文氏橋振蕩電路仿真分析

張學文，司佑全

（湖北師范大學物理與電子科學學院，湖北黃石 435002）

文氏橋振蕩電路仿真分析

張學文，司佑全

（湖北師范大學物理與電子科學學院，湖北黃石 435002）

文氏橋振蕩電路是電子技術實驗中的一個重要實驗，在實驗中遇到的問題是起振過程不易觀察，輸出信號幅度大小不易控制。利用Multisim軟件通過仿真分析解決這兩個問題，給出了文氏橋振蕩電路輸出幅值的計算式，所得計算結果與仿真值一致，還發現文氏橋振蕩電路二極管正向導通電壓VD隨負反饋電阻的增加而略有增加。

RC文式電橋；起振條件；瞬態分析；幅值分析

正弦波振蕩器是在電子信息系統中應用非常廣泛的電子電路。在教學中我們希望能對振蕩器的起振特性、振蕩頻率的穩定性和振幅穩定過程進行觀測研究，探討影響起振條件和振幅大小的因素。［1］

在實驗中遇到的問題是起振過程不易觀察，輸出信號幅度大小不易控制。本文利用Multisim軟件通過仿真分析解決這兩個問題。

1 起振過程的觀察

正弦波振蕩器的的起振條件為˙A˙F＞1［2］。圖1為滿足起振條件文氏橋振蕩電路［3］。在實驗過程中很難觀察到文氏橋振蕩電路的起振過程。

1．1 文氏橋振蕩電路起振過程的觀察

Multisim具有界面形象直觀、操作方便，既可以進行電路設計，也可以對電路進行各種功能的模擬仿真和電路分析的優點。

利用Multisim軟件瞬態分析功能，打開圖1所示文氏橋振蕩電路，單擊瞬態分析按鈕，在彈出的參數選項設置對話框Analysis Paramenters選項卡Initial Conditions區中，設置仿真開始的初始條件為Set to zero（初始狀態為零），在Paramenters區中，設置仿真起始時間和終止時間分別為0和0．005s，選擇節點8輸出，啟動仿真按鈕可以很清晰地觀察到振蕩電路輸出電壓振幅從小到大，振幅不斷增加直到失真的過程［4］。如圖2所示。

由圖2得到的輸出信號是一個上下失真的波形，振蕩信號起振后運算放大器很快進入飽和狀態，輸出信號很快就失真了。因此需要在電路中增加穩幅環節。

1．2有穩幅環節的文氏橋振蕩電路起振過程的觀察

在圖1（a）所示電路負反饋環路中增加兩個正反向二極管與R5的并聯電路，如圖3所示。當電路未起振或者振幅很小時，二極管D1、D2上的正向壓降很小，二極管動態等效電阻很高，容易使放大器增益滿足起振條件。電路起振后振幅較大時，二極管上的正向壓降和電流顯著增加，二極管動態等效電阻隨之降低，放大器增益A下降至3附近，輸出信號振幅趨于穩定［5］。

圖1 文氏橋振蕩電路

圖2 文氏橋振蕩電路瞬態分析

由電路理論可知，穩定振蕩時運算放大器同相端輸入信號的幅值是輸出信號幅值的，即正常工作時，放大器的閉環電壓增益約等于3，環路增益AF≈1．（圖3（b）輸入、輸出電壓波形幅值分別為1．432V，4．269V）

圖3 穩幅文氏橋振蕩電路

圖4 穩幅文氏橋振蕩電路瞬態分析

圖3（a）中，設置仿真起始時間和終止時間分別為0和0．005s，選擇節點6輸出，啟動仿真按鈕得到圖4所示瞬態分析圖，從圖4可以很清晰地觀察到振蕩電路輸出電壓振幅從小到大，振幅不斷增加直到穩定的過程。

2 輸出信號幅度大小的調節

圖3（a）中設電阻R5與二極管正向動態等效電阻并聯值為R′5，二極管正向壓降為VD，當電路振幅趨于穩定時A＝3［6］

由基爾霍夫電流定律有

由（1）、（2）式解得

R2為22kΩ的電位器，調節R2使電路起振得到振幅穩定不失真的波形（R2從35%～41%變化）由（1）式知要使電路振蕩R2＋R′5≥2R1，R1＝5kΩ，R5＝2．2kΩ，故R2≥7．8kΩ，由（3）式，R2＜10kΩ，所以7．8kΩ≤R2＜10Ω，R2＝7．8kΩ為臨界起振點，受電源電壓的限制輸出電壓最大幅值為11．428V，R2＝9．02kΩ為最大不失真點。

圖3中二極管為硅二極管，正向導通電壓VD＝0．5～0．7V，取VD＝0．6V，得到輸出電壓幅值，將輸出電壓幅值的測量值除以輸出電壓幅值的計算值再乘上0．6，就得到隨著R2變化所對應的二極管實際正向導通電壓VD．

表1輸出信號幅度變化情況

可見VD是變化的，隨著R2增大而增加。R2從起振到不失真輸出調節范圍非常小，輸出幅度不易控制。為了能方便輸出幅度的調節控制，需要對電路進行改進。

3 改進的文氏橋振蕩電路輸出信號幅度大小的調節

圖5 改進的文氏橋振蕩電路

將電位器R2與兩個正反向二極管串聯之后再與R5并聯，電壓增益A略大于3，取A＝3．2，1＋＝2．2，R1＝5kΩ，故R5＝11kΩ，調節電位器R2即可以在很大的范圍內調節輸出信號幅度。在假定二極管電壓V不變且已知的條件下，穩態u＝u＝u，根據穩態下輸出電壓最大幅D＋－o值時刻的KCL方程［7］

由（5）式可知，0≤R2＜110kΩ．

圖5中二極管為硅二極管，正向導通電壓VD＝0．5～0．7V，，取VD＝0．6V，得到輸出電壓幅值計算值。將輸出電壓幅值的測量值除以輸出電壓幅值的計算值再乘上0．6，就得到隨著R2變化所對應的實際正向導通電壓VD．

表2 改進電路輸出信號幅度變化情況

可見VD是變化的，隨著R2增大而增加。R2從0到100kΩ電路從起振到不失真輸出調節，連續可調，調節范圍非常大，輸出幅度容易控制。想要振蕩電路輸出為某一幅值，考慮VD的變化，由（5）式算出對應的R2即可，非常方便。

4 總結

通過Multisim對文氏橋振蕩電路瞬態分析可以很明顯地觀察到振蕩電路的起振和振蕩過程，而且可知穩幅電路是必不可少的，沒有穩幅電路，振蕩電路會很快飽和，無法得到穩定的不失真的振蕩信號。

通過理論分析、Multisim仿真實驗測試，得到電路輸出電壓幅值與電路起振時電壓放大倍數的大小有關，在電路的線性工作范圍內，起振時電壓放大倍數比3大得越多，最后穩定輸出電壓的幅值也越大［8－9］。通過在穩幅文氏橋振蕩電路（圖3）的負反饋回路并聯一個定值電阻R5（圖5），調節R2即可得到從起振到不失真連續可調的輸出信號。解決了輸出信號幅度大小不易控制的問題。

參考文獻：

［1］高燕梅，王 麗．基于PSPICE的振蕩器起振特性的仿真研究［J］．實驗技術與管理，2007，24（2）：91～93．

［2］王成華．現代電子技術基礎（模擬部分）［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2005．

［3］電工電子實驗教程編寫組．電工電子實驗教程［M］．長春：東北師范大學出版社，2011．

［4］王連英．基于Multisim10的電子仿真實驗與設計［M］．北京：北京郵電大學出版社，2009．

［5］黃培根．Multisim7＆電子技術實驗［M］．杭州：浙江大學出版社，2005．

［6］孔慶生．模擬與數字電路基礎實驗［M］．上海：復旦大學出版社，2005．

［7］Guillermo＿Gonzalez．Foundations of Oscillator circuit design［M］．Gale：Book News Inc，2007．

［8］任駿原．RC橋式正弦波振蕩電路的輸出幅值分析［J］．電子設計工程，2013，21（14）：107～108，110．

［9］王 儉，潘欣裕，畢自強．RC橋式正弦振蕩電路輸出信號幅值特性研究［J］．電子設計工程，2015，23（15）：151～154．

The simulation analysis of RC－bridge oscillator

ZHANG Xue－ wen，SI You－quan

（College of Physics and Electronic Science，Hubei Normal University，Huangshi 435002，China）

Wien Bridge oscillator is an important experiment of electronic technology experiment．The problems encountered in the experimental that the start－up process is difficultly observed and the size of the output signal amplitude is difficultly controlled．In this paper，the above problems are successfully solved by use of Multisim simulation software solutions，and Wien Bridge oscillator output amplitude calculation formula is given．The experimental show that the calculated value is consistent with the simulation results．In addition，it was found that Wien bridge oscillation circuit diode forward voltage VD slightly increases with negative feedback resistance．

RC－Wien－bridge；oscillation condition；transient analysis；amplitude analysis

TP319．9；TN702

A

：1009－2714（2016）04－0064－05

10．3969／j．issn．1009－2714．2016．04．014

2016—02—15

湖北師范學院校級教研項目（JH201129，ZD201121）．

張學文（1965— ），女，湖北黃岡人，高級實驗師．