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基于Multisim的西勒振荡器设计与仿真

作者:时间:2016-10-29来源:网络

高职高专高频电子线路是电子通信类专业的技术基础课程之一,涉及到通信系统中高频单元电路的功能、结构及性能分析等理论知识,同时也具有培养学生高频电路实践教学能力的目的。该课程正弦波振荡器部分理论较抽象,借助实践环节演示不同振荡器的原理、特点、电路结构等较难实现,大部分学生接受知识效果差,电路费劲且不知道如何分析。文中以 10为平台,了振荡频率为404.978 kHz,峰峰值为8.00 V的电路,分析了参数调整引起的电路特性变化规律。电路软件引入到理论教学中,既加深了学生对理论知识的理解,又激发了学生利用平台进行电路设计的积极性,进而起到了联系理论学习和实践能力培养的纽带作用。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201610/307934.htm

1 电路设计

振荡器主要由放大电路、选频电路和反馈电路组成,只有同时满足振幅和相位平衡条件,系统才有可能产生振荡。原理图如图1所示。

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1.1 静态工作点设计

一般原则是在满足起振条件下应选择较低的工作点,振荡电路起振后,振幅增大,振荡将在截止区进入振幅稳定状态,不致使振荡回路Q值减小,振荡波形好。一般小功率振荡器的ICO为(0.5~5)mA之间选取,本设计选ICQ为1.15 mA,VCEQ=9.7 V,β=50。经计算:

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取RE=2 kΩ,高频扼流圈LC以避免高频信号被旁路,且为晶体管集电极构成直流通路。一般取流过R2的电流为(5~10)IBO。

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求得R2=5.1 kΩ,R1=15 kΩ。

1.2 振荡电路设计

振荡回路参数的选择主要根据振荡频率、起振条件和振荡波形确定。一般振荡频率在几兆赫兹以下的LC回路,C值可选几皮法,振荡频率在几十兆赫兹时,C值可选为几十皮法;为了取得振荡频率的稳定,C值应取得大些,以减小晶体管极间电容和引线寄生电容的影响。然而,C值取得过大,会使振荡回路的Q值和谐振阻抗降低,电路的负载能力和振荡振幅减小,导致波形变坏。确定了C后,由振荡频率计算公式可计算电感L的值。为方便观察参数变化引起的电路特性变化,本设计取C4max=470 pF,L=1 mH。为满足C1>>C3,C2>>C3,取C1=1 nF,C2=33 nF,C3=47 pF。

作为可变增益器件的三极管,必须由偏置电路设置合适的静态工作点,以保证起振时工作在放大区,提供足够的增益,满足振幅起振条件。从稳频的角度出发,应选择特征频率fT较高的晶体管,这样晶体管内部相移较小,通常选择fT>(3~10)fmax,同时希望电流放大系数β大些,既容易振荡,也便于减小晶体管和谐振回路之间的耦合,以保证电路的选频性能和稳频性能。晶体管选择2N2222或2N2369,负载端接入探针,运用 10.1设计的如图2所示。

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说明几点,可以改变Multisim 10.1界面下电路原理图连接线颜色(系统默认是桔红色),方法是单击拟变色线条,点击鼠标右键,选“改变颜色”;可改变示波器、记录仪背景色(系统默认是黑色),为方便打印,常选择示波器界面“反向”按钮,记录仪界面“Reverse Colors”菜单;选择记录仪“Show/Hide Cursors”菜单,可查看示波器被接入通道的精确参数值。

2 Multisim 10.1仿真分析

2.1 仿真结果

Multisim 10.1界面下点击“运行”按钮,适当调整各仪表参数值即可进行仿真。图2的频率计设置参数是:测量频率,AC耦合,灵敏度1 V,触发电平0 V。示波器参数是:时间轴比例2 ms/DIV、通道A 5 V/DIV,适当调整X、Y位置。仿真稳幅时,探针上各量数值是:电压峰值7.98 V、电流峰值3.99mA、电压有效值2.82 V、电流有效值1.41 mA、频率405 kHz。频率计显示数值为404.978 kHz。仿真结果与设计基本一致。不接入R4时的仿真输出波形如图3(a)所示。对应图3(a)的通道A参数值如图3(b)所示。

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要想得知图2的较高精度频率、电压峰峰值参数,可借助仿真界面上“记录仪/分析列表”、“Show/Hide Cursors”两个菜单进行分析。图3对应的记录仪/分析列表结果如图4所示。周期T1=9.084 5n-9.0816 n=2.90X10-6 s,T2=9.086 48 m-9.084 50 m=1.98x10-6 s,T=(T1+T2)/2=2.44×10-6 s,则f=1/T=409.84 kHz,由图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设计值。可见,分析值、仿真结果基本达到设计要求。

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2.2 特性分析

2.2.1 频率特性

频率是靠调节C4来改变的,所以C3不能选得过大,否则振荡频率主要由C3和L决定,因而将限制频率调节的范围。这种电路之所以稳定度高,就是靠在电路中串有远小于C1、C2的C3来实现的。若增大C3,该电路就失去了频率稳定度高的优点。反之,C3选的太小的缺点是,使接入系数Pce降低,振荡幅度就比较小了。通过Multisim 10.1仿真可知,随C4接入比例逐渐增大,输出信号频率逐渐减小,但输出波形振幅保持8.00 V不变。

理论上,根据振荡频率计算式,求得基于Multisim的西勒振荡器设计与仿真≈423.85 kHz。测量值和理论值之间有误差。产生误差主要原因有:游标以格为单位,因此读数时选取的幅值最大的点与实际有差别;电阻、电容本身就存在误差,而且正弦振荡器存在系统误差。

2.2.2 反馈特性

通过调整电容C2值可以观察电路的反馈特性,数据记录如表1所示。随着电容C2值逐渐增大,保证振荡幅度的稳定,输出信号振幅逐渐减小,起振直至进入平衡状态所需的

时间加长。因为C3是固定电容,所以谐振回路反映到晶体管输出端的等效负载变化缓慢;C1不变,随C2值增大,故反馈系数减小。

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C2=10 nF、40 nF时的仿真输出波形如图5(a)、(b)所示。

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2.2.3 负载特性

调整可变电阻R4的接入比例,能够改变振荡器的负载大小,记录表2所示数据。R4的接入比例越大,输出信号峰峰值越大,频率基本保持不变。当R4接入电路超过50%后,振荡频率相对不稳定,输出正弦波波形平滑度降低,呈现较多毛刺,波形失真。当输出正弦波形失真时,还应在Multisim下进行交流分析和噪声分析。

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“交流分析”用来计算线性电路的频率响应。在交流分析中,首先通过直流工作点分析计算所有非线性元件的线性、小信号模型,然后建立一个包含实际和理想元件的复矩阵。所有的输入源信号都将用设定频率的正弦信号代替。在进行交流分析时,电路信号源的属性设置中必须设置交流分析的幅值和相角,否则电路将会提示出错。“噪声分析”指噪声对电路的影响。噪声是减小信号质量的电的或电磁的能量。通过建立一个电路的噪声模型,再进行类似于交流分析的仿真分析。Multisim可建立热噪声、闪粒噪声、闪烁噪声3种噪声模型。在进行仿真分析前,先观察电路选择输入噪声参考源、输出节点和参考点。

2.2.4 频率稳定度

图1电路的振荡频率为f1=404.978 kHz,为了分析西勒振荡器的频率稳定度的高低,在该电路的电容C2两端并联一个10 nF的电容,观察此时振荡器振荡频率的变化情况,如图6所示,测得此时该电路振荡频率为f11=405.067 kHz,该振荡电路的频率相对变化量基于Multisim的西勒振荡器设计与仿真,该参数为判断西勒振荡器的频率稳定度的有效数据。

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3 结论

使用Multisim 10.1软件,达到了设计振荡频率为404.978 kHz、峰峰值为8.00 V的西勒振荡器电路的基本要求,通过调整相关参数,直观分析了频率特性、反馈特性、负载特性变化规律,电路的频率稳定度较好。借助仿真软件的整个教学过程,形式生动,学生兴趣浓,积极性高,理解力增强,易于接受。Multisim应用于高频电子线路教学有极大的灵活性和优越性。运用Multisim软件设计电路,省时省力省钱,极大地提高了电路设计的效率和质量。由于西勒电路频率稳定性好,振荡频率可以较高,做可变频率振荡器时其频率覆盖范围宽,波段范围内幅度比较平稳,因此在短波、超短波通信机、电视接收机等高频设备中得到非常广泛的应用。



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