并聯改進型電容三點式振蕩器虛擬仿真實驗設計

嚴小黑，黎運宇

（廣西民族師范學院，廣西崇左，532200）

0 引言

在現代電子技術領域中，振蕩器是一種非常重要的電路元件，其作用是產生穩定的交流信號，被廣泛應用于無線電通信、音頻設備、計算機網絡等領域。

為了更好地掌握振蕩器電路的原理和實際應用，許多學校都開設了相關的實驗課程。但是，傳統的實驗方式存在一些問題，例如實驗設備成本高、實驗環境受限、實驗數據難以保存等等。針對這些問題，虛擬實驗技術應運而生，它將傳統實驗與現代計算機技術相結合，利用計算機模擬實驗環境和仿真工具，進行電路設計、仿真驗證和性能測試等一系列實驗操作。虛擬實驗具有成本低、安全可靠、靈活方便等特點，已經成為現代電子實驗教學和研究的重要手段[1～4]。

Multisim 是一款常用的電路設計與仿真軟件，具有豐富的元器件庫和仿真分析功能；而LabVIEW 則是一個強大的虛擬儀器開發平臺，可以實現虛擬儀器的設計、控制和數據采集等操作。本文以一個典型的振蕩器電路為例詳細介紹了基于這兩款軟件進行振蕩器虛擬實驗的設計流程，并進行了案例分析。

1 并聯改進型電容三點式振蕩器的工作原理及性能指標

■1.1 工作原理

反饋型振蕩器是由放大器和選頻反饋網絡兩部分組成的，如圖1 所示。其中放大器的電壓放大倍數記為K，反饋網絡的反饋系數記為F，放大器的輸入信號記為ui，放大器的輸出信號記為uo，反饋網絡反饋到輸入端的信號記為uf。

圖1 反饋型振蕩器的組成框圖

振蕩器要想正常工作必須滿足三個條件。首先是起振條件，起振時要滿足uf>ui，因此，振蕩器的起振條件可表示為：

此條件的物理意義是振幅起振條件要求反饋電壓幅度要一次比一次大，而相位起振條件則要求環路保持正反饋。

其次是平衡條件，平衡時要滿足uf=ui，因此，振蕩器的平衡條件為：

在平衡條件下，反饋到放大器的輸入信號電壓正好等于放大器維持振蕩所需要的輸入電壓，從而保持反饋環路各點電壓的平衡。

最后是穩定條件，穩定條件具體又包括振幅穩定條件和相位穩定條件。振幅穩定條件要求在平衡點附近，放大倍數隨振幅的變化特性具有負的斜率。相位穩定條件則要求相位特性曲線在工作頻率附近的斜率是負的，用公式可表示為：

圖2 為并聯改進型電容三點式振蕩器的原理電路及其交流等效通路。相比普通的電容三點式振蕩器而言，其增加了電容C3和可調電容C，目的是提高振蕩器的頻率穩定度及頻率可調性。對于電容三點式振蕩器而言，要想滿足反饋型振蕩器所要求的相位平衡條件，則必須滿足“射同基反”的要求，即與三極管發射極相連的兩個電抗元件必須性質相同，而與三極管基極相連的兩個電抗元件必須性質相反。因此，對于并聯改進型電容三點式振蕩器而言，三極管基極與集電極之間必須等效為電感，振蕩器才能正常工作。

圖2 并聯改進型電容三點式振蕩器的電路

在滿足上述條件的前提下，振蕩器的工作過程是：在電源開關閉合的瞬間，存在各種電的擾動。突變的電流擾動包含著許多諧波成分，它們通過LC 諧振回路時，由LC 諧振回路選出與其諧振頻率相同的信號，并通過反饋網絡反饋到放大器的輸入端，這就是激勵信號。起始振蕩信號十分微弱，但是由于不斷對它進行放大—選頻—反饋—再放大等多次循環，于是一個與LC 諧振回路固有諧振頻率相同的自激振蕩便由小到大地建立起來。由于晶體管特性的非線性，振幅會自動穩定到一定的幅度，因此振蕩的幅度不會無限增大。

■1.2 性能指標

振蕩器的性能指標主要包含振蕩頻率、頻率可調性和頻率穩定度三個方面。其振蕩頻率主要由LC 諧振回路的諧振頻率決定，由以下公式進行計算：

式中，Ci為三極管的輸入結電容，Co為三極管的輸出結電容，在振蕩器中要盡量降低它們對振蕩頻率的影響。

振蕩器的頻率穩定度是指在規定時間內，規定的溫度、濕度、電源電壓等變化范圍內振蕩頻率的相對變化量，可表示為：

造成頻率不穩定的因素主要有晶體管參數的不穩定，比如當外界環境變化造成結電容的變化，從而導致振蕩頻率的變化。

振蕩器的頻率可調性是指通過調整可調電容，能夠實現的振蕩器的頻率變化范圍。由式(4) 可知，當C1>>C3,C2>>C3時，C∑≈C+C3。因此，并聯改進型電容三點式振蕩器可有效提高振蕩器的頻率穩定度和可調性。

2 Multisim 實驗電路設計

采用Multisim 設計并聯改進型電容三點式振蕩器實驗電路，如圖3 所示。

圖3 Multisim 并聯改進型電容三點式振蕩器實驗電路

U1 為壓控電阻，用于控制Rb1的阻值，實現對晶體管靜態工作點的控制。U2 為壓控電容，用于控制C 的電容值。V1 為壓控電源，用于控制直流電源開關的通斷。晶體管型號為2N5551。電路共設置4 個LabVIEW 協同仿真端口，用于和LabVIEW 程序的聯動，端口作用及對應關系詳見表1。

表1 LabVIEW協同仿真端口作用及對應關系

表2 不同Rb1值下振蕩器的輸出信號幅度

表3 不同C值下振蕩器的振蕩頻率

3 LabVIEW 前面板及程序設計

LabVIEW 前面板如圖4 所示，其包含3 個區域，分別為電路原理圖，信號波形圖和電路參數設置、顯示區。電路可調整的參數為靜態工作點調節（Rb1）、頻率微調（C），可顯示的參數為振蕩器輸出信號的振蕩頻率。電源開關用于控制振蕩電路直流電源的通斷。振蕩器輸出信號的振蕩幅度可通過波形圖讀取。

圖4 LabVIEW 前面板

LabVIEW 程序如圖5 所示，主程序為控件與仿真循環，在其中調用并聯改進型電容三點式振蕩器Multisim Design VI。將調節控件與Multisim 相應的輸入端口連接，信號波形圖表與相應的輸出信號端口連接。在程序中插入了一個“信號的時間與瞬態特性測量”VI 用于測量振蕩器輸出信號的頻率。“停止”布爾控件用于控制主程序停止。

圖5 LabVIEW 程序

4 虛擬仿真實驗過程

■4.1 振蕩器起振過程的觀察

設置靜態工作點調整電阻（Rb1）的初始阻值為10 kΩ，頻率微調電容（C）為0pF，運行程序，此時會發現振蕩器并未起振。緩慢增加Rb1的阻值直至15 kΩ，此時會觀察到振蕩的起振過程，如圖6 所示，振蕩器的輸出信號從小到大，慢慢變大，最后趨于穩定。

圖6 振蕩器的起振過程

■4.2 靜態工作點變化對振蕩幅度的影響

當振蕩器起振后，繼續增加Rb1的阻值，則會繼續改變晶體管的靜態工作點，進而影響振蕩器的輸出信號幅度。將相關數據記錄于表格2 中，根據實驗數據可以繪制靜態工作點變化對振蕩幅度的影響曲線，如圖7 所示。可以看出，隨著Rb1的增加振蕩幅度先增加到最大，后又減小直到停振，這是由于Rb1的增加會導致晶體管的靜態工作點由高到低變化所致。此結果與理論分析一致，較好地驗證了理論的正確性。

圖7 Rb1 變化對振蕩幅度的影響曲線

■4.3 可調電容變化對振蕩頻率的影響

將Rb1設置為20 kΩ，通過改變C 的電容值，觀察其對振蕩頻率的影響，并將相關數據記錄于表格3 中，根據實驗數據可以繪制可調電容變化對振蕩頻率的影響曲線，如圖8 所示。可以看出，隨著C 從0 增大到20 pF 的過程中，振蕩器的振蕩頻率近乎線性下降。當C=25pF 時，振蕩器無法起振，這是由于此時振蕩器無法滿足“射同基反”的起振條件。以上結果均與理論結果相一致。

圖8 C 變化對振蕩頻率的影響曲線

5 虛擬仿真實驗的在線發布

LabVIEW Web 發布工具是一項功能強大的工具，它允許用戶通過網絡分享程序前面板圖像或HTML 頁面，以便進行遠程瀏覽和操作（見圖9）。使用該工具，局域網用戶只需在瀏覽器地址欄中輸入圖9 中顯示的URL 即可輕松訪問。而對于Internet 用戶，則需要輸入以下格式的地址：http://IP 地址:端口/文件名.html。將URL 中的主機名替換為服務器的IP 地址，即可訪問所需內容。這使得遠程訪問和操作變得更加便捷和靈活。

圖9 虛擬仿真實驗的Web 發布

6 結論

本文利用Multisim 和LabVIEW 兩款軟件的聯合仿真設計了并聯改進型三點式LC 振蕩器虛擬仿真實驗。利用Multisim 軟件完成振蕩器的電路設計。利用LabVIEW 軟件實現對Multisim 電路的調用，并完成交互設計。本虛擬仿真實驗能觀察振蕩器的起振過程，能測量靜態工作點變化對振蕩幅度的影響，并能測量可調電容變化對振蕩頻率的影響，完成實驗所要求的基本任務。此實驗系統可以進行Web 發布，讓學生能進行遠程實驗，是傳統基于硬件平臺實驗的有效補充，具備一定的推廣應用價值。