文氏桥振荡电路仿真分析

张学文，司佑全

（湖北师范大学物理与电子科学学院，湖北黄石 435002）

文氏桥振荡电路仿真分析

张学文，司佑全

（湖北师范大学物理与电子科学学院，湖北黄石 435002）

文氏桥振荡电路是电子技术实验中的一个重要实验，在实验中遇到的问题是起振过程不易观察，输出信号幅度大小不易控制。利用Multisim软件通过仿真分析解决这两个问题，给出了文氏桥振荡电路输出幅值的计算式，所得计算结果与仿真值一致，还发现文氏桥振荡电路二极管正向导通电压VD随负反馈电阻的增加而略有增加。

RC文式电桥；起振条件；瞬态分析；幅值分析

正弦波振荡器是在电子信息系统中应用非常广泛的电子电路。在教学中我们希望能对振荡器的起振特性、振荡频率的稳定性和振幅稳定过程进行观测研究，探讨影响起振条件和振幅大小的因素。［1］

在实验中遇到的问题是起振过程不易观察，输出信号幅度大小不易控制。本文利用Multisim软件通过仿真分析解决这两个问题。

1 起振过程的观察

正弦波振荡器的的起振条件为˙A˙F＞1［2］。图1为满足起振条件文氏桥振荡电路［3］。在实验过程中很难观察到文氏桥振荡电路的起振过程。

1．1 文氏桥振荡电路起振过程的观察

Multisim具有界面形象直观、操作方便，既可以进行电路设计，也可以对电路进行各种功能的模拟仿真和电路分析的优点。

利用Multisim软件瞬态分析功能，打开图1所示文氏桥振荡电路，单击瞬态分析按钮，在弹出的参数选项设置对话框Analysis Paramenters选项卡Initial Conditions区中，设置仿真开始的初始条件为Set to zero（初始状态为零），在Paramenters区中，设置仿真起始时间和终止时间分别为0和0．005s，选择节点8输出，启动仿真按钮可以很清晰地观察到振荡电路输出电压振幅从小到大，振幅不断增加直到失真的过程［4］。如图2所示。

由图2得到的输出信号是一个上下失真的波形，振荡信号起振后运算放大器很快进入饱和状态，输出信号很快就失真了。因此需要在电路中增加稳幅环节。

1．2有稳幅环节的文氏桥振荡电路起振过程的观察

在图1（a）所示电路负反馈环路中增加两个正反向二极管与R5的并联电路，如图3所示。当电路未起振或者振幅很小时，二极管D1、D2上的正向压降很小，二极管动态等效电阻很高，容易使放大器增益满足起振条件。电路起振后振幅较大时，二极管上的正向压降和电流显著增加，二极管动态等效电阻随之降低，放大器增益A下降至3附近，输出信号振幅趋于稳定［5］。

图1 文氏桥振荡电路

图2 文氏桥振荡电路瞬态分析

由电路理论可知，稳定振荡时运算放大器同相端输入信号的幅值是输出信号幅值的，即正常工作时，放大器的闭环电压增益约等于3，环路增益AF≈1．（图3（b）输入、输出电压波形幅值分别为1．432V，4．269V）

图3 稳幅文氏桥振荡电路

图4 稳幅文氏桥振荡电路瞬态分析

图3（a）中，设置仿真起始时间和终止时间分别为0和0．005s，选择节点6输出，启动仿真按钮得到图4所示瞬态分析图，从图4可以很清晰地观察到振荡电路输出电压振幅从小到大，振幅不断增加直到稳定的过程。

2 输出信号幅度大小的调节

图3（a）中设电阻R5与二极管正向动态等效电阻并联值为R′5，二极管正向压降为VD，当电路振幅趋于稳定时A＝3［6］

由基尔霍夫电流定律有

由（1）、（2）式解得

R2为22kΩ的电位器，调节R2使电路起振得到振幅稳定不失真的波形（R2从35%～41%变化）由（1）式知要使电路振荡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为临界起振点，受电源电压的限制输出电压最大幅值为11．428V，R2＝9．02kΩ为最大不失真点。

图3中二极管为硅二极管，正向导通电压VD＝0．5～0．7V，取VD＝0．6V，得到输出电压幅值，将输出电压幅值的测量值除以输出电压幅值的计算值再乘上0．6，就得到随着R2变化所对应的二极管实际正向导通电压VD．

表1输出信号幅度变化情况

可见VD是变化的，随着R2增大而增加。R2从起振到不失真输出调节范围非常小，输出幅度不易控制。为了能方便输出幅度的调节控制，需要对电路进行改进。

3 改进的文氏桥振荡电路输出信号幅度大小的调节

图5 改进的文氏桥振荡电路

将电位器R2与两个正反向二极管串联之后再与R5并联，电压增益A略大于3，取A＝3．2，1＋＝2．2，R1＝5kΩ，故R5＝11kΩ，调节电位器R2即可以在很大的范围内调节输出信号幅度。在假定二极管电压V不变且已知的条件下，稳态u＝u＝u，根据稳态下输出电压最大幅D＋－o值时刻的KCL方程［7］

由（5）式可知，0≤R2＜110kΩ．

图5中二极管为硅二极管，正向导通电压VD＝0．5～0．7V，，取VD＝0．6V，得到输出电压幅值计算值。将输出电压幅值的测量值除以输出电压幅值的计算值再乘上0．6，就得到随着R2变化所对应的实际正向导通电压VD．

表2 改进电路输出信号幅度变化情况

可见VD是变化的，随着R2增大而增加。R2从0到100kΩ电路从起振到不失真输出调节，连续可调，调节范围非常大，输出幅度容易控制。想要振荡电路输出为某一幅值，考虑VD的变化，由（5）式算出对应的R2即可，非常方便。

4 总结

通过Multisim对文氏桥振荡电路瞬态分析可以很明显地观察到振荡电路的起振和振荡过程，而且可知稳幅电路是必不可少的，没有稳幅电路，振荡电路会很快饱和，无法得到稳定的不失真的振荡信号。

通过理论分析、Multisim仿真实验测试，得到电路输出电压幅值与电路起振时电压放大倍数的大小有关，在电路的线性工作范围内，起振时电压放大倍数比3大得越多，最后稳定输出电压的幅值也越大［8－9］。通过在稳幅文氏桥振荡电路（图3）的负反馈回路并联一个定值电阻R5（图5），调节R2即可得到从起振到不失真连续可调的输出信号。解决了输出信号幅度大小不易控制的问题。

参考文献：

［1］高燕梅，王 丽．基于PSPICE的振荡器起振特性的仿真研究［J］．实验技术与管理，2007，24（2）：91～93．

［2］王成华．现代电子技术基础（模拟部分）［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2005．

［3］电工电子实验教程编写组．电工电子实验教程［M］．长春：东北师范大学出版社，2011．

［4］王连英．基于Multisim10的电子仿真实验与设计［M］．北京：北京邮电大学出版社，2009．

［5］黄培根．Multisim7＆电子技术实验［M］．杭州：浙江大学出版社，2005．

［6］孔庆生．模拟与数字电路基础实验［M］．上海：复旦大学出版社，2005．

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

［8］任骏原．RC桥式正弦波振荡电路的输出幅值分析［J］．电子设计工程，2013，21（14）：107～108，110．

［9］王 俭，潘欣裕，毕自强．RC桥式正弦振荡电路输出信号幅值特性研究［J］．电子设计工程，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

湖北师范学院校级教研项目（JH201129，ZD201121）．

张学文（1965— ），女，湖北黄冈人，高级实验师．