基于Multisim的西勒振荡器设计与仿真

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。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，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。

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。西勒振荡器原理图如图1所示。

1.1 静态工作点设计

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。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。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。

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3.99mA、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。

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=2.90X10-6 s，T2=9.086 48 m-9.084 50 m=1.98x10-6 s，T=(T1+T2)/2=2.44×10-6 s，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。

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