基于Multisim的西勒振荡器设计与仿真

 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设计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，设计电路费劲且不知道如何仿真分析。文中以Multisim 10为平台，设计了振荡频率为404.978 kHz，峰峰值为8.00 V的西勒振荡器电路，分析了参数调整引起的电路特性变化规律。Multisim电路仿真软件引入到理论教学中，既加深了学生对理论知识的理解，又激发了学生利用仿真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。

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。西勒振荡器原理图如图1所示。

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：

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。

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Multisim 10.1设计的西勒振荡器如图2所示。

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。

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。

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≈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。

C2=10 nF、40 nF时的仿真输出波形如图5(a)、(b)所示。

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。

“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，该参数为判断西勒振荡器的频率稳定度的有效数据。

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。