RC振蕩電路特性EWB仿真分析——以文氏橋振蕩電路為例

許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 李亞男

一、RC振蕩電路簡介

采用RC 選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩電路稱為RC 振蕩電路，它適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生1 Hz～1 MHz的低頻信號。因?yàn)閷τ赗C 振蕩電路來說，增大電阻R 即可降低振蕩頻率，而增大電阻是無需增加成本的。從結(jié)構(gòu)上來看，正弦波產(chǎn)生電路應(yīng)包括放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅電路，這些是必要條件，其中的選頻網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)置在放大電路中，也可設(shè)置在正反饋網(wǎng)絡(luò)中，甚至可以設(shè)置在放大電路的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)中。但這不是隨意的，要保證對于選頻網(wǎng)絡(luò)的中心頻率而言，能夠滿足幅度條件和相位條件，正弦波振蕩器是一種基本的電子電路，電子技術(shù)試驗(yàn)中經(jīng)常使用的低頻信號振蕩器就是一種正弦波振蕩電路.無論對于哪種振蕩電路，用傳統(tǒng)方法精確分析起振、振幅、振蕩頻率的大小都是十分困難的，而用EWB 軟件則可進(jìn)行仿真分析.本文，筆者以文氏橋振蕩電路為例，采用EWB 軟件對其正弦波振蕩器的起振過程及各參數(shù)對頻率和振幅的影響進(jìn)行仿真分析，以期對同行有所參考。

二、特性分析

理想運(yùn)算放大器具有虛斷特牲，為克服RC移相振蕩器的缺點(diǎn)，常采用RC 串并聯(lián)電路作為選頻反饋網(wǎng)絡(luò)的正弦振蕩電路，也稱為文氏橋振蕩電路，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 文氏橋振蕩電路結(jié)構(gòu)

它由兩級共射電路構(gòu)成的同相放大器和RC 串并聯(lián)反饋網(wǎng)絡(luò)組成。由于φA=0，這就要求RC串并聯(lián)反饋網(wǎng)絡(luò)對某一頻率的相移φF＝2nπ，才能滿足振蕩的相位平衡條件。

由圖1可知，當(dāng)f0=1/（2πRC），F(xiàn) 的模最大，且|F|=1/3，φF＝0；當(dāng)f＞f0時(shí)，|F|減小，且φF≠0，f0=1/（2πRC），由|AF|＞1 知起振條件為|A|＞1，這表明RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性，因此圖1電路滿足振蕩的相位平衡條件。如果同時(shí)滿足振蕩的幅度平衡條件，就可產(chǎn)生自激振蕩，振蕩頻率f=f0=1/（2πRC）=1.592 kHz。

三、優(yōu)缺點(diǎn)分析

文氏橋振蕩器不僅振蕩較穩(wěn)定，波形良好，而且振蕩頻率在較寬的范圍內(nèi)能方便地連續(xù)調(diào)節(jié)，其相位φA＋φF=2nπ（n=0，1，2，…）。在設(shè)計(jì)振蕩器時(shí)首先需要考慮相移。從理論上講，利用文氏電路產(chǎn)生正弦波非常簡便，然而從實(shí)際情況考慮實(shí)際意義不大，因?yàn)殡娮璧木群芎每刂疲娙萑葜档木群茈y控制，即使是精度為±20%的電容成本也很高。比較明智的辦法是首先考慮電容器精度對電橋性能的影響，然后找到一種低成本的彌補(bǔ)辦法。

四、仿真結(jié)果

為了穩(wěn)定輸出電壓的幅值，一般應(yīng)在電路中加入非線性環(huán)節(jié)。非線性環(huán)節(jié)的作用必須保證開環(huán)放大倍數(shù)k穩(wěn)定在3，當(dāng)k＜3 時(shí)，應(yīng)加大RF或減小R，而當(dāng)遇k＞3 時(shí)，應(yīng)減小RF或加大R。經(jīng)過調(diào)節(jié)電阻R1來改變起振情況。振蕩器的慢速起振過程如圖1所示，快速起振過程如圖2所示。

圖2 慢速起振過程

圖3 快速起振過程

五、結(jié)果分析

1.當(dāng)f=f0時(shí)，反饋信號與原輸入信號同相位，滿足相位條件；反饋電路輸出電壓只有反饋電路輸入電壓的且最大。因此，集成運(yùn)放組成f0的放大電路中RF略大于2R1時(shí)就能滿足振幅條件，從而產(chǎn)生振蕩，振蕩頻率為f0=1/（2πRC）。若RF＜2R1，電路不能起振；若RF＞2R1輸出電壓Uo的波形會(huì)產(chǎn)生接近方波失真。

2.當(dāng)f≠f0時(shí)，反饋電路輸出信號與輸入信號的相位不同相，無正弦波信號電壓輸出。

3.為產(chǎn)生振蕩，f=f0信號電壓必須有一個(gè)從微弱開始逐漸增大，直至穩(wěn)定的過程。實(shí)用中，常采用改變RF/R1來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。例如，選擇負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻作反饋電阻RF，當(dāng)輸出電壓增加使RF的功耗增大，它的溫度上升，其負(fù)溫度系數(shù)使它的阻值下降，于是閉環(huán)電壓放大倍數(shù)減小，達(dá)到穩(wěn)幅目的。同理，也可選擇正溫度系數(shù)的熱敏電阻作電阻R1，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。RC文氏橋振蕩電路結(jié)構(gòu)簡單，起振容易，頻率調(diào)節(jié)方便，適用于低頻振蕩場合，最高振蕩頻率一般為10～100 kHz。