基于Multisim的電容三點式振蕩電路設(shè)計

摘? 要：電容三點式振蕩電路在高頻振蕩電路中應(yīng)用廣泛，該電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元器件較多，信號傳輸路徑不直觀，學(xué)生在學(xué)習(xí)時難以理解。文章設(shè)計了一種典型電容三點式振蕩電路，對該電路進行靜態(tài)工作點計算與分析，使電路工作在放大狀態(tài)。再通過Multisim軟件進行仿真驗證與分析，該電路不需要電源開關(guān)增加擾動就能起振，振蕩頻率與理論計算相符。該電路對硬件要求低，易于操作，可以促進學(xué)生理解振蕩電路的結(jié)構(gòu)，參數(shù)設(shè)置的依據(jù)和方法。

關(guān)鍵詞：三點式振蕩；Multisim；振蕩頻率

中圖分類號：TN32? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）04-0061-03

Design of Capacitance Three-Point Oscillation Circuit Based on Multisim

WU Wenying

（Guangdong Machinery Technician College， Guangzhou? 510450， China）

Abstract： The capacitance three-point oscillation circuit is widely used in high-frequency oscillation circuit. The circuit has complex structure， many components and unintuitive signal transmission path， which is difficult for students to understand when learning. In this paper， a typical capacitance three-point oscillation circuit is designed. The static operating point of the circuit is calculated and analyzed to make the circuit work in the amplified state. Through the simulation verification and analysis of Multisim software， the circuit can vibrate without increasing the disturbance of power switch， and the oscillation frequency is consistent with the theoretical calculation. This circuit has low hardware requirements and is easy to operate. It can promote students to understand the structure of oscillation circuit， the basis and method of parameter setting.

Keywords： three-point oscillation; Multisim; oscillation frequency

0? 引? 言

三點式振蕩電路在日常生活中廣泛應(yīng)用于要選頻或者信號衰減的場合。是指LC回路的三個端點與三極管的三個電極分別連接而組成的反饋型振蕩器。它用電感耦合或者電容耦合替代變壓器耦合，可以克服變壓器耦合振蕩電路只適用于低頻振蕩的缺點，工作頻率從幾兆赫到幾百兆赫，頻率范圍廣。

在高頻電路中，三點式振蕩電路是非常重要而又有難度的內(nèi)容。目前針對“高頻電子線路”課程的教學(xué)與實踐主要采用以下方法：（1）用高頻實驗箱或者實驗板進行固定模塊實驗驗證，對照給定線路連接元件，觀察并記錄結(jié)果，得出結(jié)論；（2）采用Proteus軟件進行仿真，對典型電路進行繪制與結(jié)果分析；（3）采用Multisim軟件進行電路設(shè)計與仿真測試，獲得對高頻電路的直觀認(rèn)識。其中高頻試驗箱或?qū)嶒灠迨苡布绊?，只能驗證固定電路無法拓展更多電路，加上元件參數(shù)和環(huán)境波動，電路性能容易受影響，很難得出正確結(jié)果；Proteus軟件里面的高頻元件較少，對高頻電路的仿真受到限制；而Multisim軟件功能更加強大，可以把計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)（LABVIEW）完美結(jié)合，實現(xiàn)理論知識到計算機仿真再現(xiàn)再到虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造的儀表，因此本文對典型電容三點式振蕩電路進行設(shè)計，并用Multisim軟件進行仿真驗證分析，該電路可以在不需要擾動開關(guān)的情況下起振，并且進入穩(wěn)定振蕩狀態(tài)，對“高頻電子線路”課程的教學(xué)起到很好的輔助作用。

1? 三點式振蕩電路結(jié)構(gòu)

三點式振蕩電路形式多種多樣，但總結(jié)其交流等效電路如圖1所示。

圖中，Xce、Xbe、Xcb為與三極管三個電極相連的三個電抗元件。在實際電路中，Xce、Xbe必須同為容抗或者同為感抗，Xcb與Xce、Xbe性質(zhì)不同，且三個電抗元件之間相位需滿足以下關(guān)系：

Xcb=-（Xce+Xbe）

這就是三點式振蕩電路相位平衡的判斷準(zhǔn)則。在滿足以上相位條件基礎(chǔ)上，若元件Xce、Xbe呈容性，Xcb呈感性，則振蕩電路中電容與三極管三個電極相連，電路為電容三點式振蕩器；若元件Xce、Xbe呈感性，Xcb呈容性，則振蕩電路中電感與三極管三個電極相連，電路為電感三點式振蕩電路。比起電感三點式振蕩電路，電容三點式振蕩電路輸出波形更好，頻率穩(wěn)定度相對較高，輸出頻率范圍可達到100 MHz以上，實際應(yīng)用范圍更廣。因此本文主要針對電容三點式振蕩電路進行設(shè)計與仿真。

2? 電容三點式振蕩電路

用PROTEUS軟件繪制電容三點式振蕩電路等效簡圖如圖2所示。

電容三點式LC正弦波振蕩電路的重要結(jié)構(gòu)特點是：振蕩回路兩串聯(lián)電容C1、C2的三個端點與三極管的三個管腳分別相連。與發(fā)射極相連的元件都為容性，與基極（或集電極）相連的兩個元件一個為容性一個為感性，即俗稱“射同基（集）反”。如果合理設(shè)置電路參數(shù)使其滿足起振條件，則電路將開始振蕩，如果忽略分布電容、三極管參數(shù)等因素，此電路的振蕩頻率f0如下式：

其中C′約等于C1與C2的串聯(lián)值，即：

改變C1、C2的值，在一定條件下可以改變起振條件，C1/C2通常取0.1～0.5之間。太小不容易起振，太大容易使電路放大倍數(shù)與回路有載Q值下降，容易使振蕩波形產(chǎn)生失真，輸出頻率穩(wěn)定度下降。

對于一般小功率自穩(wěn)幅的振蕩器，靜態(tài)工作點要遠(yuǎn)離飽和區(qū)，接近截止區(qū)。根據(jù)具體電路和電源電壓大小，ICQ一般取1～5 mA，但在實際偏置參數(shù)選定時，在可能的情況下，發(fā)射極偏置電阻盡可能取大一些，不要太小。針對以上工作原理，設(shè)計了電容三點式振蕩電路如圖3所示，該電路參數(shù)可以直接仿真運行起振，不需要額外添加電源開關(guān)增加擾動起振，操作不受硬件參數(shù)與環(huán)境影響，可以進行多種變形與改進，便于學(xué)生清晰直觀地理解電容三點式振蕩電路的結(jié)構(gòu)與工作原理。

以上電容三點式振蕩電路主要由放大電路、正反饋電路和選頻網(wǎng)絡(luò)組成。與發(fā)射極相連的兩個元件C3、C4同為電容，與基極相連的兩個元件一個是電容C4，一個是電感L2，滿足三點式振蕩電路的基本結(jié)構(gòu)特點“射同基反”。正弦波振蕩器能否起振需要滿足兩個條件：振幅平衡和相位平衡。共射放大電路輸出電壓與輸入電壓反相，為了滿足相位平衡條件，反饋網(wǎng)絡(luò)也要有180°相移，只有與發(fā)射極相連的兩個元件電抗性質(zhì)相同才能滿足。而發(fā)生諧振時諧振回路總電抗成阻性，故另外一個元件電抗性質(zhì)相反。除了“射同基反”可以判斷相位平衡，瞬時極性法可以推出C4末端形成正反饋，兩種方法本質(zhì)相同。在有反饋信號的情況下，如果三極管能正常放大就滿足振幅平衡條件。后面通過靜態(tài)工作點分析來判斷三極管的放大情況。

C1的作用是隔直流通交流，選取有用交流信號。R1、R3是以分壓的形式為三極管提供基極偏壓，使三極管獲得穩(wěn)定的靜態(tài)工作點，構(gòu)成共射極放大電路。C5為交流旁路電容，作用是濾除一些不需要的交流信號，減少干擾。由三極管2N2712將反饋信號放大，構(gòu)成放大電路的核心部件；反饋電壓從C4兩端取得，形成正反饋，送回到三極管的基極，從放大電路輸入端進入，進一步放大；C3、C4和L2構(gòu)成諧振回路的選頻網(wǎng)絡(luò)，作用是在眾多的頻譜中選取與自身諧振頻率相同的頻率并將其反饋到輸入端，三極管將此小信號放大，反饋與放大循環(huán)往復(fù)，最終由輸出端輸出，形成穩(wěn)定的振蕩信號。

3? 仿真及結(jié)果

3.1? 靜態(tài)測量與分析

在一般的放大電路中，三極管要求工作在放大區(qū)，即發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏。如果三極管不滿足上述條件工作在飽和區(qū)或者截止區(qū)，就會造成信號底部或者頂部被砍掉，有用信號失真。對于高頻電路中的振蕩電路來說，信號需要逐漸被放大，振幅的增大主要依賴于三極管的集電極靜態(tài)電流ICQ，靜態(tài)工作點中的ICQ如果設(shè)置太大，則三極管輸出曲線容易上移進入飽和區(qū)，振蕩輸出波形失真，甚至電路停振。ICQ設(shè)置太小三極管輸出曲線容易進入截止區(qū)不產(chǎn)生振蕩。因此振蕩電路應(yīng)先設(shè)置合理的靜態(tài)工作點。

對圖中所示電路進行靜態(tài)工作點分析，先獲取直流通路。在直流狀態(tài)下，電容相當(dāng)于無窮大的電阻，因此將電容開路；直流狀態(tài)下電感相當(dāng)于一根導(dǎo)線，因此將電感短路；交流電源和交流信號都置零。得到電容三點式振蕩電路的直流通路如圖4所示。

以上電路中信號源和負(fù)載以及選頻網(wǎng)絡(luò)都與三極管斷開。三極管的靜態(tài)工作點主要有三個要素：基極靜態(tài)電流IBQ、集電極靜態(tài)電流ICQ、集電極-發(fā)射級電壓VCQ。設(shè)置靜態(tài)工作點的目的是防止電路產(chǎn)生非線性失真，使三極管工作在放大狀態(tài)。計算該電路靜態(tài)工作點的步驟如下：

查閱手冊可知2N2712的放大倍數(shù)在75到250之間，估算靜態(tài)工作點時取值125。故 。

從以上計算得出該電路靜態(tài)工作點是：IBQ=0.018 mA、ICQ=2.26 mA、VCQ=5.48 V。該靜態(tài)工作點ICQ符合前文分析的1～5 mA之間，故該電路靜態(tài)工作點合理，容易起振。

用Mulitism仿真軟件進行靜態(tài)結(jié)果驗證方法是：用軟件中的直流電壓表和電流表工具對電路各點電位和電流進行測量，仿真結(jié)果中基極電位VBQ為2.73 V，比計算值2.86 V低一些，是因為我們忽略了電阻Rbe與發(fā)射極電阻RE的串聯(lián)值，這個串聯(lián)值本應(yīng)該與R3并聯(lián)的。其余測量結(jié)果均與計算結(jié)果相符，再次驗證該電路工作在放大狀態(tài)，符合振幅平衡條件。

3.2? 動態(tài)測量與分析

動態(tài)分析需要完整的電路設(shè)計圖，在仿真圖中打開Multisim仿真軟件的虛擬示波器，可以看到電路在幾秒后起振，小信號不斷被重復(fù)放大，逐漸形成穩(wěn)定的正弦信號。移動Multisim仿真軟件的標(biāo)尺可以測量振蕩電路的振蕩建立時間。圖5為振蕩建立起來過程圖，圖6為電容三點式振蕩電路穩(wěn)定后放大的局部信號圖。

對電路振蕩頻率進行理論計算，將1 μF和2.2 μF代入公式? 計算得總電容C′=0.69 μF。將總電容和L=10 mH代入公式? 計算得f0=1.918 5 kHz。在Multisim仿真界面雙擊頻率計，得到頻率計讀數(shù)如圖7所示。

頻率計顯示振蕩頻率與計算結(jié)果一致，該電路符合三點式振蕩電路的各項特性。

4? 結(jié)? 論

本文設(shè)計了一種便于仿真和計算的電容三點式振蕩電路。在高頻電子技術(shù)課程中LC振蕩電路是重要的組成部分，其中三點式振蕩電路的特性分析較難理解，通過仿真和參數(shù)計算對比，能促進學(xué)生對振蕩電路參數(shù)設(shè)置和起振原因的理解，對電路進行改進，形成性能更加穩(wěn)定的高頻振蕩電路。

參考文獻：

[1] 周亞，戴偉，張鑫，等.基于地感線圈的車輛駛?cè)霗z測電路設(shè)計及仿真 [J].電子技術(shù)應(yīng)用，2022，48（6）：107-111.

[2] 王玉爽，張吉同.單結(jié)晶體管振蕩電路的Multisim14.0仿真及自制 [J].電子制作，2021（17）：46-49+59.

[3] 鐘俊，劉輝，劉恒.基于Multisim的RC橋式振蕩電路分析 [J].輕工科技，2019，35（12）：55-56.

[4] 呂紫薇，趙楠，鄭向陽，等.淺析電容三點式正弦波振蕩器的設(shè)計 [J].科技風(fēng)，2019（13）：4.

[5] 聶紅玲.基于Multisim的正弦波振蕩器性能測試仿真 [J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2018，17（2）：29-31.

作者簡介：吳文英（1984.09—），女，漢族，湖北武漢人，工程師，碩士，研方方向：電子技術(shù)。

收稿日期：2022-10-02