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基于Multisim的西勒振蕩器設計與仿真

作者:時間:2016-10-29來源:網絡收藏

高職高專高頻電子線路是電子通信類專業的技術基礎課程之一,涉及到通信系統中高頻單元電路的功能、結構及性能分析等理論知識,同時也具有培養學生高頻電路實踐教學能力的目的。該課程正弦波振蕩器部分理論較抽象,借助實踐環節演示不同振蕩器的原理、特點、電路結構等較難實現,大部分學生接受知識效果差,電路費勁且不知道如何分析。文中以 10為平臺,了振蕩頻率為404.978 kHz,峰峰值為8.00 V的電路,分析了參數調整引起的電路特性變化規律。電路軟件引入到理論教學中,既加深了學生對理論知識的理解,又激發了學生利用平臺進行電路設計的積極性,進而起到了聯系理論學習和實踐能力培養的紐帶作用。

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

1 電路設計

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,系統才有可能產生振蕩。原理圖如圖1所示。

基于Multisim的西勒振蕩器設計與仿真

1.1 靜態工作點設計

一般原則是在滿足起振條件下應選擇較低的工作點,振蕩電路起振后,振幅增大,振蕩將在截止區進入振幅穩定狀態,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,本設計選ICQ為1.15 mA,VCEQ=9.7 V,β=50。經計算:

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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成直流通路。一般取流過R2的電流為(5~10)IBO。

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求得R2=5.1 kΩ,R1=15 kΩ。

1.2 振蕩電路設計

振蕩回路參數的選擇主要根據振蕩頻率、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定,C值應取得大些,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,電路的負載能力和振蕩振幅減小,導致波形變壞。確定了C后,由振蕩頻率計算公式可計算電感L的值。為方便觀察參數變化引起的電路特性變化,本設計取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,必須由偏置電路設置合適的靜態工作點,以保證起振時工作在放大區,提供足夠的增益,滿足振幅起振條件。從穩頻的角度出發,應選擇特征頻率fT較高的晶體管,這樣晶體管內部相移較小,通常選擇fT>(3~10)fmax,同時希望電流放大系數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頻性能。晶體管選擇2N2222或2N2369,負載端接入探針,運用 10.1設計的如圖2所示。

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說明幾點,可以改變Multisim 10.1界面下電路原理圖連接線顏色(系統默認是桔紅色),方法是單擊擬變色線條,點擊鼠標右鍵,選“改變顏色”;可改變示波器、記錄儀背景色(系統默認是黑色),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值。

2 Multisim 10.1仿真分析

2.1 仿真結果

Multisim 10.1界面下點擊“運行”按鈕,適當調整各儀表參數值即可進行仿真。圖2的頻率計設置參數是:測量頻率,AC耦合,靈敏度1 V,觸發電平0 V。示波器參數是:時間軸比例2 ms/DIV、通道A 5 V/DIV,適當調整X、Y位置。仿真穩幅時,探針上各量數值是:電壓峰值7.98 V、電流峰值3.99mA、電壓有效值2.82 V、電流有效值1.41 mA、頻率405 kHz。頻率計顯示數值為404.978 kHz。仿真結果與設計基本一致。不接入R4時的仿真輸出波形如圖3(a)所示。對應圖3(a)的通道A參數值如圖3(b)所示。

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要想得知圖2的較高精度頻率、電壓峰峰值參數,可借助仿真界面上“記錄儀/分析列表”、“Show/Hide Cursors”兩個菜單進行分析。圖3對應的記錄儀/分析列表結果如圖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,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計值??梢?,分析值、仿真結果基本達到設計要求。

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2.2 特性分析

2.2.1 頻率特性

頻率是靠調節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,因而將限制頻率調節的范圍。這種電路之所以穩定度高,就是靠在電路中串有遠小于C1、C2的C3來實現的。若增大C3,該電路就失去了頻率穩定度高的優點。反之,C3選的太小的缺點是,使接入系數Pce降低,振蕩幅度就比較小了。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。

理論上,根據振蕩頻率計算式,求得基于Multisim的西勒振蕩器設計與仿真≈423.85 kHz。測量值和理論值之間有誤差。產生誤差主要原因有:游標以格為單位,因此讀數時選取的幅值最大的點與實際有差別;電阻、電容本身就存在誤差,而且正弦振蕩器存在系統誤差。

2.2.2 反饋特性

通過調整電容C2值可以觀察電路的反饋特性,數據記錄如表1所示。隨著電容C2值逐漸增大,保證振蕩幅度的穩定,輸出信號振幅逐漸減小,起振直至進入平衡狀態所需的

時間加長。因為C3是固定電容,所以諧振回路反映到晶體管輸出端的等效負載變化緩慢;C1不變,隨C2值增大,故反饋系數減小。

基于Multisim的西勒振蕩器設計與仿真

C2=10 nF、40 nF時的仿真輸出波形如圖5(a)、(b)所示。

基于Multisim的西勒振蕩器設計與仿真

2.2.3 負載特性

調整可變電阻R4的接入比例,能夠改變振蕩器的負載大小,記錄表2所示數據。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R4接入電路超過50%后,振蕩頻率相對不穩定,輸出正弦波波形平滑度降低,呈現較多毛刺,波形失真。當輸出正弦波形失真時,還應在Multisim下進行交流分析和噪聲分析。

基于Multisim的西勒振蕩器設計與仿真

“交流分析”用來計算線性電路的頻率響應。在交流分析中,首先通過直流工作點分析計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際和理想元件的復矩陣。所有的輸入源信號都將用設定頻率的正弦信號代替。在進行交流分析時,電路信號源的屬性設置中必須設置交流分析的幅值和相角,否則電路將會提示出錯。“噪聲分析”指噪聲對電路的影響。噪聲是減小信號質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。在進行仿真分析前,先觀察電路選擇輸入噪聲參考源、輸出節點和參考點。

2.2.4 頻率穩定度

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定度的高低,在該電路的電容C2兩端并聯一個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基于Multisim的西勒振蕩器設計與仿真,該參數為判斷西勒振蕩器的頻率穩定度的有效數據。

基于Multisim的西勒振蕩器設計與仿真

3 結論

使用Multisim 10.1軟件,達到了設計振蕩頻率為404.978 kHz、峰峰值為8.00 V的西勒振蕩器電路的基本要求,通過調整相關參數,直觀分析了頻率特性、反饋特性、負載特性變化規律,電路的頻率穩定度較好。借助仿真軟件的整個教學過程,形式生動,學生興趣濃,積極性高,理解力增強,易于接受。Multisim應用于高頻電子線路教學有極大的靈活性和優越性。運用Multisim軟件設計電路,省時省力省錢,極大地提高了電路設計的效率和質量。由于西勒電路頻率穩定性好,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,波段范圍內幅度比較平穩,因此在短波、超短波通信機、電視接收機等高頻設備中得到非常廣泛的應用。



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