基于Multisim的电容三点式振荡电路设计

摘  要：电容三点式振荡电路在高频振荡电路中应用广泛，该电路结构复杂，元器件较多，信号传输路径不直观，学生在学习时难以理解。文章设计了一种典型电容三点式振荡电路，对该电路进行静态工作点计算与分析，使电路工作在放大状态。再通过Multisim软件进行仿真验证与分析，该电路不需要电源开关增加扰动就能起振，振荡频率与理论计算相符。该电路对硬件要求低，易于操作，可以促进学生理解振荡电路的结构，参数设置的依据和方法。

关键词：三点式振荡；Multisim；振荡频率

中图分类号：TN32  文献标识码：A  文章编号：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

三点式振荡电路在日常生活中广泛应用于要选频或者信号衰减的场合。是指LC回路的三个端点与三极管的三个电极分别连接而组成的反馈型振荡器。它用电感耦合或者电容耦合替代变压器耦合，可以克服变压器耦合振荡电路只适用于低频振荡的缺点，工作频率从几兆赫到几百兆赫，频率范围广。

在高频电路中，三点式振荡电路是非常重要而又有难度的内容。目前针对“高频电子线路”课程的教学与实践主要采用以下方法：（1）用高频实验箱或者实验板进行固定模块实验验证，对照给定线路连接元件，观察并记录结果，得出结论；（2）采用Proteus软件进行仿真，对典型电路进行绘制与结果分析；（3）采用Multisim软件进行电路设计与仿真测试，获得对高频电路的直观认识。其中高频试验箱或实验板受硬件影响，只能验证固定电路无法拓展更多电路，加上元件参数和环境波动，电路性能容易受影响，很难得出正确结果；Proteus软件里面的高频元件较少，对高频电路的仿真受到限制；而Multisim软件功能更加强大，可以把計算机仿真与虚拟仪器技术（LABVIEW）完美结合，实现理论知识到计算机仿真再现再到虚拟仪器技术创造的仪表，因此本文对典型电容三点式振荡电路进行设计，并用Multisim软件进行仿真验证分析，该电路可以在不需要扰动开关的情况下起振，并且进入稳定振荡状态，对“高频电子线路”课程的教学起到很好的辅助作用。

1  三点式振荡电路结构

三点式振荡电路形式多种多样，但总结其交流等效电路如图1所示。

图中，Xce、Xbe、Xcb为与三极管三个电极相连的三个电抗元件。在实际电路中，Xce、Xbe必须同为容抗或者同为感抗，Xcb与Xce、Xbe性质不同，且三个电抗元件之间相位需满足以下关系：

Xcb=-（Xce+Xbe）

这就是三点式振荡电路相位平衡的判断准则。在满足以上相位条件基础上，若元件Xce、Xbe呈容性，Xcb呈感性，则振荡电路中电容与三极管三个电极相连，电路为电容三点式振荡器；若元件Xce、Xbe呈感性，Xcb呈容性，则振荡电路中电感与三极管三个电极相连，电路为电感三点式振荡电路。比起电感三点式振荡电路，电容三点式振荡电路输出波形更好，频率稳定度相对较高，输出频率范围可达到100 MHz以上，实际应用范围更广。因此本文主要针对电容三点式振荡电路进行设计与仿真。

2  电容三点式振荡电路

用PROTEUS软件绘制电容三点式振荡电路等效简图如图2所示。

电容三点式LC正弦波振荡电路的重要结构特点是：振荡回路两串联电容C1、C2的三个端点与三极管的三个管脚分别相连。与发射极相连的元件都为容性，与基极（或集电极）相连的两个元件一个为容性一个为感性，即俗称“射同基（集）反”。如果合理设置电路参数使其满足起振条件，则电路将开始振荡，如果忽略分布电容、三极管参数等因素，此电路的振荡频率f0如下式：

其中C′约等于C1与C2的串联值，即：

改变C1、C2的值，在一定条件下可以改变起振条件，C1/C2通常取0.1～0.5之间。太小不容易起振，太大容易使电路放大倍数与回路有载Q值下降，容易使振荡波形产生失真，输出频率稳定度下降。

对于一般小功率自穩幅的振荡器，静态工作点要远离饱和区，接近截止区。根据具体电路和电源电压大小，ICQ一般取1～5 mA，但在实际偏置参数选定时，在可能的情况下，发射极偏置电阻尽可能取大一些，不要太小。针对以上工作原理，设计了电容三点式振荡电路如图3所示，该电路参数可以直接仿真运行起振，不需要额外添加电源开关增加扰动起振，操作不受硬件参数与环境影响，可以进行多种变形与改进，便于学生清晰直观地理解电容三点式振荡电路的结构与工作原理。

以上电容三点式振荡电路主要由放大电路、正反馈电路和选频网络组成。与发射极相连的两个元件C3、C4同为电容，与基极相连的两个元件一个是电容C4，一个是电感L2，满足三点式振荡电路的基本结构特点“射同基反”。正弦波振荡器能否起振需要满足两个条件：振幅平衡和相位平衡。共射放大电路输出电压与输入电压反相，为了满足相位平衡条件，反馈网络也要有180°相移，只有与发射极相连的两个元件电抗性质相同才能满足。而发生谐振时谐振回路总电抗成阻性，故另外一个元件电抗性质相反。除了“射同基反”可以判断相位平衡，瞬时极性法可以推出C4末端形成正反馈，两种方法本质相同。在有反馈信号的情况下，如果三极管能正常放大就满足振幅平衡条件。后面通过静态工作点分析来判断三极管的放大情况。

C1的作用是隔直流通交流，选取有用交流信号。R1、R3是以分压的形式为三极管提供基极偏压，使三极管获得稳定的静态工作点，构成共射极放大电路。C5为交流旁路电容，作用是滤除一些不需要的交流信号，减少干扰。由三极管2N2712将反馈信号放大，构成放大电路的核心部件；反馈电压从C4两端取得，形成正反馈，送回到三极管的基极，从放大电路输入端进入，进一步放大；C3、C4和L2构成谐振回路的选频网络，作用是在众多的频谱中选取与自身谐振频率相同的频率并将其反馈到输入端，三极管将此小信号放大，反馈与放大循环往复，最终由输出端输出，形成稳定的振荡信号。

3  仿真及结果

3.1  静态测量与分析

在一般的放大电路中，三极管要求工作在放大区，即发射结正偏集电结反偏。如果三极管不满足上述条件工作在饱和区或者截止区，就会造成信号底部或者顶部被砍掉，有用信号失真。对于高频电路中的振荡电路来说，信号需要逐渐被放大，振幅的增大主要依赖于三极管的集电极静态电流ICQ，静态工作点中的ICQ如果设置太大，则三极管输出曲线容易上移进入饱和区，振荡输出波形失真，甚至电路停振。ICQ设置太小三极管输出曲线容易进入截止区不产生振荡。因此振荡电路应先设置合理的静态工作点。

对图中所示电路进行静态工作点分析，先获取直流通路。在直流状态下，电容相当于无穷大的电阻，因此将电容开路；直流状态下电感相当于一根导线，因此将电感短路；交流电源和交流信号都置零。得到电容三点式振荡电路的直流通路如图4所示。

以上电路中信号源和负载以及选频网络都与三极管断开。三极管的静态工作点主要有三个要素：基极静态电流IBQ、集电极静态电流ICQ、集电极-发射级电压VCQ。设置静态工作点的目的是防止电路产生非线性失真，使三极管工作在放大状态。计算该电路静态工作点的步骤如下：

查阅手册可知2N2712的放大倍数在75到250之间，估算静态工作点时取值125。故 。

从以上计算得出该电路静态工作点是：IBQ=0.018 mA、ICQ=2.26 mA、VCQ=5.48 V。该静态工作点ICQ符合前文分析的1～5 mA之间，故该电路静态工作点合理，容易起振。

用Mulitism仿真软件进行静态结果验证方法是：用软件中的直流电压表和电流表工具对电路各点电位和电流进行测量，仿真结果中基极电位VBQ为2.73 V，比计算值2.86 V低一些，是因为我们忽略了电阻Rbe与发射极电阻RE的串联值，这个串联值本应该与R3并联的。其余测量结果均与计算结果相符，再次验证该电路工作在放大状态，符合振幅平衡条件。

3.2  动态测量与分析

动态分析需要完整的电路设计图，在仿真图中打开Multisim仿真软件的虚拟示波器，可以看到电路在几秒后起振，小信号不断被重复放大，逐渐形成稳定的正弦信号。移动Multisim仿真软件的标尺可以测量振荡电路的振荡建立时间。图5为振荡建立起来过程图，图6为电容三点式振荡电路稳定后放大的局部信号图。

对电路振荡频率进行理论计算，将1 μF和2.2 μF代入公式  计算得总电容C′=0.69 μF。将总电容和L=10 mH代入公式  计算得f0=1.918 5 kHz。在Multisim仿真界面双击频率计，得到频率计读数如图7所示。

频率计显示振荡频率与计算结果一致，该电路符合三点式振荡电路的各项特性。

4  结  论

本文设计了一种便于仿真和计算的电容三点式振荡电路。在高频电子技术课程中LC振荡电路是重要的组成部分，其中三点式振荡电路的特性分析较难理解，通过仿真和参数计算对比，能促进学生对振荡电路参数设置和起振原因的理解，对电路进行改进，形成性能更加稳定的高频振荡电路。

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作者简介：吴文英（1984.09—），女，汉族，湖北武汉人，工程师，硕士，研方方向：电子技术。

收稿日期：2022-10-02