基于Multisim的西勒振蕩器設(shè)計(jì)與仿真

王海梅，侯艷紅

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安710300）

高職高專高頻電子線路是電子通信類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，涉及到通信系統(tǒng)中高頻單元電路的功能、結(jié)構(gòu)及性能分析等理論知識，同時也具有培養(yǎng)學(xué)生高頻電路設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)能力的目的[1]。該課程正弦波振蕩器部分理論較抽象，借助實(shí)踐環(huán)節(jié)演示不同振蕩器的原理、特點(diǎn)、電路結(jié)構(gòu)等較難實(shí)現(xiàn)，大部分學(xué)生接受知識效果差，設(shè)計(jì)電路費(fèi)勁且不知道如何仿真分析。文中以Multisim 10為平臺[2]，設(shè)計(jì)了振蕩頻率為404.978 kHz,峰峰值為8.00 V的西勒振蕩器電路，分析了參數(shù)調(diào)整引起的電路特性變化規(guī)律。Multisim電路仿真軟件引入到理論教學(xué)中，既加深了學(xué)生對理論知識的理解，又激發(fā)了學(xué)生利用仿真平臺進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的積極性，進(jìn)而起到了聯(lián)系理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力培養(yǎng)的紐帶作用[3]。

1 電路設(shè)計(jì)

振蕩器主要由放大電路、選頻電路和反饋電路組成，只有同時滿足振幅和相位平衡條件，系統(tǒng)才有可能產(chǎn)生振蕩[4]。西勒振蕩器原理圖如圖1所示。

1.1 靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖1 西勒振蕩器原理圖Fig.1 Schematic Seiler oscillator

一般原則是在滿足起振條件下應(yīng)選擇較低的工作點(diǎn)，振蕩電路起振后，振幅增大，振蕩將在截止區(qū)進(jìn)入振幅穩(wěn)定狀態(tài)，不致使振蕩回路Q值減小，振蕩波形好。一般小功率振蕩器的ICO為(0.5～5)mA之間選取，本設(shè)計(jì)選ICQ為1.15 mA，VCEQ=9.7 V，β=50。 經(jīng)計(jì)算：

取RE=2 kΩ，高頻扼流圈LC以避免高頻信號被旁路，且為晶體管集電極構(gòu)成直流通路。一般取流過R2的電流為(5～10)IBO。

求得 R2=5.1 kΩ，R1=15 kΩ。

1.2 振蕩電路設(shè)計(jì)

振蕩回路參數(shù)的選擇主要根據(jù)振蕩頻率、起振條件和振蕩波形確定。一般振蕩頻率在幾兆赫茲以下的LC回路，C值可選幾皮法，振蕩頻率在幾十兆赫茲時，C值可選為幾十皮法；為了取得振蕩頻率的穩(wěn)定，C值應(yīng)取得大些，以減小晶體管極間電容和引線寄生電容的影響。然而，C值取得過大，會使振蕩回路的Q值和諧振阻抗降低，電路的負(fù)載能力和振蕩振幅減小，導(dǎo)致波形變壞。確定了C后，由振蕩頻率計(jì)算公式可計(jì)算電感L的值。為方便觀察參數(shù)變化引起的電路特性變化，本設(shè)計(jì)取 C4max=470 pF,L=1 mH。 為滿足 C1》C3，C2》C3，取C1=1 nF，C2=33 nF，C3=47 pF。

作為可變增益器件的三極管，必須由偏置電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，以保證起振時工作在放大區(qū)，提供足夠的增益，滿足振幅起振條件[5]。從穩(wěn)頻的角度出發(fā)，應(yīng)選擇特征頻率fT較高的晶體管，這樣晶體管內(nèi)部相移較小，通常選擇fT＞(3～10)fmax，同時希望電流放大系數(shù)β大些，既容易振蕩，也便于減小晶體管和諧振回路之間的耦合，以保證電路的選頻性能和穩(wěn)頻性能[6]。晶體管選擇2N2222或2N2369，負(fù)載端接入探針，運(yùn)用Multisim 10.1設(shè)計(jì)的西勒振蕩器如圖2所示。

圖2 基于Multisim 10.1的西勒振蕩器Fig.2 Seiler oscillator based on Multisim 10.1

說明幾點(diǎn)，可以改變Multisim 10.1界面下電路原理圖連接線顏色（系統(tǒng)默認(rèn)是桔紅色），方法是單擊擬變色線條，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選“改變顏色”；可改變示波器、記錄儀背景色（系統(tǒng)默認(rèn)是黑色），為方便打印，常選擇示波器界面“反向”按鈕，記錄儀界面“Reverse Colors”菜單；選擇記錄儀“Show/Hide Cursors”菜單，可查看示波器被接入通道的精確參數(shù)值。

2 Multisim 10.1仿真分析

2.1 仿真結(jié)果

Multisim 10.1界面下點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，適當(dāng)調(diào)整各儀表參數(shù)值即可進(jìn)行仿真。圖2的頻率計(jì)設(shè)置參數(shù)是：測量頻率，AC耦合，靈敏度1 V，觸發(fā)電平0 V。示波器參數(shù)是：時間軸比例2 ms/DIV、通道A 5 V/DIV，適當(dāng)調(diào)整X、Y位置。仿真穩(wěn)幅時，探針上各量數(shù)值是：電壓峰值7.98 V、電流峰值3.99 mA、電壓有效值2.82 V、電流有效值1.41 mA、頻率405 kHz。頻率計(jì)顯示數(shù)值為404.978 kHz。仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)基本一致。不接入R4時的仿真輸出波形如圖3(a)所示。對應(yīng)圖3(a)的通道A參數(shù)值如圖3(b)所示。

圖3 基于Multisim 10.1的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results based on Multisim 10.1

要想得知圖2的較高精度頻率、電壓峰峰值參數(shù)，可借助仿真界面上“記錄儀/分析列表”、“Show/Hide Cursors”兩個菜單進(jìn)行分析。圖3對應(yīng)的記錄儀/分析列表結(jié)果如圖4所示。 周期 T1=9.084 5n-9.0816 n=2.90×10-6s，T2=9.086 48 m-9.084 50 m=1.98×10-6s，T=(T1+T2)/2=2.44×10-6s， 則 f=1/T=409.84 kHz，由圖 3(b)可知通道 A的 Vp=3.990 3-(-4.061 5)=8.05 V。采用多次求平均值方法可使分析值更接近設(shè)計(jì)值。可見，分析值、仿真結(jié)果基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 記錄儀波形Fig.4 Recorder waveform

2.2 特性分析

2.2.1 頻率特性

頻率是靠調(diào)節(jié)C4來改變的，所以C3不能選得過大，否則振蕩頻率主要由C3和L決定，因而將限制頻率調(diào)節(jié)的范圍。這種電路之所以穩(wěn)定度高，就是靠在電路中串有遠(yuǎn)小于C1、C2的C3來實(shí)現(xiàn)的。若增大C3，該電路就失去了頻率穩(wěn)定度高的優(yōu)點(diǎn)。反之，C3選的太小的缺點(diǎn)是，使接入系數(shù)Pce降低，振蕩幅度就比較小了[7]。通過Multisim 10.1仿真可知，隨C4接入比例逐漸增大，輸出信號頻率逐漸減小，但輸出波形振幅保持8.00 V不變。

2.2.2 反饋特性

通過調(diào)整電容C2值可以觀察電路的反饋特性，數(shù)據(jù)記錄如表1所示。隨著電容C2值逐漸增大，保證振蕩幅度的穩(wěn)定，輸出信號振幅逐漸減小，起振直至進(jìn)入平衡狀態(tài)所需的時間加長。因?yàn)镃3是固定電容，所以諧振回路反映到晶體管輸出端的等效負(fù)載變化緩慢；C1不變，隨C2值增大，故反饋系數(shù)減小。

表1 反饋特性Tab.1 Feedback characteristics

C2=10 nF、40 nF 時的仿真輸出波形如圖 5（a）、（b）所示。

2.2.3 負(fù)載特性

調(diào)整可變電阻R4的接入比例，能夠改變振蕩器的負(fù)載大小，記錄表2所示數(shù)據(jù)。R4的接入比例越大，輸出信號峰峰值越大，頻率基本保持不變。當(dāng)R4接入電路超過50%后，振蕩頻率相對不穩(wěn)定,輸出正弦波波形平滑度降低，呈現(xiàn)較多毛刺，波形失真。當(dāng)輸出正弦波形失真時，還應(yīng)在Multisim下進(jìn)行交流分析和噪聲分析。

圖5 改變C2參數(shù)效果圖Fig.5 Effect chart changed the C2parameter

“交流分析”用來計(jì)算線性電路的頻率響應(yīng)。在交流分析中，首先通過直流工作點(diǎn)分析計(jì)算所有非線性元件的線性、小信號模型，然后建立一個包含實(shí)際和理想元件的復(fù)矩陣。所有的輸入源信號都將用設(shè)定頻率的正弦信號代替。在進(jìn)行交流分析時，電路信號源的屬性設(shè)置中必須設(shè)置交流分析的幅值和相角，否則電路將會提示出錯[8]。“噪聲分析”指噪聲對電路的影響。噪聲是減小信號質(zhì)量的電的或電磁的能量。通過建立一個電路的噪聲模型，再進(jìn)行類似于交流分析的仿真分析。Multisim可建立熱噪聲、閃粒噪聲、閃爍噪聲3種噪聲模型。在進(jìn)行仿真分析前，先觀察電路選擇輸入噪聲參考源、輸出節(jié)點(diǎn)和參考點(diǎn)。

表2 負(fù)載特性Tab.2 The load characteristics

2.2.4 頻率穩(wěn)定度

圖1電路的振蕩頻率為f1=404.978 kHz，為了分析西勒振蕩器的頻率穩(wěn)定度的高低，在該電路的電容C2兩端并聯(lián)一個10 nF的電容，觀察此時振蕩器振蕩頻率的變化情況，如圖6所示，測得此時該電路振蕩頻率為f11=405.067 kHz,該振蕩電路的頻率相對變化量該參數(shù)為判斷西勒振蕩器的頻率穩(wěn)定度的有效數(shù)據(jù)[9]。

圖6 并聯(lián)一個10 nF電容的西勒振蕩器Fig.6 Seiler oscillator and a 10 nF capacitor in parallel

3 結(jié)論

使用Multisim 10.1軟件，達(dá)到了設(shè)計(jì)振蕩頻率為404.978 kHz、峰峰值為8.00 V的西勒振蕩器電路的基本要求，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)，直觀分析了頻率特性、反饋特性、負(fù)載特性變化規(guī)律，電路的頻率穩(wěn)定度較好。借助仿真軟件的整個教學(xué)過程，形式生動，學(xué)生興趣濃，積極性高，理解力增強(qiáng)，易于接受。Multisim應(yīng)用于高頻電子線路教學(xué)有極大的靈活性和優(yōu)越性。運(yùn)用Multisim軟件設(shè)計(jì)電路，省時省力省錢，極大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量[10]。由于西勒電路頻率穩(wěn)定性好，振蕩頻率可以較高，做可變頻率振蕩器時其頻率覆蓋范圍寬，波段范圍內(nèi)幅度比較平穩(wěn)，因此在短波、超短波通信機(jī)、電視接收機(jī)等高頻設(shè)備中得到非常廣泛的應(yīng)用[7]。

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