靜態工作點對振蕩器起振特性影響的研究

張志強， 葉建芳

(東華大學 信息科學與技術學院， 上海 201620)

0 引 言

LC振蕩器是用于產生一定頻率和幅值信號的裝置，在廣播、通信、測量等科技領域中應用廣泛,是現代電子信息系統必不可少的組成部分[1-2]。晶體管靜態工作點的設置對振蕩器工作的穩定性、波形的好壞有著非常重要的影響，利用LabVIEW和Multisim的交互調用和聯合仿真，以Multisim仿真為基礎，結合LabVIEW的數據采集和分析功能，使得電路研究結果更加直觀便捷。

1 Multisim電路仿真模型的設計

選取改進型電容三點式振蕩器西勒振蕩器為研究對象，西勒振蕩器克服了克拉潑振蕩器的振蕩幅度不穩定、考畢茲振蕩器調節頻率改變反饋系數和晶體管的結電容隨工作狀態變化使振蕩頻率不穩定的缺點[3]，其Multisim電路仿真模型如圖1所示。

圖1 西勒振蕩器仿真電路模型

圖1所示電路包括四部分：共基放大電路、LC選頻回路、正反饋網絡以及射極跟隨器，其中基極偏置電阻Rb1、Rb2，射極偏置電阻Re和電阻Rc共同決定晶體管的靜態工作點。因此，它們的參數取值必須嚴格依照理論計算結果設置。

(1)

(2)

取RC=2 kΩ電阻，為晶體管集電極構成直流通路，取RE=1 kΩ，減小極間電容變化對電路的影響，穩定放大器的增益。一般取流過Rb2的電流為(5～10)IBQ[4]。

(3)

IEQ=(1+β)IBQ=0.847 mA

(4)

UEQ=IEQRE=0.847 V

(5)

UBQ=UEQ+0.7=1.547 V

(6)

(7)

(8)

考慮到仿真電路元件參數的取值，在設計電路中選取Rb1=65 kΩ，Rb2=10 kΩ，從而設置最佳的靜態工作點，通過改變Rb1的阻值來改變靜態工作點的位置。

2 靜態工作點實時動態顯示

為了將靜態工作點沿直流特性曲線在晶體管飽和區、放大區和截止區上下移動的現象化抽象為具體，首先通過LabVIEW和Multisim的交互調用，以“.LVM”格式文件為橋梁繪制出晶體管的輸出特性曲線和偏置電路的直流特性曲線[5-6]，然后通過LabVIEW和Multisim之間的數據通信，實現靜態工作點隨著偏置電阻Rb1變化實時動態地上下移動。具體步驟流程如圖2所示。

圖2 靜態工作點實時動態顯示實現步驟

2.1 LabVIEW和Multisim的交互調用

LabVIEW和Multisim交互調用的步驟如下：① 基于LabVIEW生成兩路周期相同的掃描信號：階梯波和正弦半波。② 在Multisim中搭建晶體管測量電路，將掃描信號鏈接入U1、U2，用階梯波U1掃描基極回路,用正弦波U2掃描Uce所在的回路。③ 運用Multisim的瞬態分析功能得到所需的兩路信號Uce、Ic，點擊圖示儀視圖右上角的“保存到測量文件”存為“.LVM”格式文件。④ 利用LabVIEW“讀取測量文件”控件讀取上述生成的“.LVM”格式文件,通過采集處理程序即可繪出三極管2N5551的輸出特性曲線。⑤ 通過理論計算出偏置電路直流特性曲線方程為IC=-Uce/3+3.87，利用LabVIEW編程生成直線方程整合到晶體管輸出特性曲線中。創建游標作為靜態工作點Q，并關聯至直流特性曲線上，保證Q只在直流特性曲線上移動。

2.2 LabVIEW和Multisim的聯合仿真

利用LabVIEW和Multisim的聯合仿真實現兩者間的數據傳遞，步驟如下：⑥ 將偏置電阻Rb1替換為壓控電阻，根據需要為偏置電路添加聯合仿真節點，生成MultisimDesignVI。⑦ 將生成的MultisimDesignVI放置在“控件與仿真循環”內，添加相應的輸入輸出控件，在LabVIEW前面板設計開發用戶界面。通過LabVIEW輸入控件設置Multisim電路Rb1的阻值，再將仿真得到的Uce和Ic的值反饋給步驟⑤創建的游標Q，從而實時動態地顯示出靜態工作點發生移動的現象。

3 振蕩波形的測量和分析

通過LabVIEW編程測量振蕩波形的關鍵參數，并記錄每次的測量數據，描繪出其與靜態工作點的關系曲線，直觀地展示靜態工作點對LC振蕩器起振特性的影響，包括振蕩波形是否發生失真，起振時間、起振幅度和起振頻率隨靜態工作點如何變化等。

3.1 波形參數的測量

將圖1中的可變元器件替換為對應的壓控元器件，添加所需的HB/SC連接器。仿真輸出振蕩波形是一個高速數據流，采用LabVIEW的TDMS功能對仿真數據進行轉存和讀取，并通過“波形圖”控件進行顯示，觀察振蕩波形是否失真。在波形圖中創建游標，便可通過滑動游標測量振蕩波形的起振時間和起振幅度。振蕩頻率的測量程序流程圖如圖3所示。

整個程序主要完成兩大功能：測量仿真時間和仿真時間內波形的周期個數。仿真時間的測量采用“Simulation Time”控件，需要注意的是設置仿真時間≥30 μs才寫入波形數據，是為了減小振蕩器在起振過程中波形和頻率的不穩定所造成的測量誤差。

周期個數測量的主要思想是：LabVIEW采集到的Multisim仿真數據具有一定的采樣間隔，在振蕩波形過零點處總有一對正負交替的數值。將波形數據轉換至數組，刪除首元素后與原數組數據整體錯開一位，兩者相乘后的新數組在過零點處有且僅有一個負數元素。將運算結果重新升序排序后，通過While循壞判斷數組元素中負數的個數來確定所測波形零點的個數，進而得出周期個數。經程序運算后得到振蕩頻率。

3.2 測量結果的記錄和顯示

記錄數據程序的設計采用了3種程序結構：while 循環、事件結構以及層疊式順序結構。層疊式順序結構包括3幀內容，按照圖4的順序執行相應的功能。

第1幀，創建并打開“.txt” 文件，并將 TDMS 文件

圖3 振蕩頻率測量程序流程

圖4 數據記錄和顯示功能順序

中讀取的測量數據以字符串的形式存儲在文本文件中；第2幀，讀取文件中的數據，將其轉換為(x，y)數組，并將該點顯示在“XY圖表”中；第3幀，將寫入測量值的字符串輸入控件清空，便于下一點的讀取和寫入。事件結構保證前面板“記錄數據”按鍵按下時，執行上述3幀程序。While循環保證了相應事件可以重復執行，直到按下停止鍵為止。

將上述靜態工作點顯示模塊、波形測量和數據記錄分析模塊整合后，得到圖5所示的分析平臺。

圖5 LC振蕩器自動仿真分析平臺

4 結果分析

(1) 靜態工作點對波形好壞的影響。給定合適的電容C4和負載RL值，并保持不變。設置偏置電阻Rb1=30 kΩ，運行程序結果如圖6(a)所示，靜態工作點Q為(4.752 V，2.304 mA)，處在直流特性曲線中心以上，偏向飽和區。此時的振蕩波形出現飽和失真。調節電阻Rb1旋鈕控件設置Rb1=65 kΩ，仿真結果如圖6(b)所示，靜態工作點Q為(9.314 V，0.781 mA )，靠近截止區，波形飽和失真消失。分析表明，LC振蕩器的靜態工作點應設置在遠離飽和區靠近截止區的適當位置，以避免波形發生飽和失真。

(a) Rb1=30 kΩ

(b) Rb1=65 kΩ

(2) 靜態工作點對起振時間的影響。保證電容C4和負載RL不變，逐漸增加偏置電阻Rb1，使靜態工作點由飽和區逐漸向截止區過渡。以Uce的值代表靜態工作點的位置，滑動游標測量起振時間，記錄每次的測量結果，最終結果如圖7所示。可以看到靜態工作點在向截止區靠近的過程中，起振時間總體是先減小后急速增大，即起振速度不斷增大到一定程度又迅速減慢。拐點的位置為(9.144 V，27 μs)靠近截止區，此時起振速度最快。再次說明靜態工作點應設置在靠近截止區的合適位置。繼續向截止區靠近，振蕩器起振速度驟減，起振變得困難直至無法起振。

圖7 靜態工作點與起振時間的關系曲線

(3) 靜態工作點對起振幅度的影響。同樣的方法記錄每次增加偏置電阻Rb1對應的Uce和振蕩幅度的值，最終結果如圖8所示。很明顯的看到起振幅度隨著靜態工作點向截止區靠近而不斷減小，這是因為放大器環路增益在不斷減小。

圖8 靜態工作點與起振幅度的關系曲線

(4) 靜態工作點對起振頻率的影響。選取電容C4=20 pF，RL=25 pF。記錄每次測量的Uce和振蕩頻率值，最終結果如圖9所示。振蕩頻率近似為:

圖9 靜態工作點與起振頻率的關系曲線

可以看到，振蕩頻率幾乎不受靜態工作點改變的影響，一直維持在2.97 MHz附近，近似于理論值3 MHz。這是因為輸出信號的頻率是由LC選頻回路決定的，幾乎不受靜態工作點的影響。

5 結 語

基于虛擬儀器技術設計的LC振蕩器仿真分析平臺，不僅可以直觀、便捷地分析靜態工作點的選擇對振蕩器起振特性的影響。同時，虛擬儀器技術的運用將抽象復雜的理論推導用生動、直觀的動態圖展示出來，完美的解決了電路教學中“如果….會怎么樣”的問題，為通信電路實驗教學和電路研究提供了新思路和新方法。