基于Multisim的西勒振荡器设计与仿真

王海梅，侯艳红

（陕西国防工业职业技术学院 陕西 西安710300）

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[1]。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[2]，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[3]。

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[4]。西勒振荡器原理图如图1所示。

1.1 静态工作点设计

图1 西勒振荡器原理图Fig.1 Schematic Seiler oscillator

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[5]。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[6]。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。

图2 基于Multisim 10.1的西勒振荡器Fig.2 Seiler oscillator based on Multisim 10.1

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3.99 mA、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。

图3 基于Multisim 10.1的仿真结果Fig.3 Simulation results based on Multisim 10.1

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=2.90×10-6s，T2=9.086 48 m-9.084 50 m=1.98×10-6s，T=(T1+T2)/2=2.44×10-6s， 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。

图4 记录仪波形Fig.4 Recorder waveform

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[7]。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。

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。

表1 反馈特性Tab.1 Feedback characteristics

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。

图5 改变C2参数效果图Fig.5 Effect chart changed the C2parameter

“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[8]。“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。

表2 负载特性Tab.2 The load characteristics

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[9]。

图6 并联一个10 nF电容的西勒振荡器Fig.6 Seiler oscillator and a 10 nF capacitor in parallel

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[10]。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[7]。

[1]张玉兴.射频模拟电路[M].北京：电子工业出版社,2003.

[2]任骏原.微分型单稳态触发器的Multisim分析[J].电子设计工程,2012,20(8):15-19.REN Jun-yuan.Analysis of differential mono stable flip-flop with multisim[J].Electronic Design Engineering,2012,20(8):15-19.

[3]于波,吕秀丽,李玉爽.Multisim 11在高频电子线路教学中的应用[J].现代电子技术,2011,34（10）:193-195,198.YU Bo,LV Xiu-li,LI Yu-shuang.Application of Multisim 11 in high frequency electronic circuit teaching[J].Modern Electronics Technique，2011,34（10）:193-195,198.

[4]乐曙光.基于Multisim的西勒振荡器设计[J].科技与企业，2013(6)：343.LE Shu-guang.Design of Seiler oscillator based on Multisim[J].Technology and Business,2013(6)：343.

[5]谢嘉奎,宣月清,冯军编.电子线路非线性部分[M].4版，高等教育出版社,2000.

[6]曾素琼.高频振荡器设计及其稳定度对比实验研究[J].电子质量,2012(10):64-67,74.ZENG Su-qiong.Experimental studyofhigh frequency oscillator design and its stability comparison[J].Electronics Quality,2012(10):64-67,74.

[7]王卫东.高频电子电路（第二版）[M].北京：电子工业出版社,2009.

[8]周润景,郝晓霞.Multisim&Labview虚拟仪器设计技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[9]刘佳.Multisim应用于高频正弦波振荡器频率稳定度比较分析[J].中国电力教育,2012（z1）:19-20.LIU Jia.The application of Multisim in high frequency sine wave oscillator frequency stability analysis[J].China Electric Power Education,2012（z1）:19-20.

[10]俞兴明.DQPSK调制系统差分编译码电路的设计与Multisim仿真[J].电子测量技术,2013,31（4）：59.YU Xing-ming.Design and Simulation of Multisim sub codec circuit differential DQPSK modulation system[J].Electronic measurement technology,2013,31（4）：59.