RC橋式振蕩電路性能研究與仿真

呂紅娟

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014）

正弦波發(fā)生電路是在放大電路的基礎(chǔ)上加正反饋形成的，其電路種類繁多。正弦波振蕩器廣泛用于無線通信、測量技術(shù)、電子工程和工業(yè)生產(chǎn)中[1]，它是各類信號發(fā)生器和信號源的核心電路。在此類應(yīng)用中，對振蕩器提出的要求是振蕩頻率和振蕩振幅的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[2]。筆者著重分析RC橋式振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定正弦輸出的條件及頻率穩(wěn)定的有關(guān)因素，并基于仿真軟件Multisim對其仿真、驗(yàn)證，提出改進(jìn)方案，具有一定的實(shí)用價值。

1 RC橋式振蕩電路結(jié)構(gòu)分析

圖1 RC橋式振蕩電路Fig.1 RC bridge oscillator circuit

基本的RC橋式振蕩電路是由放大電路、正反饋和選頻網(wǎng)絡(luò)組成，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電路中，R和C組成的選頻網(wǎng)絡(luò)兼做正反饋網(wǎng)絡(luò)。放大器的輸出電壓作為RC選頻網(wǎng)絡(luò)A點(diǎn)的輸入電壓，而將選頻網(wǎng)絡(luò)B點(diǎn)的輸出電壓作為放大器同相端輸入電壓。

放大器放大倍數(shù)Au=1+RfR1。根據(jù)起振條件Au＞3可知，只要 Au＞2R1，電路即可起振[1－3]。

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及負(fù)反饋電路中的Rf、R1正好構(gòu)成文氏電橋四臂，如圖2所示，所以叫RC橋式振蕩器[4]。

圖2 文氏電橋Fig.2 Wen’s bridge

2 RC橋式振蕩電路性能分析及改進(jìn)

2.1 選頻網(wǎng)絡(luò)性能分析

圖3為RC橋式振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)，是一個由兩個相同的電阻R和兩個相同的電容C組成的一個RC串并聯(lián)電路。

圖3 RC串并聯(lián)電路Fig.3 RC series-parallel circuit

仿真電路和波形如圖4所示。電路中R=10 kΩ，C=10 nF，則通過計算

通過調(diào)節(jié)輸入端U˙A信號的頻率可看出，只有當(dāng)輸入信號的頻率為1.59 kHz時，輸入、輸出信號相位相同，且輸出幅度最大，當(dāng)輸入信號頻率大于或小于1.59 kHz時，則輸出信號的幅度會馬上減小，相位發(fā)生偏移[1-2]。

即只有當(dāng)頻率為f0的信號才能通過該選頻網(wǎng)絡(luò)形成正反饋，從而使振蕩電路起振。

2.2 穩(wěn)幅電路設(shè)計

對圖1所示的振蕩電路，當(dāng)該電路起振后，其輸出信號和反饋信號會越來越大，使放大器進(jìn)入非線性工作區(qū)，輸出波形就會失真，仿真電路如圖5所示[5]。

在仿真電路中Au=1+RfR1=3.1，剛剛滿足起振的條件，但輸出波形卻已經(jīng)失真，因此，電路還需要穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，以達(dá)到電路起振后保持使輸出波形幅度穩(wěn)定且不失真。

加入穩(wěn)幅電路的RC橋式振蕩電路如圖6所示。

V1、V2兩個二極管反向并聯(lián)，再與電阻R2并聯(lián)，串接在負(fù)反饋支路中，不論在振蕩的正半周或副半周，總有一只二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)[3-6]。

在起振時，由于輸出信號幅度小，所以加在二極管上的電壓就小，二極管等效電阻變大，則電路的放大倍數(shù)變大，使電路起振。

起振后，由于輸出信號幅度變大，所以加在二極管上的電壓變大，二極管等效電阻變小，則電路的放大倍數(shù)變小，這樣就起到穩(wěn)幅的作用。具有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的RC橋式振蕩仿真電路及波形如圖7所示。

圖4 選頻網(wǎng)絡(luò)仿真分析Fig.4 Simulation analysis of frequency network

圖5 RC振蕩電路仿真Fig.5 RC oscillating circuit simulation

2.3 頻率可調(diào)的RC橋式振蕩電路設(shè)計

振蕩頻率連續(xù)可調(diào)的RC橋式振蕩電路選頻部分電路如圖8所示， 用雙層波段開關(guān)接不同的電容，作為振蕩頻率f0的粗調(diào)；用同軸電位器實(shí)現(xiàn)f0的微調(diào)[2]。

圖中，如果波段開關(guān)選擇到C1，則振蕩頻率：

圖6 穩(wěn)幅電路Fig.6 Amplitude stabilization circuit

圖7 穩(wěn)幅電路輸出波形仿真Fig.7 Amplitude stabilization circuit output waveform simulation

即當(dāng)波段開關(guān)選擇到C1，則振蕩頻率可在（16.6～265.4 kHz）范圍連續(xù)可調(diào)。

當(dāng)波段開關(guān)選擇到C2，則振蕩頻率可在（1.66～26.5 kHz）范圍連續(xù)可調(diào)。

當(dāng)波段開關(guān)選擇到 C3，則振蕩頻率可在（166 Hz～2.65 kHz）范圍連續(xù)可調(diào)。

圖8 振蕩頻率連續(xù)可調(diào)的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)Fig.8 Oscillation frequency adjustable RC series parallel frequency selection network

當(dāng)波段開關(guān)選擇到 C4，則振蕩頻率可在（17～265 Hz）范圍連續(xù)可調(diào)。

以圖8作為振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)，則可以得到一個頻率在17 Hz～265.4 kHz之間連續(xù)可調(diào)的正弦波振蕩器。

3 結(jié) 論

RC橋式正弦波振蕩電路以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)，以電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路為放大環(huán)節(jié)，具有振蕩頻率穩(wěn)定、調(diào)節(jié)方便，帶負(fù)載能力強(qiáng)，輸出電壓失真小等優(yōu)點(diǎn)，可以在低頻的信號發(fā)生器等設(shè)備中廣泛應(yīng)用。

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[3]鄒學(xué)玉.RC文氏橋振蕩器穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的仿真研究[J].長江大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011（8）：91－92.ZOU Xue-yu.Simulation on amplitude stabilization circuit for RC wien bridge oscillator[J].Journal of Yangtze University:Natural Science Edition，2011（6）：91－92.

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