基于虚拟仪器的振荡器相位噪声特性研究

张志强　叶建芳　董琳

摘 要：从D. B. Leeson的反馈振荡器模型出发，分析了有载品质因数QL对振荡器相位噪声的影响。依据Takashi Ohira的无源二端口网络

QL表达式，推导出西勒振荡电路的QL电路元件参数之间的量化关系，进一步分析出影响西勒振荡器有载品质因数QL的关键元器件参数。在此基础上引入虚拟仪器技术，利用LabVIEW与Multisim的联合仿真开发振荡器相位噪声分析平台，将影响振荡器相位噪声的关键元器件设置为输入控件，运用LabVIEW强大的数据分析功能测量关键元器件参数不同取值下的Multisim仿真输出波形的功率谱密度。将多次仿真分析结果记录保存后，合并显示在同一“X Y图”控件中，从而直观动态的展示电路元器件参数变化对振荡电路的相位噪声特性的影响。该平台不仅可以用于验证理论分析结果，也为振荡器相位噪声的分析及低相位噪声振荡器的设计提供了新思路和新方法。

关键词： 有载品质因数; 二端口网络; LabVIEW; Multisim; 相位噪声

中图分类号： TP 391

文献标志码： A

Abstract： The influence of the loaded quality factor QL on oscillator phase noise was analyzed from the feedback oscillator model of D. B. Leeson. According to the QL formulation for two-port passive network of Takashi Ohira， the quantification relationship between QL and Seiler oscillator circuit component parameters was deduced， and the key component parameters affecting QL of the Seiler oscillator were further analyzed. The virtual instrument technology was adopted to develop an oscillator phase noise analysis platform. The key component that affect the phase noise were set as input controls， and the power spectral densities under different values were measured， respectively. Then we recordel and saved multiple experimental measurement results， combined them in the same “X Y Graph” control. In this way， the influence of the changes in the parameters of the circuit components on the phase noise characteristics of the oscillating circuit can be intuitively and dynamically displayed. This platform can not only be used to verify the theoretical analysis results， but also provide new ideas and new methods for the analysis of oscillator phase noise and the design of low phase noise oscillators.

Key words： loaded quality factor; two-port passive network; LabVIEW; Multisim; phase noise

0 引言

振荡器广泛应用于无线电通信、雷达、航空航天等领域，用于产生特定频率和幅值信号。是现代电子

信息系统必不可少的组成部分[1-2]。随着现代电子系统的迅猛发展，对振荡器的频率稳定度提出了越来越高的要求，相位噪声作为短期频率稳定度在频域的一种表现形式，是振荡器研究的一项重要指标[3]。

相位噪声的表示方法一般包括：频率起伏谱密度、相对频率起伏谱密度和单边带功率谱密度。其中最常用到的就是单边带功率谱密度表示方法[4]。本文通过LabVIEW编程测量Multisim中振荡器仿真输出波形偏移振荡频率0-1 MHz内的功率谱密度，分析振荡器的相位噪声。

1 Leeson的反馈振荡器模型

D. B. Leeson在1966年提出了反馈振荡器模型[5]，如图1所示。

用来预测振荡器的相位噪声。

模型是相位正反馈系统，由放大器和用于滤波作用的諧振回路组成，放大器内部噪声谱密度与振荡器输出端相位噪声谱密度的关系[6]，如式（1）。

基于LabVIEW的振荡电路相位噪声分析平台的开发需求包括：设置振荡电路电容C1值，得到不同振荡频率ω0的输出信号的功率谱密度。记录并保存偏移振荡频率0-1 MHz范围内的功率谱密度，最后将每次的实验结果显示在同一“X Y图”控件中，通过对多次实验结果的对比分析，直观的看到输出信号的振荡频率ω0与相位噪声之间的关系。同时，对比分析负载电阻RL的值，对振荡器相位噪声的影响。平台的开发思路，如图6所示。

振荡器输出信号的功率谱密度是相位噪声分析平台的关键所在。LabVIEW函数选板中的“频谱测量”VI具有测量信号频谱、功率谱和功率谱密度的功能。

但由于Multisim输出波形dt参数≤0，“频谱测量”VI无法直接对其测量。需要计算出Multisim输出波形的dt参数，然后重新创建波形进行功率谱密度测量。程序流程图，如图7所示。

“Collector”函数的作用是采集每一仿真时间步长时刻上的信号，并返回信号值和记录该值的时刻。那么，可以通过测量仿真时间内采集到的信号点个数计算出波形的dt值。

测得输出波形功率谱密度后，为“波形图”显示控件创建“属性节点”：XScale.Offset、XScale.Maximum、XScale.Minimum 和Export Date to Excel。从而设置功率谱密度显示范围为偏移振荡频率0-1 MHz，并导出数据到Excel中保存。通过“读取电子表格文件”VI读取每次实验导出的相位噪声测量文件，并将结果通过“创建数组”的形式合并显示在同一“X Y图”控件中。

将上述QL-C1关系曲线显示模块、功率谱测量模块和测量结果合并显示模块整合后，得到相位噪聲分析平台，如图8所示。

4 结果分析

（1） 振荡频率ω0与相位噪声的关系。给定RL值为20 kΩ，运行程序，分别设置C1的值为100 pF、300pF、

500pF、700pF。点击“导出数据”按键，将图形数据导出到Excel文件并保存。四次实验结束后，点击“相位噪声分析”界面的“显示结果”按键，会得到对比分析结果，如图9所示。

并在图表下方给出了偏离振荡频率10 kHz、100 kHz、500 kHz、1 MHz处的具体功率谱密度值，如表1所示。

结果表明，随着负载RL的增大，振荡器输出信号的功率谱密度曲线“位置”有所降低，但减小的程度不是很大。即当负载足够大时，负载RL的值对振荡器相位噪声的影响不大。

5 总结

本文基于Leeson模型分析了有载品质因数QL对振荡器相位噪声的影响，推导出与电路参数相关的QL的确切表达式，找到影响相位噪声的关键元件。依据理论分析开发了基于虚拟仪器技术的振荡器相位噪声分析平台。经过平台的仿真实验分析，验证了理论分析结果，即振荡频率越低，振荡器输出相位噪声越小，负载RL的值对振荡器相位噪声的影响不大。

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（收稿日期： 2019.08.26）