电容回授三端式正弦波振荡电路的虚拟仿真分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 电容回授三端式正弦波振荡电路的 虚拟仿真分析 摘 要： 利用 Multisim 10.1 软件 对电容回授三端式正弦波振荡电路进行 仿真分析，观察了振荡器输出波形的振 幅和振荡频率，并改变谐振回路电容大 小，说明了参数的变化对输出波形振幅 和振荡频率的影响。通过实例验证了将 Multisim 10.1 引入通信电子线路实验教 学后，能更准确地帮助学生理解和掌握 通信电子线路的理论内容，提高学生对 电路问题的分析和解决能力，更好地培 养学生创新能力，得出了 Multisim 10.1 软件在电子线路实验教学中起着非常重 要的辅助作用。 中国论文网 /8/view-12762692.htm -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 关键字： 电容回授； 三端式正 弦波； 振荡电路； 虚拟仿真 中图分类号： TN751?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（ 2014）09?0131?03 0 引 言 正弦波振荡器是不需外加输入信 号，便能自行产生输出正弦波信号的电 路。目前应用最广泛的是引入正反馈原 理构成的振荡器，它的最大特点是不需 外部信号的控制1。正弦波振荡器输出 波形的频率、幅度完全由振荡电路本身 参数大小来决定。在通信、广播和电视 系统中要进行信号的调制需产生高频载 波信号，这需用到振荡电路，在工业和 生物医学等领域内，如高频感应加热、 熔炼、超声波焊接、超声诊断和核磁共 振成像等都需用到振荡器2。三端式电 容回授（回授又称为反馈）LC 正弦波 振荡器，由于反馈主要是通过电容，高 频时电抗小，能较好的滤除高次谐波， 使得振荡器输出的波形质量高，频率稳 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 定度高，适用于频率较高的波段3，因 此它常用于本振、调频和压控振荡器 VCO 等通信电子线路中。 Multisim 10.1 美国国家仪器 （NI ）有限公司推出的以 Windows 为 基础的仿真工具，该软件包含了电路原 理图的图形输入、电路硬件描述语言输 入方式，具有丰富的仿真分析能力。因 此许多高校常将 Multisim 10.1 用于通信 电子线路实验教学中4。多年的实践教 学验证，将 Multisim 10.1 虚拟仿真合理 应用到各种电子电路实验中能增强和激 发学生对电子电路制作的兴趣。它能很 好地解决理论教学与实际动手实验相脱 节的这一问题，对高校的电子电路理论 教学起到极大地提高和促进作用。本文 以电容回授三端式振荡电路为例，介绍 Multisim 10.1 在实验教学中的虚拟仿真。 1 电容回授三端式振荡器的电路 工作原理 电容反馈三端式正弦波振荡的相 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 位平衡条件是判别振荡器其能否正常振 荡的前提，对高频正弦振荡器而言，当 满足“射同基反 ”的原则就意味着满足相 位平衡条件5。电容反馈振荡电路的工 作原理图如图 1 所示，如图 2 是图 1 的 交流通路。 图 1 电容回授三端式振荡电路原 理图 图 2 交流通路 在图 1 和图 2 中，R1，R2， Re为直流偏置电阻；振荡产生后作为 自偏压电阻，稳幅作用6；Lc为高频 扼流圈，防止电源旁路；Ce为旁路电 容，Cb 为隔直流电容；L，C1 ， C2构成谐振回路，决定振荡频率如式 （1）： fgf0=1LC （1） 式中：C=C1C2（C1+C2） 。 为了计算电容回授三端式正弦波振荡器 的起振条件，必须要求出反馈系数F和 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 放大倍数A， 利用起振条件 AF1来 判别，求解F和A 的等效电路采用拆 环法，等效电路如图 3 所示。 图 3 电容回授三端式正弦波振荡 器拆环后的等效电路 其中Rb包含在gie中； yfe=gm， 忽略内部反馈：yre=0。混 合 参数中的输入、输出电容包含在 C1，C2 ；RL是集电极等效负载7； Zce为三极管c和e 极间的等效阻抗。 从图 3 可计算出反馈系数F和放大倍数 A分别如式（ 2）和式（ 3）： F=UfUo=-C1C2 （2） A=UoUi=-gm?Zce （3） 由于谐振时Zce为纯电阻，即 Zce变为 Rce，如式（4）： Rce=（goe+gL+F2gie）-1 （4） 那么起振条件如式（5）： AF=gmgoe+gL+F2gieF1 （5） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 为使振荡频率稳定，一般选用高 质量的电子元器件，采用恒温和直流稳 压电源；还应使得谐振回路的Q值越 大，此时相频特性在频率f0附近的曲 线越陡，选频性能将越好。 2 电容回授三端式正弦波振荡电 路的虚拟仿真 分析要求 （1） 构建电容回授三端式振荡 器电路。主要目的是为了掌握电容反馈 三端式正弦波振荡器的电路结构及其主 要的工作原理。 （2） 观察软件测试电路振荡频 率和幅度。主要目的是为了观察产生的 正弦波的振荡幅度和振荡频率是否与实 际理论相吻合。 （3） 观察正弦波振荡器的输出 电压波形变化。 3 Multisim 10.1 软件的模拟仿真 3.1 搭建仿真电路原理图 打开 Multisim 10.1 的仿真软件， 点击右键后点击“Place Component”进入 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 元件库，选择晶体管型号为 2N2221A， 利用类似方法，调出电容、电阻和直流 源 12 V，调出接地端和一个可变电阻 Rp，阻值大小为 50 k；双击可变电 容图标，将弹出对话框中的 “Increament”栏改为 1%，双击电位器图 标，将弹出对话框中的“Increament”栏 也改为 1%，最终搭建的电容回授三端 式正弦波振荡器的仿真电路原理如图 4 所示。 图 4 电容回授三端式正弦波振荡 器的仿真电路 3.2 电容回授三端振荡电路的静 态工作点测试 先断开图 4 中的反馈电容C1连 线，调出万用表并结在电阻R3两端， 如图 5 所示。开启仿真开关，双击虚拟 万用表图标，打开放大面板，调整电位 器Rp 的大小，使万用表指示直流电压 在 2 V 左右，此时正弦波振荡电路的静 态工作点ICQ2 mA；测试完毕，恢复 反馈电容C1连线，并取掉万用表。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 图 5 调整电路静态工作点 3.3 电容反馈三端振荡器电路输 出的正弦波振荡频率和振荡幅度的测试 调出虚拟示波器接到电路的输出 端，如图 6 所示。开启仿真开关，双击 虚拟示波器图标，从放大面板的屏幕上 将观察到振荡电路的输出波形，如图 7 所示（放大面板各栏参数设置参照图 7 设置） 。 图 6 虚拟示波器接到正弦波振荡 电路的输出端 图 7 电容反馈三端式正弦波振荡 电路的输出波形 拉出屏幕左右角的两个读数指针 到图 7 振荡波形两相邻波形的峰值位置， 可以从屏幕下方“Channel_A”列读得振 荡波形的幅值为 3.8 V 左右；同时“T2- T1”行数据为 241.055 ns，利用测试的 周期T0.241 055 s，得出振荡器频率 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 为：f04.148 MHz。 3.4 虚拟仿真结果分析 根据图 7 读出的正弦波振荡周期， 进一步可算出输出波形的振荡频率f0 （4.28 MHz） ，详见表 1。 表 1 振荡频率和输出电压测试 CT/pF&f0/MHz&UoVp &50&5.309&2.94&75&4.577 &3.698&100&4.418&3.8& 理论计算利用公式：f0=1LC （其中C=11C1+1C2+1CT33.552 5 nF） ，计算振荡频率 f04.248MHz， 与上述振荡频率相比较。两者计算的结 果基本吻合。 按表 1 数据改变电容CT的值， 将测得的振荡波形频率和幅度填入表中， 逐一仿真后得出如下结论： （1） 谐振回路接入了电容CT 后，晶体管的输出端的输出电压幅值逐 渐减小。 （2） CT值减小会使得管子的 输出端（c?e 端）与谐振回路耦合程度 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 削弱，晶体管等效电阻减小，Au减小， 振荡器输出波形振幅减小。如果CT值 太小，正弦波振荡器因为不能满足起振 条件而会停止起振。 从上可以看出：利用虚拟仿真的 结果和对表 1 的分析与理论分析的结论 是一致，说明利用软件 Multisim 10.1 对 正弦波振荡器的输出波形、振荡周期及 起振条件等方面的虚拟仿真结果是基本 正确的。 4 结 语 本文利用 Multisim 10.1 仿真软件， 对通信电子线路中电容回授三端式正弦 波振荡电路进行了虚拟仿真，使学生通 过虚拟实验方法观察并测试到了正弦波 振荡电路的输出波形曲线，掌握输出波 形的振幅大小和振荡波形的频率求法， 进一步理解和掌握改变谐振回路接入一 个可调电容CT 后（即参数的变化）对 振荡电路输出波形的频率和波形振幅大 小的影响及其测量方法，让学生更好地 掌握电容回授三端式正弦波振荡电路的 -精选财经