并联改进型电容三点式振荡器虚拟仿真实验设计

严小黑，黎运宇

（广西民族师范学院，广西崇左，532200）

0 引言

在现代电子技术领域中，振荡器是一种非常重要的电路元件，其作用是产生稳定的交流信号，被广泛应用于无线电通信、音频设备、计算机网络等领域。

为了更好地掌握振荡器电路的原理和实际应用，许多学校都开设了相关的实验课程。但是，传统的实验方式存在一些问题，例如实验设备成本高、实验环境受限、实验数据难以保存等等。针对这些问题，虚拟实验技术应运而生，它将传统实验与现代计算机技术相结合，利用计算机模拟实验环境和仿真工具，进行电路设计、仿真验证和性能测试等一系列实验操作。虚拟实验具有成本低、安全可靠、灵活方便等特点，已经成为现代电子实验教学和研究的重要手段[1～4]。

Multisim 是一款常用的电路设计与仿真软件，具有丰富的元器件库和仿真分析功能；而LabVIEW 则是一个强大的虚拟仪器开发平台，可以实现虚拟仪器的设计、控制和数据采集等操作。本文以一个典型的振荡器电路为例详细介绍了基于这两款软件进行振荡器虚拟实验的设计流程，并进行了案例分析。

1 并联改进型电容三点式振荡器的工作原理及性能指标

■1.1 工作原理

反馈型振荡器是由放大器和选频反馈网络两部分组成的，如图1 所示。其中放大器的电压放大倍数记为K，反馈网络的反馈系数记为F，放大器的输入信号记为ui，放大器的输出信号记为uo，反馈网络反馈到输入端的信号记为uf。

图1 反馈型振荡器的组成框图

振荡器要想正常工作必须满足三个条件。首先是起振条件，起振时要满足uf>ui，因此，振荡器的起振条件可表示为：

此条件的物理意义是振幅起振条件要求反馈电压幅度要一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。

其次是平衡条件，平衡时要满足uf=ui，因此，振荡器的平衡条件为：

在平衡条件下，反馈到放大器的输入信号电压正好等于放大器维持振荡所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平衡。

最后是稳定条件，稳定条件具体又包括振幅稳定条件和相位稳定条件。振幅稳定条件要求在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率。相位稳定条件则要求相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的，用公式可表示为：

图2 为并联改进型电容三点式振荡器的原理电路及其交流等效通路。相比普通的电容三点式振荡器而言，其增加了电容C3和可调电容C，目的是提高振荡器的频率稳定度及频率可调性。对于电容三点式振荡器而言，要想满足反馈型振荡器所要求的相位平衡条件，则必须满足“射同基反”的要求，即与三极管发射极相连的两个电抗元件必须性质相同，而与三极管基极相连的两个电抗元件必须性质相反。因此，对于并联改进型电容三点式振荡器而言，三极管基极与集电极之间必须等效为电感，振荡器才能正常工作。

图2 并联改进型电容三点式振荡器的电路

在满足上述条件的前提下，振荡器的工作过程是：在电源开关闭合的瞬间，存在各种电的扰动。突变的电流扰动包含着许多谐波成分，它们通过LC 谐振回路时，由LC 谐振回路选出与其谐振频率相同的信号，并通过反馈网络反馈到放大器的输入端，这就是激励信号。起始振荡信号十分微弱，但是由于不断对它进行放大—选频—反馈—再放大等多次循环，于是一个与LC 谐振回路固有谐振频率相同的自激振荡便由小到大地建立起来。由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定的幅度，因此振荡的幅度不会无限增大。

■1.2 性能指标

振荡器的性能指标主要包含振荡频率、频率可调性和频率稳定度三个方面。其振荡频率主要由LC 谐振回路的谐振频率决定，由以下公式进行计算：

式中，Ci为三极管的输入结电容，Co为三极管的输出结电容，在振荡器中要尽量降低它们对振荡频率的影响。

振荡器的频率稳定度是指在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内振荡频率的相对变化量，可表示为：

造成频率不稳定的因素主要有晶体管参数的不稳定，比如当外界环境变化造成结电容的变化，从而导致振荡频率的变化。

振荡器的频率可调性是指通过调整可调电容，能够实现的振荡器的频率变化范围。由式(4) 可知，当C1>>C3,C2>>C3时，C∑≈C+C3。因此，并联改进型电容三点式振荡器可有效提高振荡器的频率稳定度和可调性。

2 Multisim 实验电路设计

采用Multisim 设计并联改进型电容三点式振荡器实验电路，如图3 所示。

图3 Multisim 并联改进型电容三点式振荡器实验电路

U1 为压控电阻，用于控制Rb1的阻值，实现对晶体管静态工作点的控制。U2 为压控电容，用于控制C 的电容值。V1 为压控电源，用于控制直流电源开关的通断。晶体管型号为2N5551。电路共设置4 个LabVIEW 协同仿真端口，用于和LabVIEW 程序的联动，端口作用及对应关系详见表1。

表1 LabVIEW协同仿真端口作用及对应关系

表2 不同Rb1值下振荡器的输出信号幅度

表3 不同C值下振荡器的振荡频率

3 LabVIEW 前面板及程序设计

LabVIEW 前面板如图4 所示，其包含3 个区域，分别为电路原理图，信号波形图和电路参数设置、显示区。电路可调整的参数为静态工作点调节（Rb1）、频率微调（C），可显示的参数为振荡器输出信号的振荡频率。电源开关用于控制振荡电路直流电源的通断。振荡器输出信号的振荡幅度可通过波形图读取。

图4 LabVIEW 前面板

LabVIEW 程序如图5 所示，主程序为控件与仿真循环，在其中调用并联改进型电容三点式振荡器Multisim Design VI。将调节控件与Multisim 相应的输入端口连接，信号波形图表与相应的输出信号端口连接。在程序中插入了一个“信号的时间与瞬态特性测量”VI 用于测量振荡器输出信号的频率。“停止”布尔控件用于控制主程序停止。

图5 LabVIEW 程序

4 虚拟仿真实验过程

■4.1 振荡器起振过程的观察

设置静态工作点调整电阻（Rb1）的初始阻值为10 kΩ，频率微调电容（C）为0pF，运行程序，此时会发现振荡器并未起振。缓慢增加Rb1的阻值直至15 kΩ，此时会观察到振荡的起振过程，如图6 所示，振荡器的输出信号从小到大，慢慢变大，最后趋于稳定。

图6 振荡器的起振过程

■4.2 静态工作点变化对振荡幅度的影响

当振荡器起振后，继续增加Rb1的阻值，则会继续改变晶体管的静态工作点，进而影响振荡器的输出信号幅度。将相关数据记录于表格2 中，根据实验数据可以绘制静态工作点变化对振荡幅度的影响曲线，如图7 所示。可以看出，随着Rb1的增加振荡幅度先增加到最大，后又减小直到停振，这是由于Rb1的增加会导致晶体管的静态工作点由高到低变化所致。此结果与理论分析一致，较好地验证了理论的正确性。

图7 Rb1 变化对振荡幅度的影响曲线

■4.3 可调电容变化对振荡频率的影响

将Rb1设置为20 kΩ，通过改变C 的电容值，观察其对振荡频率的影响，并将相关数据记录于表格3 中，根据实验数据可以绘制可调电容变化对振荡频率的影响曲线，如图8 所示。可以看出，随着C 从0 增大到20 pF 的过程中，振荡器的振荡频率近乎线性下降。当C=25pF 时，振荡器无法起振，这是由于此时振荡器无法满足“射同基反”的起振条件。以上结果均与理论结果相一致。

图8 C 变化对振荡频率的影响曲线

5 虚拟仿真实验的在线发布

LabVIEW Web 发布工具是一项功能强大的工具，它允许用户通过网络分享程序前面板图像或HTML 页面，以便进行远程浏览和操作（见图9）。使用该工具，局域网用户只需在浏览器地址栏中输入图9 中显示的URL 即可轻松访问。而对于Internet 用户，则需要输入以下格式的地址：http://IP 地址:端口/文件名.html。将URL 中的主机名替换为服务器的IP 地址，即可访问所需内容。这使得远程访问和操作变得更加便捷和灵活。

图9 虚拟仿真实验的Web 发布

6 结论

本文利用Multisim 和LabVIEW 两款软件的联合仿真设计了并联改进型三点式LC 振荡器虚拟仿真实验。利用Multisim 软件完成振荡器的电路设计。利用LabVIEW 软件实现对Multisim 电路的调用，并完成交互设计。本虚拟仿真实验能观察振荡器的起振过程，能测量静态工作点变化对振荡幅度的影响，并能测量可调电容变化对振荡频率的影响，完成实验所要求的基本任务。此实验系统可以进行Web 发布，让学生能进行远程实验，是传统基于硬件平台实验的有效补充，具备一定的推广应用价值。