CN108932373B - 一种基于虚拟仪器技术的振荡器相位噪声分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟仪器技术的振荡器相位噪声分析方法，包括以下步骤：分析反馈振荡器模型，得到振荡器相位噪声与电路有载品质因数QL的关系；依据无源二端口网络的电路有载品质因数QL的表达式，得到西勒振荡电路的电路有载品质因数QL与电路元件参数之间的量化关系；通过电路有载品质因数QL与电路元件参数之间的量化关系，利用LabVIEW与Multisim的联合仿真，对振荡器相位噪声进行分析。本发明能够实现对振荡器相位噪声特性进行分析。

Description

一种基于虚拟仪器技术的振荡器相位噪声分析方法
技术领域
本发明涉及振荡器分析技术领域，特别是涉及一种基于虚拟仪器技术的振荡器相位噪声分析方法。
背景技术
振荡器广泛应用于许多电子系统，如无线电通信、雷达、航空航天等领域。振荡器的性能好坏直接影响着其所在系统的工作性能。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。引入虚拟仪器技术，运用LabVIEW强大的数据处理能力，是的对振荡器相位噪声的研究更加直观准确。
虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档、低价新型仪器，实现仪器和计算机有机地结合，使得虚拟仪器具备强大的图形显示功能和数据处理功能。LabVIEW设计的虚拟仪器功能灵活、易于修改，同时还具有低成本的特点。使用LabVIEW所设计的仪器具有更好的适应性，以及更高的使用价值。目前，国内外很多组织已经开发和建设了较完善的虚拟实验系统。虚拟仪器已经普遍在发达国家进行设计、生产、使用，成为了学术实验研究中十分重要的一部分。国外基于虚拟仪器的网络实验室的研究也已日趋成熟，并且被广泛的应用到实验教学中。在国内，虚拟仪器的发展，从引进学习国外的虚拟仪器产品开始到自身研究开发，虚拟仪器在我国的研究和应用都得到了长足的发展。虚拟实验室的研究和开发也正逐渐得到重视。已有部分高校初步建立了相关专业的虚拟实验室。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于虚拟仪器技术的振荡器相位噪声分析方法，能够实现对振荡器相位噪声特性进行分析。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于虚拟仪器技术的振荡器相位噪声分析方法，包括以下步骤：
(1)分析反馈振荡器模型，得到振荡器相位噪声与电路有载品质因数QL的关系；
(2)依据无源二端口网络的电路有载品质因数QL的表达式，得到西勒振荡电路的电路有载品质因数QL与电路元件参数之间的量化关系；
(3)通过电路有载品质因数QL与电路元件参数之间的量化关系，利用LabVIEW与Multisim的联合仿真，对振荡器相位噪声进行分析。
所述步骤(1)中反馈振荡器模型是一个相位正反馈系统，由放大器和谐振回路组成，其中的谐振回路为一个RLC电路，所述放大器内部噪谱声密度与振荡器输出端相位噪声谱密度的关系为
Figure BDA0001696655200000021
其中，SΔφ(ωm)为振荡器输出端相位噪声谱密度、SΔθ(ωm)为放大器内部噪声谱密度、ω0为振荡频率、ωm为偏移载波频率。
所述步骤(2)中西勒振荡电路为改进型的电容三点式振荡器，其中电路有载品质因数
Figure BDA0001696655200000022
其中，ω为振荡频率，z12(ω)为二端口网络Z参数矩阵中的元素。
所述二端口网络Z参数矩阵的元素
Figure BDA0001696655200000023
代入电路有载品质因数QL的表达式得到西勒振荡电路的QL与电路元件参数之间的确切关系式为
Figure BDA0001696655200000024
其中，C1、C2、L、R分别为无源二端口网络中第一电容的电容值、第二电容的电容值，电感的电感值和输出端负载电阻的阻值。
所述步骤(3)中LabVIEW和Multisim的联合仿真是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“XY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。
所述步骤(3)中首先运用LabVIEW中的“Collector”函数计算仿真输出波形的dt值，然后利用LabVIEW函数选板中的“频谱测量”VI测量信号频谱、功率谱和功率谱密度。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过理论分析得到西勒振荡器有载品质因数QL与电路元件参数之间的确切表达式。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。通过虚拟仪器技术开发的振荡器相位噪声分析平台可以对比分析不同元器件取值下的相位噪声，直观清晰的看出电路参数对振荡器相位噪声的影响，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。
附图说明
图1是D.B.Leeson反馈振荡器模型图；
图2是共基组态电容三点式振荡器等效无源二端口网络的电路图；
图3是有载品质因数与电路参数的关系曲线图；
图4是本发明相位噪声分析流程图；
图5是本发明功率谱测量程序流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种基于虚拟仪器技术的振荡器相位噪声分析方法，包括以下步骤：
第一步：分析D.B.Leeson反馈振荡器模型，得到振荡器相位噪声与电路有载品质因数QL的关系。Leeson模型如图1所示，模型是相位正反馈系统，由放大器和用于滤波作用的谐振回路组成，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为
Figure BDA0001696655200000031
其中，SΔφ(ωm)为振荡器输出端相位噪声谱密度、SΔθ(ωm)为放大器内部噪声谱密度、ω0为振荡频率、ωm为偏移载波频率。可以看到通过提高QL的值可以降低给定偏移频率处的振荡器输出相位噪声。
第二步：依据Takashi Ohira的无源二端口网络的电路有载品质因数QL表达式，推导出西勒振荡电路的电路有载品质因数QL与电路元件参数之间的量化关系。西勒振荡器属于改进型的电容三点式振荡器，电路中的晶体管实质上是电压控制的电流源(VCCS)，TakashiOhira给出的VCCS振荡器的电路有载品质因数QL的表达式为
Figure BDA0001696655200000041
式中，ω为振荡频率，z12(ω)为二端口网络Z参数矩阵中的元素，也称开路阻抗矩阵。根据图2西勒振荡器二端口网络电路图，通过叠加定理求得电路的Z参数矩阵元素
Figure BDA0001696655200000042
其中，C1、C2、L、R分别为无源二端口网络中第一电容的电容值、第二电容的电容值，电感的电感值和输出端负载电阻的阻值。代入振荡器的电路有载品质因数QL的表达式化简得到西勒振荡电路的电路有载品质因数QL与电路元件参数之间的确切关系式为
Figure BDA0001696655200000043
第三步：引入虚拟仪器技术，通过电路有载品质因数QL与电路元件参数之间的量化关系，利用LabVIEW与Multisim的联合仿真，对振荡器相位噪声进行分析。基于LabVIEW的振荡电路相位噪声分析平台的开发需求包括：显示电路有载品质因数QL随电容Cl变化的曲线(见图3)，通过滑动关联至曲线的游标直接设置振荡电路电容Cl值，将振荡电路电容Cl值和负载RL值传递给Multisim仿真电路，LabVIEW采集仿真数据得到不同振荡频率ω0的输出信号的功率谱密度；记录并保存偏移振荡频率0-1MHz范围内的功率谱密度，最后将每次的实验结果显示在同一“XY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。另外，同样可以在给定电容Cl，保证振荡频率ω0不变的情况下，对比分析改变负载电阻RL的值，对振荡器相位噪声的影响。平台的开发思路如图4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5所示。
不难发现，本发明通过理论分析得到西勒振荡器有载品质因数QL与电路元件参数之间的确切表达式。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。通过虚拟仪器技术开发的振荡器相位噪声分析平台可以对比分析不同元器件取值下的相位噪声，直观清晰的看出电路参数对振荡器相位噪声的影响，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。

Claims (2)

1.一种基于虚拟仪器技术的振荡器相位噪声分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，分析反馈振荡器模型，得到振荡器相位噪声与电路有载品质因数的关系；
步骤2，依据无源二端口网络的电路有载品质因数QL0的表达式，得到西勒振荡电路的电路有载品质因数QL与电路元件参数之间的量化关系；其中，西勒振荡电路为电容三点式振荡器，无源二端口网络的电路有载品质因数
Figure FDA0003647655980000011
其中，ω为振荡频率，z12(ω)为无源二端口网络的Z参数矩阵中的元素；所述无源二端口网络的Z参数矩阵的元素
Figure FDA0003647655980000012
代入无源二端口网络的电路有载品质因数QL0的表达式得到西勒振荡电路的电路有载品质因数QL与电路元件参数之间的确切关系式为
Figure FDA0003647655980000013
其中，C1、C2、L、R分别为无源二端口网络中第一电容的电容值、第二电容的电容值，电感的电感值和输出端负载电阻的阻值；
步骤3，通过西勒振荡电路的电路有载品质因数QL与电路元件参数之间的量化关系，利用LabVIEW与Multisim的联合仿真，对西勒振荡电路的相位噪声进行分析；所述利用LabVIEW与Multisim的联合仿真是将影响西勒振荡电路的振荡器相位噪声的关键元器件设置为输入控件，运用LabVIEW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XY图控件中，从而动态地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；
具体为：显示西勒振荡电路的电路有载品质因数QL随西勒振荡电路的电容C0变化的曲线；设置西勒振荡电路的负载RL为合适值，通过滑动关联至曲线的游标设置指定的西勒振荡电路的电路有载品质因数QL值下的西勒振荡电路的电容C0值，或设置西勒振荡电路的电容C0值为合适值，通过滑动关联至曲线的游标改变西勒振荡电路的负载RL值；再将西勒振荡电路的电容C0值和西勒振荡电路的负载RL值传递给Multisim仿真电路，LabVIEW采集仿真数据得到不同振荡频率的输出信号的功率谱密度；记录并保存偏移振荡频率0-1MHz范围内的功率谱密度，最后将每次的实验结果显示在同一XY图控件中，通过对多次实验结果的对比分析，得到输出信号的振荡频率与西勒振荡电路的相位噪声之间的关系。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的振荡器相位噪声分析方法，其特征在于，所述步骤3中首先运用LabVIEW中的Collector函数计算仿真输出波形的dt值，然后利用LabVIEW函数选板中的频谱测量VI测量信号频谱、功率谱和功率谱密度。
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