基于Multisim的西勒振蕩器設計與仿真

王海梅，侯艷紅

（陜西國防工業職業技術學院 陜西 西安710300）

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設計實踐教學能力的目的[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，設計電路費勁且不知道如何仿真分析。文中以Multisim 10為平臺[2]，設計了振蕩頻率為404.978 kHz,峰峰值為8.00 V的西勒振蕩器電路，分析了參數調整引起的電路特性變化規律。Multisim電路仿真軟件引入到理論教學中，既加深了學生對理論知識的理解，又激發了學生利用仿真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[3]。

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[4]。西勒振蕩器原理圖如圖1所示。

1.1 靜態工作點設計

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：

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。

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[5]。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[6]。晶體管選擇2N2222或2N2369，負載端接入探針，運用Multisim 10.1設計的西勒振蕩器如圖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，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3.99 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。

圖3 基于Multisim 10.1的仿真結果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，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=2.90×10-6s，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計值。可見，分析值、仿真結果基本達到設計要求。

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[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。

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。

圖5 改變C2參數效果圖Fig.5 Effect chart changed the C2parameter

“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[8]。“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。

表2 負載特性Tab.2 The load characteristics

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該參數為判斷西勒振蕩器的頻率穩定度的有效數據[9]。

圖6 并聯一個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[10]。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[7]。

[1]張玉興.射頻模擬電路[M].北京：電子工業出版社,2003.

[2]任駿原.微分型單穩態觸發器的Multisim分析[J].電子設計工程,2012,20(8):15-19.REN Jun-yuan.Analysis of differential mono stable flip-flop with multisim[J].Electronic Design Engineering,2012,20(8):15-19.

[3]于波,呂秀麗,李玉爽.Multisim 11在高頻電子線路教學中的應用[J].現代電子技術,2011,34（10）:193-195,198.YU Bo,LV Xiu-li,LI Yu-shuang.Application of Multisim 11 in high frequency electronic circuit teaching[J].Modern Electronics Technique，2011,34（10）:193-195,198.

[4]樂曙光.基于Multisim的西勒振蕩器設計[J].科技與企業，2013(6)：343.LE Shu-guang.Design of Seiler oscillator based on Multisim[J].Technology and Business,2013(6)：343.

[5]謝嘉奎,宣月清,馮軍編.電子線路非線性部分[M].4版，高等教育出版社,2000.

[6]曾素瓊.高頻振蕩器設計及其穩定度對比實驗研究[J].電子質量,2012(10):64-67,74.ZENG Su-qiong.Experimental studyofhigh frequency oscillator design and its stability comparison[J].Electronics Quality,2012(10):64-67,74.

[7]王衛東.高頻電子電路（第二版）[M].北京：電子工業出版社,2009.

[8]周潤景,郝曉霞.Multisim&Labview虛擬儀器設計技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[9]劉佳.Multisim應用于高頻正弦波振蕩器頻率穩定度比較分析[J].中國電力教育,2012（z1）:19-20.LIU Jia.The application of Multisim in high frequency sine wave oscillator frequency stability analysis[J].China Electric Power Education,2012（z1）:19-20.

[10]俞興明.DQPSK調制系統差分編譯碼電路的設計與Multisim仿真[J].電子測量技術,2013,31（4）：59.YU Xing-ming.Design and Simulation of Multisim sub codec circuit differential DQPSK modulation system[J].Electronic measurement technology,2013,31（4）：59.