断减小的，且谐波成分也不断增加，即失真得也是越来越严重，同时，当不断减小时，仿真输出波形也会严重失真[17]。因此，我们可以得出：电感三点式振荡电路中，保持电感不变时，改变电容时，不论是减小还是增大，都会使得输出波形失真，所以为了保持图形稳定振荡，电容值只能在一段范围内改变。对于不会改变振荡电路的反馈系数，是由于反馈电压取自电感两端电压，对高次谐波呈现的感抗较大，因而，输出波形较差，所以在实际中很少使用。

4.2.2 电容三点式振荡电路仿真结果

(1)同样的运用仿真软件Proteus，按照图3-4振荡电路的参数设置，主要研究电容对振荡电路起振和输出的影响，保持C1220pF不变，负载电阻R31k，其他电器元件值也保持不变。如图4-6所示。

图4-6 C410pF的仿真输出波形

在图4-6中，对应的电路中C1，负载R3的值都不变，改变C410pF，由公式(3-17)的反馈系数计算的值为22，输出图形很差。

图4-7 C4400pF的仿真输出波形

在图4-7中，对应的电路中C1，负载R3的值不变，改变C4400pF，由公式(3-17)的反馈系数计算的值为0.55，输出图形一般。

在图4-8中，对应的电路中C1，负载R3的值不变，改变C4800pF，由公式(3-17)的反馈系数计算的值为0.275，输出图形较好。 由以上四幅仿真波形观察可得反馈系数FC14，C4减小，反馈系数增大；C4增大，反馈系数减小，F太大或太小都不利于起振。另外，经过计算反馈系数值和图像观察可得：反馈系数越大，输出正弦波失真越大即谐波成分越多。

图4-8 C4800pF的仿真输出波形

(2)同样的运用仿真软件Proteus，按照图3-4振荡电路的参数设置，主要研究负载电阻对振荡电路输出电路的影响，保持两个电容C150pF，C4220pF，

如图4-9所示，

图4-9 R31k的仿真输出波形

图4-9对应的振荡电路中的负载R31k，两个电容值保持不变，观察图4-9可以得出幅度值为2V。

图4-10 R33k的仿真输出波形

图4-10对应的振荡电路中R33k，两个电容值保持不变，观察图4-10可以得出幅度值为2.6V。

图4-12 R35k的仿真输出波形

图4-11对应的振荡电路中R35k，两个电容值保持不变，观察图4-11得出幅度值为3V。由谐振频率的计算公式(3-16)可计算出电路谐振频率，三幅输出的谐振频率在误差允许范围内大约是相等的，值为3.6MHz，由上面三幅输出波形图可计算出实际的谐振频率，同样的，是在误差范围内得出值为3.45MHz，

由以上三幅仿真图可观察得出：随着负载不断增大，仿真电路的输出幅值不断增大。且对谐振频率无影响。

4.3 电感三点式与电容三点式振荡电路的比较

4.3.1 振荡电压

电容三点式振荡电路能够振荡的最高频率通常较高，而电感三点式振荡电路器的最高振荡频率较低。这是因为在电感反馈振荡器中，晶体管的极间电容是与并联的，当频率高时，极间电容影响加大，可能使支路电抗性质改变，从而不能满足相位平衡的条件。而在电容三点式的振荡器中，极间电容是、并联的，频率变化时阻抗性质不变，相位平衡的条件不会被破坏。

4.3.2 振荡电压

电容三点式振荡器产生的振幅电压波形比电感三点式振荡器产生的波形要好。这是因为在稳定振荡时，晶体管工作在非线性状态，在回路上除了基波电压外还有少量的谐波电压。因为电容三点式振荡电路的基极和发射极之间接有电容，它对谐波的阻抗很少，谐波电压小，因而使集电极电流中的谐波分量和回路的谐波电压都小。电感三点式振荡电路正好相反，基极和发射极之间接有，谐波电压大，使电感反馈输出的谐波电压较电容反馈为大，输出电压波形较差。

5 小结

为期两个月的毕业设计已经结束了。自开题报告以来的工作，先不断地查阅各种相关资料，学习了正弦信号发生器的工作原理，以及正弦信号发生器的分类及分类依据。并同时学习仿真软件Proteus，仿真软件Proteus，以RC振荡电路、LC振荡电路、石英振

荡电路为选频网络，仿真出三种正弦信号发生器的电路，通过仿真结果分析电路中电阻、电容、电感等对振荡电路输出波形的影响。

在编写毕业论文的过程中，我遇到了诸多问题，例如，我对RC振荡电路，LC振荡电路理解的不透彻；我同时对于RC振荡电路、LC振荡电路的仿真也出现了许多问题，一些电路在设置参数时考虑的不全面，有时候忽略了起振前提，导致我浪费了许多时间；有时候我在画RC电路时忘了考虑振荡电路的振荡频率是否是在1MHz以下，同样的也导致我失去了很多时间。当然，在参数设置上，没有设置一些计算方便的理论参数，而是，照着书本上照搬照抄，也给计算带来了一些麻烦。

当然了，虽然遇到了许多问题，但是，在老师的不厌其烦的指导和同学的相互学习下，我最终克服了难题，完成了我的毕业论文，为我大学四年画上了圆满的句号。写论文的过程也是一种对自己的考验，对自己的一种测试，让自己把大学里所学的专业课的知识运用融合起来，使自己不仅要会学，而且更要会用。把自己所学的展示出来，给自己、学校和父母一个答案。

参考文献

[1] 沈伟慈.通信电路（第二版）[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2007.

[2] 阳昌汉.高频电子线路(第一版) [M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2000.

[4] 陆利忠，邵高平.电子线路与电子系统[M].北京：国防工业出版社，2013.

[5] 谢龙汉，莫衍.Proteus电子电路设计及仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.

[6] 康华光.《电子技术基础》模拟部分[M].北京：高等教育出版社，2008.

[7] 曹才开，姚屏.高频电子线路原理与实践[M].湖南：中南大学出版社，2010.

[8] 张肃文.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2007.

[9] 吴昭防.电子技术基础实验教程[M].安徽：中国科学技术大学出版社，2011.

[10] 康华光.陈大钦.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1998.

[11] 吴慎山.电子线路设计与实践[M].北京：电子工业出版社，2005.

[12] 吴友宇.高频电路与系统设计[M].江苏：东南大学出版社，2008.

[13] 曾兴雯.高频电路原理与分析[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2006.

[14] 吴友宇.模拟电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2008.

[15] Paolo Antog net ti. Semiconductor Device Modeling with SPICE [M] . New York： McGraw -Hill Book Company ，1988.

[16] Rashid M H. SPICE for circuits and electronics using Pspice [M] . New Jersey： Eng lew o od Cliffs Pr entice-Hall Inc，1990.

[17] 田社平, 蔡萍, 陈洪亮, 张峰.文氏桥式振荡电路特性及数值仿真分析[J].电气电子教 学学报, 2007，12(3): 38-40.