文氏桥振荡电路(精品)

1、维恩桥振荡电路一.问题的背景RC振荡电路可以由RC串并联选频网络和放大器组合而成，放大装置可以采用集成运算放大器。RC串并联频率选择网络连接在运算放大器的输出端和非反相输入端之间形成正反馈，电阻器连接在运算放大器的输出端和反相输入端之间形成负反馈。正反馈电路和负反馈电路构成了一个维恩桥。维恩电桥振荡器的优点是不仅振荡稳定，波形好，而且振荡频率可以在很宽的范围内方便地连续调节。二.问题简介由文桥选频电路和同相比例调节器组成的正弦波发生器如图1所示。(1)如果R1=15k，试着分析振荡电路的启动条件(Rf值)；(2)模拟观察运算放大器同相输入输出端的电压波形，当Rf取不同值时；图1是由文桥选频电路

2、和放大器组成的正弦波发生器的电路原理图(3)如果在反馈回路中增加一个由二极管组成的非线性环节(如图2所示)，当R2取不同值时，运算放大器同相输入和输出端的电压波形将被模拟和观察。Rf和R2值也可以同时改变。图2非线性环节正弦波发生器电路原理图第三，理论分析(1)从图1中的电路可以看出，该电路在环路网络中增加了维恩频率选择网络。下面是对维恩频率选择网络的理论分析，维恩电路是从图3所示的电路中提取出来的。图3文频率选择网络该图显示了运算放大器的输出，即反馈量。为了使电路振荡，必须通过选择参数来确定频率，以便在某一频率上同相。然后，当信号频率非常低时，就有因此，当频率接近0时，相位超前将接近90度。

3、相反，当信号频率高到趋于无穷大时，可以得出相位滞后几乎为-90度的结论。因此，当信号频率从0变化到无穷大时，必须有一定的频率，这使得输出和反馈同相，从而形成正反馈。以下是这种振荡频率的具体解决方案。通过反馈系数可进行修整如果电路的信号频率是f，让特征频率代入f的表达式，你可以得到。为了使反馈量足够大，要求f的模数尽可能大。从上述关系中不难得出当，f的模数最大。同时，为了开始振动，需要满足电路的电压放大系数和反馈系数之间的关系这需要完成安排。也就是说，Rf的最小值为30 k，实际上，它应该略大于该值。稍后，我们将通过仿真验证这一结论。(2)当电路产生正弦振荡时，根据图4进行研究。图4是由文桥选频

4、电路和放大器组成的正弦波发生器的电路原理图假设运算放大器的输出电压为最大值U0，同相输入端的最大电压为最大值UP，因此前面的分析如下然后，如果波形没有失真或没有严重失真，同相输入端的端电压应该与输出电压同相，同相输入端的端电压幅度应该是输出电压的三分之一。但是，如果Rf的电阻远大于30 k，振荡幅度的增大会使放大电路工作在非线性区域，输出波形会产生严重的失真。此时，上述获得的输出电压和反馈电压之间的关系将不再成立。同时，由于反馈网络中没有限制环节，如果运算放大器是理想的，输出电压的幅度将是无限的。然而，因为运算放大器实际上具有最大输出电压，所以输出电压的幅度实际上是电路如图2所示。对于正反馈网

5、络中的文丘里频率选择网络，选择的频率仍然不变，在该频率下，同相输入和输出仍然满足三分之一的比例关系，即二极管的非线性用于自动调节负反馈的强度，以控制恒定的输出电压。在振荡过程中，两个二极管交替导通和关断，一个正向导通的二极管与R2并联。由于二极管的正向电阻随着两端电压的增加而减小，电路的负反馈随着幅度的增加而增加，也就是说，运算放大器的闭环放大系数随着幅度的增加而减小，直到达到幅度平衡条件。这样很容易稳定输出电压，所以我们可以看到稳定的振荡，其幅度小于没有二极管的振荡。此外，由于其动态电阻的影响，Rf的最小值可以小于没有非线性环节的情况。此时，如果R2增加，二极管稳定输出的功能仍然存在。然而，

6、随着电路的闭环放大系数的增加以及对其频率不由频率选择网络决定的其他噪声信号的抑制的增加，电路输出的电压幅度将稳定地增加。4.电路仿真及仿真结果分析(1)根据图1构造的文丘里振荡电路在图5中示出。图5维恩电桥振荡电路通过仿真可以发现，当Rf的电阻值小于或等于30 k时，电路不能正常启动，如果Rf大于30 k但太接近30 k，电路就不能启动。在仿真中，发现射频=30.03 k接近其值的可能下限。图6是当射频=30.03 k时电路稳定振荡的输出波形。图7是射频=30.03 k时同相输入和输出的波形。黄线表示运算放大器的输出信号，红线表示同相输入端的波形(下同)。图6射频=30.03 k时的稳定振荡波

7、形图7射频=30.03 k时同相输入和输出波形从光标的读数可以看出，满足之间的关系。输出信号的周期和频率分别为以及由频率选择网络确定的频率因此，频率的计算值和模拟值之间的误差为。误差很小，可以认为它们是相等的。这表明Rf的电阻值和输出电压与反馈电压之间的幅值关系是合理和正确的。(2)射频对输出波形的影响非常显著。通过前面的理论分析，我们知道当射频和30 k的差值较大时，输出波形会严重失真。通过仿真发现，当射频=30.2 k时，输出略有失真，当射频=31 k时，输出失真会更严重。此后，随着其电阻值的增加，输出波形特性的畸变越来越明显，畸变程度越来越严重。下面是模拟的截图。图8射频=30.06 k

8、时同相输入输出波形图9射频=30.2 k时同相输入和输出波形从上述波形可以看出，当当，结果表明，此时的输出波形符合理论推导的结果，其失真仍然可以忽略。什么时候时，可以从示波器光标的读数中得知该值与理论值有一定的差距，可以认为是波形失真的临界状态。以下是当Rf电阻继续增加时，输出电压和非反相输入端电压的一些波形。图10射频=31k时同相输入输出波形图11射频=35时同相输入输出波形图12射频=50k时同相输入输出波形图13射频=100k时同相输入输出波形图14射频=200 k时同相输入和输出波形从仿真波形可以看出，如果Rf电阻继续增大，输出电压波形和同相输入波形将会产生严重的失真，Rf电阻越大，

9、失真越明显。这与我们的理论推导是一致的，表明理论推导是合理的。(3)如图所示构建电路图16射频=28k，R2=15k时同相输入输出波形图17射频=25、RF=25k时同相输入输出波形从以上两个图可以看出，当R2=15K时，Rf的电阻可以达到28K甚至25K，输出电压的幅值小于没有非线性环节时的幅值。这与以前的理论结果相同。当R2电阻值变化时，通过仿真得到以下波形图18射频=28k，R2=3k时同相输入输出波形图19射频=28k，R2=10k时同相输入输出波形图20射频=28k，R2=30k时同相输入输出波形从仿真波形可以看出，当其它电阻的阻值固定时，增加R2电阻可以增加输出电压的幅度，但当阻值

10、超过50K时，输出电压的增加将非常小，因为R2实际上是通过并联二极管的动态电阻来作用于电路的。当其电阻较大时，它们的并联电阻将主要由二极管的动态电阻决定，这时R2效应较弱。然而，当R2电阻值对电路输出的影响变小时，输出电压仍可通过调整Rf进行大幅调整，甚至失真。以下是调整Rf时获得的波形。图21射频=26k，R2=50k时同相输入输出波形图22射频=28k，R2=50k时同相输入输出波形图23射频=28.5 k，R2=50 k时同相输入输出波形图24射频=29 k，R2=50 k时同相输入输出波形从上图可以看出，Rf的电阻对电路的输出波形有很大的影响。当其电阻达到29 k时，输出失真。这与Rf

11、单独工作而不与其他(较小电阻)电阻并联有关。从上述条件下的波形图可以看出，只要能产生稳定的波形，电路输出的端电压和同相输入的端电压总是满足的输出信号的频率只与选频网络的参数有关，与电路其他部分的参数无关。V.模拟结论1.利用运算放大器和文氏频率选择网络可以构成一个RC振荡电路，选择特定频率的正弦波，其中正弦波的振荡频率由文氏频率选择网络决定，幅度由运算放大器的负反馈网络决定。2.在文丘里振荡器电路中，如果负反馈网络的电阻太大，电路的闭环放大系数会太大，输出电压信号可能进入非线性区域，因此输出波形会有一定程度的失真。此外，电路的闭环放大系数越大，输出波形的失真越严重。3.通过在维恩频率选择电路的负反馈网络中增加一个非线性环节，可以稳定输出信号的波形。4.加入非线性环节后，负反馈网络的原始反馈电阻可能比没有非线性环节时的反馈电阻小，输出信号的幅度也可能比原始信号小。5.如果非线性链路由并联的二极管和电阻组成，则可以通过调整非线性链路的电阻或负反馈网络中的其他电阻来增加输出波形的幅度。6.在通过负反馈网络调节输出信号幅度的过程中，非线性环节的电阻受到并联二极管动态电阻的限制，当其电阻值足够大时，将失去对输出信号的调节功能。7.调