張志強(qiáng)， 葉建芳

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 上海 201620)

0 引 言

LC振蕩器是用于產(chǎn)生一定頻率和幅值信號(hào)的裝置，在廣播、通信、測(cè)量等科技領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛,是現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)必不可少的組成部分[1-2]。晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置對(duì)振蕩器工作的穩(wěn)定性、波形的好壞有著非常重要的影響，利用LabVIEW和Multisim的交互調(diào)用和聯(lián)合仿真，以Multisim仿真為基礎(chǔ)，結(jié)合LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和分析功能，使得電路研究結(jié)果更加直觀便捷。

1 Multisim電路仿真模型的設(shè)計(jì)

選取改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器西勒振蕩器為研究對(duì)象，西勒振蕩器克服了克拉潑振蕩器的振蕩幅度不穩(wěn)定、考畢茲振蕩器調(diào)節(jié)頻率改變反饋系數(shù)和晶體管的結(jié)電容隨工作狀態(tài)變化使振蕩頻率不穩(wěn)定的缺點(diǎn)[3]，其Multisim電路仿真模型如圖1所示。

圖1 西勒振蕩器仿真電路模型

圖1所示電路包括四部分：共基放大電路、LC選頻回路、正反饋網(wǎng)絡(luò)以及射極跟隨器，其中基極偏置電阻Rb1、Rb2，射極偏置電阻Re和電阻Rc共同決定晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)。因此，它們的參數(shù)取值必須嚴(yán)格依照理論計(jì)算結(jié)果設(shè)置。

(1)

(2)

取RC=2 kΩ電阻，為晶體管集電極構(gòu)成直流通路，取RE=1 kΩ，減小極間電容變化對(duì)電路的影響，穩(wěn)定放大器的增益。一般取流過(guò)Rb2的電流為(5～10)IBQ[4]。

(3)

IEQ=(1+β)IBQ=0.847 mA

(4)

UEQ=IEQRE=0.847 V

(5)

UBQ=UEQ+0.7=1.547 V

(6)

(7)

(8)

考慮到仿真電路元件參數(shù)的取值，在設(shè)計(jì)電路中選取Rb1=65 kΩ，Rb2=10 kΩ，從而設(shè)置最佳的靜態(tài)工作點(diǎn)，通過(guò)改變Rb1的阻值來(lái)改變靜態(tài)工作點(diǎn)的位置。

2 靜態(tài)工作點(diǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示

為了將靜態(tài)工作點(diǎn)沿直流特性曲線在晶體管飽和區(qū)、放大區(qū)和截止區(qū)上下移動(dòng)的現(xiàn)象化抽象為具體，首先通過(guò)LabVIEW和Multisim的交互調(diào)用，以“.LVM”格式文件為橋梁繪制出晶體管的輸出特性曲線和偏置電路的直流特性曲線[5-6]，然后通過(guò)LabVIEW和Multisim之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)隨著偏置電阻Rb1變化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地上下移動(dòng)。具體步驟流程如圖2所示。

圖2 靜態(tài)工作點(diǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示實(shí)現(xiàn)步驟

2.1 LabVIEW和Multisim的交互調(diào)用

LabVIEW和Multisim交互調(diào)用的步驟如下：① 基于LabVIEW生成兩路周期相同的掃描信號(hào)：階梯波和正弦半波。② 在Multisim中搭建晶體管測(cè)量電路，將掃描信號(hào)鏈接入U(xiǎn)1、U2，用階梯波U1掃描基極回路,用正弦波U2掃描Uce所在的回路。③ 運(yùn)用Multisim的瞬態(tài)分析功能得到所需的兩路信號(hào)Uce、Ic，點(diǎn)擊圖示儀視圖右上角的“保存到測(cè)量文件”存為“.LVM”格式文件。④ 利用LabVIEW“讀取測(cè)量文件”控件讀取上述生成的“.LVM”格式文件,通過(guò)采集處理程序即可繪出三極管2N5551的輸出特性曲線。⑤ 通過(guò)理論計(jì)算出偏置電路直流特性曲線方程為IC=-Uce/3+3.87，利用LabVIEW編程生成直線方程整合到晶體管輸出特性曲線中。創(chuàng)建游標(biāo)作為靜態(tài)工作點(diǎn)Q，并關(guān)聯(lián)至直流特性曲線上，保證Q只在直流特性曲線上移動(dòng)。

2.2 LabVIEW和Multisim的聯(lián)合仿真

利用LabVIEW和Multisim的聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)兩者間的數(shù)據(jù)傳遞，步驟如下：⑥ 將偏置電阻Rb1替換為壓控電阻，根據(jù)需要為偏置電路添加聯(lián)合仿真節(jié)點(diǎn)，生成MultisimDesignVI。⑦ 將生成的MultisimDesignVI放置在“控件與仿真循環(huán)”內(nèi)，添加相應(yīng)的輸入輸出控件，在LabVIEW前面板設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)用戶界面。通過(guò)LabVIEW輸入控件設(shè)置Multisim電路Rb1的阻值，再將仿真得到的Uce和Ic的值反饋給步驟⑤創(chuàng)建的游標(biāo)Q，從而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示出靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象。

3 振蕩波形的測(cè)量和分析

通過(guò)LabVIEW編程測(cè)量振蕩波形的關(guān)鍵參數(shù)，并記錄每次的測(cè)量數(shù)據(jù)，描繪出其與靜態(tài)工作點(diǎn)的關(guān)系曲線，直觀地展示靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)LC振蕩器起振特性的影響，包括振蕩波形是否發(fā)生失真，起振時(shí)間、起振幅度和起振頻率隨靜態(tài)工作點(diǎn)如何變化等。

3.1 波形參數(shù)的測(cè)量

將圖1中的可變?cè)骷鎿Q為對(duì)應(yīng)的壓控元器件，添加所需的HB/SC連接器。仿真輸出振蕩波形是一個(gè)高速數(shù)據(jù)流，采用LabVIEW的TDMS功能對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存和讀取，并通過(guò)“波形圖”控件進(jìn)行顯示，觀察振蕩波形是否失真。在波形圖中創(chuàng)建游標(biāo)，便可通過(guò)滑動(dòng)游標(biāo)測(cè)量振蕩波形的起振時(shí)間和起振幅度。振蕩頻率的測(cè)量程序流程圖如圖3所示。

整個(gè)程序主要完成兩大功能：測(cè)量仿真時(shí)間和仿真時(shí)間內(nèi)波形的周期個(gè)數(shù)。仿真時(shí)間的測(cè)量采用“Simulation Time”控件，需要注意的是設(shè)置仿真時(shí)間≥30 μs才寫入波形數(shù)據(jù)，是為了減小振蕩器在起振過(guò)程中波形和頻率的不穩(wěn)定所造成的測(cè)量誤差。

周期個(gè)數(shù)測(cè)量的主要思想是：LabVIEW采集到的Multisim仿真數(shù)據(jù)具有一定的采樣間隔，在振蕩波形過(guò)零點(diǎn)處總有一對(duì)正負(fù)交替的數(shù)值。將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至數(shù)組，刪除首元素后與原數(shù)組數(shù)據(jù)整體錯(cuò)開(kāi)一位，兩者相乘后的新數(shù)組在過(guò)零點(diǎn)處有且僅有一個(gè)負(fù)數(shù)元素。將運(yùn)算結(jié)果重新升序排序后，通過(guò)While循壞判斷數(shù)組元素中負(fù)數(shù)的個(gè)數(shù)來(lái)確定所測(cè)波形零點(diǎn)的個(gè)數(shù)，進(jìn)而得出周期個(gè)數(shù)。經(jīng)程序運(yùn)算后得到振蕩頻率。

3.2 測(cè)量結(jié)果的記錄和顯示

記錄數(shù)據(jù)程序的設(shè)計(jì)采用了3種程序結(jié)構(gòu)：while 循環(huán)、事件結(jié)構(gòu)以及層疊式順序結(jié)構(gòu)。層疊式順序結(jié)構(gòu)包括3幀內(nèi)容，按照?qǐng)D4的順序執(zhí)行相應(yīng)的功能。

第1幀，創(chuàng)建并打開(kāi)“.txt” 文件，并將 TDMS 文件

圖3 振蕩頻率測(cè)量程序流程

圖4 數(shù)據(jù)記錄和顯示功能順序

中讀取的測(cè)量數(shù)據(jù)以字符串的形式存儲(chǔ)在文本文件中；第2幀，讀取文件中的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為(x，y)數(shù)組，并將該點(diǎn)顯示在“XY圖表”中；第3幀，將寫入測(cè)量值的字符串輸入控件清空，便于下一點(diǎn)的讀取和寫入。事件結(jié)構(gòu)保證前面板“記錄數(shù)據(jù)”按鍵按下時(shí)，執(zhí)行上述3幀程序。While循環(huán)保證了相應(yīng)事件可以重復(fù)執(zhí)行，直到按下停止鍵為止。

將上述靜態(tài)工作點(diǎn)顯示模塊、波形測(cè)量和數(shù)據(jù)記錄分析模塊整合后，得到圖5所示的分析平臺(tái)。

圖5 LC振蕩器自動(dòng)仿真分析平臺(tái)

4 結(jié)果分析

(1) 靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)波形好壞的影響。給定合適的電容C4和負(fù)載RL值，并保持不變。設(shè)置偏置電阻Rb1=30 kΩ，運(yùn)行程序結(jié)果如圖6(a)所示，靜態(tài)工作點(diǎn)Q為(4.752 V，2.304 mA)，處在直流特性曲線中心以上，偏向飽和區(qū)。此時(shí)的振蕩波形出現(xiàn)飽和失真。調(diào)節(jié)電阻Rb1旋鈕控件設(shè)置Rb1=65 kΩ，仿真結(jié)果如圖6(b)所示，靜態(tài)工作點(diǎn)Q為(9.314 V，0.781 mA )，靠近截止區(qū)，波形飽和失真消失。分析表明，LC振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在遠(yuǎn)離飽和區(qū)靠近截止區(qū)的適當(dāng)位置，以避免波形發(fā)生飽和失真。

(a) Rb1=30 kΩ

(b) Rb1=65 kΩ

(2) 靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)起振時(shí)間的影響。保證電容C4和負(fù)載RL不變，逐漸增加偏置電阻Rb1，使靜態(tài)工作點(diǎn)由飽和區(qū)逐漸向截止區(qū)過(guò)渡。以Uce的值代表靜態(tài)工作點(diǎn)的位置，滑動(dòng)游標(biāo)測(cè)量起振時(shí)間，記錄每次的測(cè)量結(jié)果，最終結(jié)果如圖7所示?？梢钥吹届o態(tài)工作點(diǎn)在向截止區(qū)靠近的過(guò)程中，起振時(shí)間總體是先減小后急速增大，即起振速度不斷增大到一定程度又迅速減慢。拐點(diǎn)的位置為(9.144 V，27 μs)靠近截止區(qū)，此時(shí)起振速度最快。再次說(shuō)明靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在靠近截止區(qū)的合適位置。繼續(xù)向截止區(qū)靠近，振蕩器起振速度驟減，起振變得困難直至無(wú)法起振。

圖7 靜態(tài)工作點(diǎn)與起振時(shí)間的關(guān)系曲線

(3) 靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)起振幅度的影響。同樣的方法記錄每次增加偏置電阻Rb1對(duì)應(yīng)的Uce和振蕩幅度的值，最終結(jié)果如圖8所示。很明顯的看到起振幅度隨著靜態(tài)工作點(diǎn)向截止區(qū)靠近而不斷減小，這是因?yàn)榉糯笃鳝h(huán)路增益在不斷減小。

圖8 靜態(tài)工作點(diǎn)與起振幅度的關(guān)系曲線

(4) 靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)起振頻率的影響。選取電容C4=20 pF，RL=25 pF。記錄每次測(cè)量的Uce和振蕩頻率值，最終結(jié)果如圖9所示。振蕩頻率近似為:

圖9 靜態(tài)工作點(diǎn)與起振頻率的關(guān)系曲線

可以看到，振蕩頻率幾乎不受靜態(tài)工作點(diǎn)改變的影響，一直維持在2.97 MHz附近，近似于理論值3 MHz。這是因?yàn)檩敵鲂盘?hào)的頻率是由LC選頻回路決定的，幾乎不受靜態(tài)工作點(diǎn)的影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)的LC振蕩器仿真分析平臺(tái)，不僅可以直觀、便捷地分析靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇對(duì)振蕩器起振特性的影響。同時(shí)，虛擬儀器技術(shù)的運(yùn)用將抽象復(fù)雜的理論推導(dǎo)用生動(dòng)、直觀的動(dòng)態(tài)圖展示出來(lái)，完美的解決了電路教學(xué)中“如果….會(huì)怎么樣”的問(wèn)題，為通信電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)和電路研究提供了新思路和新方法。