并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

嚴(yán)小黑，黎運(yùn)宇

（廣西民族師范學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

在現(xiàn)代電子技術(shù)領(lǐng)域中，振蕩器是一種非常重要的電路元件，其作用是產(chǎn)生穩(wěn)定的交流信號(hào)，被廣泛應(yīng)用于無線電通信、音頻設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

為了更好地掌握振蕩器電路的原理和實(shí)際應(yīng)用，許多學(xué)校都開設(shè)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程。但是，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式存在一些問題，例如實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本高、實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以保存等等。針對(duì)這些問題，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和仿真工具，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證和性能測(cè)試等一系列實(shí)驗(yàn)操作。虛擬實(shí)驗(yàn)具有成本低、安全可靠、靈活方便等特點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究的重要手段[1～4]。

Multisim 是一款常用的電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，具有豐富的元器件庫和仿真分析功能；而LabVIEW 則是一個(gè)強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的設(shè)計(jì)、控制和數(shù)據(jù)采集等操作。本文以一個(gè)典型的振蕩器電路為例詳細(xì)介紹了基于這兩款軟件進(jìn)行振蕩器虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程，并進(jìn)行了案例分析。

1 并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器的工作原理及性能指標(biāo)

■1.1 工作原理

反饋型振蕩器是由放大器和選頻反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成的，如圖1 所示。其中放大器的電壓放大倍數(shù)記為K，反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)記為F，放大器的輸入信號(hào)記為ui，放大器的輸出信號(hào)記為uo，反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端的信號(hào)記為uf。

圖1 反饋型振蕩器的組成框圖

振蕩器要想正常工作必須滿足三個(gè)條件。首先是起振條件，起振時(shí)要滿足uf>ui，因此，振蕩器的起振條件可表示為：

此條件的物理意義是振幅起振條件要求反饋電壓幅度要一次比一次大，而相位起振條件則要求環(huán)路保持正反饋。

其次是平衡條件，平衡時(shí)要滿足uf=ui，因此，振蕩器的平衡條件為：

在平衡條件下，反饋到放大器的輸入信號(hào)電壓正好等于放大器維持振蕩所需要的輸入電壓，從而保持反饋環(huán)路各點(diǎn)電壓的平衡。

最后是穩(wěn)定條件，穩(wěn)定條件具體又包括振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。振幅穩(wěn)定條件要求在平衡點(diǎn)附近，放大倍數(shù)隨振幅的變化特性具有負(fù)的斜率。相位穩(wěn)定條件則要求相位特性曲線在工作頻率附近的斜率是負(fù)的，用公式可表示為：

圖2 為并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器的原理電路及其交流等效通路。相比普通的電容三點(diǎn)式振蕩器而言，其增加了電容C3和可調(diào)電容C，目的是提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度及頻率可調(diào)性。對(duì)于電容三點(diǎn)式振蕩器而言，要想滿足反饋型振蕩器所要求的相位平衡條件，則必須滿足“射同基反”的要求，即與三極管發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件必須性質(zhì)相同，而與三極管基極相連的兩個(gè)電抗元件必須性質(zhì)相反。因此，對(duì)于并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器而言，三極管基極與集電極之間必須等效為電感，振蕩器才能正常工作。

圖2 并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器的電路

在滿足上述條件的前提下，振蕩器的工作過程是：在電源開關(guān)閉合的瞬間，存在各種電的擾動(dòng)。突變的電流擾動(dòng)包含著許多諧波成分，它們通過LC 諧振回路時(shí)，由LC 諧振回路選出與其諧振頻率相同的信號(hào)，并通過反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到放大器的輸入端，這就是激勵(lì)信號(hào)。起始振蕩信號(hào)十分微弱，但是由于不斷對(duì)它進(jìn)行放大—選頻—反饋—再放大等多次循環(huán)，于是一個(gè)與LC 諧振回路固有諧振頻率相同的自激振蕩便由小到大地建立起來。由于晶體管特性的非線性，振幅會(huì)自動(dòng)穩(wěn)定到一定的幅度，因此振蕩的幅度不會(huì)無限增大。

■1.2 性能指標(biāo)

振蕩器的性能指標(biāo)主要包含振蕩頻率、頻率可調(diào)性和頻率穩(wěn)定度三個(gè)方面。其振蕩頻率主要由LC 諧振回路的諧振頻率決定，由以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Ci為三極管的輸入結(jié)電容，Co為三極管的輸出結(jié)電容，在振蕩器中要盡量降低它們對(duì)振蕩頻率的影響。

振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，規(guī)定的溫度、濕度、電源電壓等變化范圍內(nèi)振蕩頻率的相對(duì)變化量，可表示為：

造成頻率不穩(wěn)定的因素主要有晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定，比如當(dāng)外界環(huán)境變化造成結(jié)電容的變化，從而導(dǎo)致振蕩頻率的變化。

振蕩器的頻率可調(diào)性是指通過調(diào)整可調(diào)電容，能夠?qū)崿F(xiàn)的振蕩器的頻率變化范圍。由式(4) 可知，當(dāng)C1>>C3,C2>>C3時(shí)，C∑≈C+C3。因此，并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器可有效提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度和可調(diào)性。

2 Multisim 實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

采用Multisim 設(shè)計(jì)并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器實(shí)驗(yàn)電路，如圖3 所示。

圖3 Multisim 并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器實(shí)驗(yàn)電路

U1 為壓控電阻，用于控制Rb1的阻值，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)的控制。U2 為壓控電容，用于控制C 的電容值。V1 為壓控電源，用于控制直流電源開關(guān)的通斷。晶體管型號(hào)為2N5551。電路共設(shè)置4 個(gè)LabVIEW 協(xié)同仿真端口，用于和LabVIEW 程序的聯(lián)動(dòng)，端口作用及對(duì)應(yīng)關(guān)系詳見表1。

表1 LabVIEW協(xié)同仿真端口作用及對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 不同Rb1值下振蕩器的輸出信號(hào)幅度

表3 不同C值下振蕩器的振蕩頻率

3 LabVIEW 前面板及程序設(shè)計(jì)

LabVIEW 前面板如圖4 所示，其包含3 個(gè)區(qū)域，分別為電路原理圖，信號(hào)波形圖和電路參數(shù)設(shè)置、顯示區(qū)。電路可調(diào)整的參數(shù)為靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)（Rb1）、頻率微調(diào)（C），可顯示的參數(shù)為振蕩器輸出信號(hào)的振蕩頻率。電源開關(guān)用于控制振蕩電路直流電源的通斷。振蕩器輸出信號(hào)的振蕩幅度可通過波形圖讀取。

圖4 LabVIEW 前面板

LabVIEW 程序如圖5 所示，主程序?yàn)榭丶c仿真循環(huán)，在其中調(diào)用并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器Multisim Design VI。將調(diào)節(jié)控件與Multisim 相應(yīng)的輸入端口連接，信號(hào)波形圖表與相應(yīng)的輸出信號(hào)端口連接。在程序中插入了一個(gè)“信號(hào)的時(shí)間與瞬態(tài)特性測(cè)量”VI 用于測(cè)量振蕩器輸出信號(hào)的頻率。“停止”布爾控件用于控制主程序停止。

圖5 LabVIEW 程序

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程

■4.1 振蕩器起振過程的觀察

設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整電阻（Rb1）的初始阻值為10 kΩ，頻率微調(diào)電容（C）為0pF，運(yùn)行程序，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)振蕩器并未起振。緩慢增加Rb1的阻值直至15 kΩ，此時(shí)會(huì)觀察到振蕩的起振過程，如圖6 所示，振蕩器的輸出信號(hào)從小到大，慢慢變大，最后趨于穩(wěn)定。

圖6 振蕩器的起振過程

■4.2 靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)振蕩幅度的影響

當(dāng)振蕩器起振后，繼續(xù)增加Rb1的阻值，則會(huì)繼續(xù)改變晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)，進(jìn)而影響振蕩器的輸出信號(hào)幅度。將相關(guān)數(shù)據(jù)記錄于表格2 中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以繪制靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)振蕩幅度的影響曲線，如圖7 所示。可以看出，隨著Rb1的增加振蕩幅度先增加到最大，后又減小直到停振，這是由于Rb1的增加會(huì)導(dǎo)致晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)由高到低變化所致。此結(jié)果與理論分析一致，較好地驗(yàn)證了理論的正確性。

圖7 Rb1 變化對(duì)振蕩幅度的影響曲線

■4.3 可調(diào)電容變化對(duì)振蕩頻率的影響

將Rb1設(shè)置為20 kΩ，通過改變C 的電容值，觀察其對(duì)振蕩頻率的影響，并將相關(guān)數(shù)據(jù)記錄于表格3 中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以繪制可調(diào)電容變化對(duì)振蕩頻率的影響曲線，如圖8 所示?？梢钥闯觯S著C 從0 增大到20 pF 的過程中，振蕩器的振蕩頻率近乎線性下降。當(dāng)C=25pF 時(shí)，振蕩器無法起振，這是由于此時(shí)振蕩器無法滿足“射同基反”的起振條件。以上結(jié)果均與理論結(jié)果相一致。

圖8 C 變化對(duì)振蕩頻率的影響曲線

5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的在線發(fā)布

LabVIEW Web 發(fā)布工具是一項(xiàng)功能強(qiáng)大的工具，它允許用戶通過網(wǎng)絡(luò)分享程序前面板圖像或HTML 頁面，以便進(jìn)行遠(yuǎn)程瀏覽和操作（見圖9）。使用該工具，局域網(wǎng)用戶只需在瀏覽器地址欄中輸入圖9 中顯示的URL 即可輕松訪問。而對(duì)于Internet 用戶，則需要輸入以下格式的地址：http://IP 地址:端口/文件名.html。將URL 中的主機(jī)名替換為服務(wù)器的IP 地址，即可訪問所需內(nèi)容。這使得遠(yuǎn)程訪問和操作變得更加便捷和靈活。

圖9 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的Web 發(fā)布

6 結(jié)論

本文利用Multisim 和LabVIEW 兩款軟件的聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)了并聯(lián)改進(jìn)型三點(diǎn)式LC 振蕩器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。利用Multisim 軟件完成振蕩器的電路設(shè)計(jì)。利用LabVIEW 軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)Multisim 電路的調(diào)用，并完成交互設(shè)計(jì)。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)苡^察振蕩器的起振過程，能測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)振蕩幅度的影響，并能測(cè)量可調(diào)電容變化對(duì)振蕩頻率的影響，完成實(shí)驗(yàn)所要求的基本任務(wù)。此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行Web 發(fā)布，讓學(xué)生能進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，是傳統(tǒng)基于硬件平臺(tái)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，具備一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。