基于虛擬儀器的振蕩器相位噪聲特性研究

張志強　葉建芳　董琳

摘 要：從D. B. Leeson的反饋振蕩器模型出發(fā)，分析了有載品質因數(shù)QL對振蕩器相位噪聲的影響。依據Takashi Ohira的無源二端口網絡

QL表達式，推導出西勒振蕩電路的QL電路元件參數(shù)之間的量化關系，進一步分析出影響西勒振蕩器有載品質因數(shù)QL的關鍵元器件參數(shù)。在此基礎上引入虛擬儀器技術，利用LabVIEW與Multisim的聯(lián)合仿真開發(fā)振蕩器相位噪聲分析平臺，將影響振蕩器相位噪聲的關鍵元器件設置為輸入控件，運用LabVIEW強大的數(shù)據分析功能測量關鍵元器件參數(shù)不同取值下的Multisim仿真輸出波形的功率譜密度。將多次仿真分析結果記錄保存后，合并顯示在同一“X Y圖”控件中，從而直觀動態(tài)的展示電路元器件參數(shù)變化對振蕩電路的相位噪聲特性的影響。該平臺不僅可以用于驗證理論分析結果，也為振蕩器相位噪聲的分析及低相位噪聲振蕩器的設計提供了新思路和新方法。

關鍵詞： 有載品質因數(shù); 二端口網絡; LabVIEW; Multisim; 相位噪聲

中圖分類號： TP 391

文獻標志碼： A

Abstract： The influence of the loaded quality factor QL on oscillator phase noise was analyzed from the feedback oscillator model of D. B. Leeson. According to the QL formulation for two-port passive network of Takashi Ohira， the quantification relationship between QL and Seiler oscillator circuit component parameters was deduced， and the key component parameters affecting QL of the Seiler oscillator were further analyzed. The virtual instrument technology was adopted to develop an oscillator phase noise analysis platform. The key component that affect the phase noise were set as input controls， and the power spectral densities under different values were measured， respectively. Then we recordel and saved multiple experimental measurement results， combined them in the same “X Y Graph” control. In this way， the influence of the changes in the parameters of the circuit components on the phase noise characteristics of the oscillating circuit can be intuitively and dynamically displayed. This platform can not only be used to verify the theoretical analysis results， but also provide new ideas and new methods for the analysis of oscillator phase noise and the design of low phase noise oscillators.

Key words： loaded quality factor; two-port passive network; LabVIEW; Multisim; phase noise

0 引言

振蕩器廣泛應用于無線電通信、雷達、航空航天等領域，用于產生特定頻率和幅值信號。是現(xiàn)代電子

信息系統(tǒng)必不可少的組成部分[1-2]。隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，對振蕩器的頻率穩(wěn)定度提出了越來越高的要求，相位噪聲作為短期頻率穩(wěn)定度在頻域的一種表現(xiàn)形式，是振蕩器研究的一項重要指標[3]。

相位噪聲的表示方法一般包括：頻率起伏譜密度、相對頻率起伏譜密度和單邊帶功率譜密度。其中最常用到的就是單邊帶功率譜密度表示方法[4]。本文通過LabVIEW編程測量Multisim中振蕩器仿真輸出波形偏移振蕩頻率0-1 MHz內的功率譜密度，分析振蕩器的相位噪聲。

1 Leeson的反饋振蕩器模型

D. B. Leeson在1966年提出了反饋振蕩器模型[5]，如圖1所示。

用來預測振蕩器的相位噪聲。

模型是相位正反饋系統(tǒng)，由放大器和用于濾波作用的諧振回路組成，放大器內部噪聲譜密度與振蕩器輸出端相位噪聲譜密度的關系[6]，如式（1）。

基于LabVIEW的振蕩電路相位噪聲分析平臺的開發(fā)需求包括：設置振蕩電路電容C1值，得到不同振蕩頻率ω0的輸出信號的功率譜密度。記錄并保存偏移振蕩頻率0-1 MHz范圍內的功率譜密度，最后將每次的實驗結果顯示在同一“X Y圖”控件中，通過對多次實驗結果的對比分析，直觀的看到輸出信號的振蕩頻率ω0與相位噪聲之間的關系。同時，對比分析負載電阻RL的值，對振蕩器相位噪聲的影響。平臺的開發(fā)思路，如圖6所示。

振蕩器輸出信號的功率譜密度是相位噪聲分析平臺的關鍵所在。LabVIEW函數(shù)選板中的“頻譜測量”VI具有測量信號頻譜、功率譜和功率譜密度的功能。

但由于Multisim輸出波形dt參數(shù)≤0，“頻譜測量”VI無法直接對其測量。需要計算出Multisim輸出波形的dt參數(shù)，然后重新創(chuàng)建波形進行功率譜密度測量。程序流程圖，如圖7所示。

“Collector”函數(shù)的作用是采集每一仿真時間步長時刻上的信號，并返回信號值和記錄該值的時刻。那么，可以通過測量仿真時間內采集到的信號點個數(shù)計算出波形的dt值。

測得輸出波形功率譜密度后，為“波形圖”顯示控件創(chuàng)建“屬性節(jié)點”：XScale.Offset、XScale.Maximum、XScale.Minimum 和Export Date to Excel。從而設置功率譜密度顯示范圍為偏移振蕩頻率0-1 MHz，并導出數(shù)據到Excel中保存。通過“讀取電子表格文件”VI讀取每次實驗導出的相位噪聲測量文件，并將結果通過“創(chuàng)建數(shù)組”的形式合并顯示在同一“X Y圖”控件中。

將上述QL-C1關系曲線顯示模塊、功率譜測量模塊和測量結果合并顯示模塊整合后，得到相位噪聲分析平臺，如圖8所示。

4 結果分析

（1） 振蕩頻率ω0與相位噪聲的關系。給定RL值為20 kΩ，運行程序，分別設置C1的值為100 pF、300pF、

500pF、700pF。點擊“導出數(shù)據”按鍵，將圖形數(shù)據導出到Excel文件并保存。四次實驗結束后，點擊“相位噪聲分析”界面的“顯示結果”按鍵，會得到對比分析結果，如圖9所示。

并在圖表下方給出了偏離振蕩頻率10 kHz、100 kHz、500 kHz、1 MHz處的具體功率譜密度值，如表1所示。

結果表明，隨著負載RL的增大，振蕩器輸出信號的功率譜密度曲線“位置”有所降低，但減小的程度不是很大。即當負載足夠大時，負載RL的值對振蕩器相位噪聲的影響不大。

5 總結

本文基于Leeson模型分析了有載品質因數(shù)QL對振蕩器相位噪聲的影響，推導出與電路參數(shù)相關的QL的確切表達式，找到影響相位噪聲的關鍵元件。依據理論分析開發(fā)了基于虛擬儀器技術的振蕩器相位噪聲分析平臺。經過平臺的仿真實驗分析，驗證了理論分析結果，即振蕩頻率越低，振蕩器輸出相位噪聲越小，負載RL的值對振蕩器相位噪聲的影響不大。

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（收稿日期： 2019.08.26）