電路設計用于產(chǎn)生正弦波的振蕩器

2020-08-29

在電路設計中您可以使用許多振蕩器電路來(lái)產(chǎn)生干凈的AC信號，任意波形或標準波形。這些都是晶體時(shí)鐘的有用替代方法，晶體時(shí)鐘可以多次諧波輻射噪聲，如果布局不當，甚至可以像中心饋送的貼片天線(xiàn)一樣工作。如果您需要一個(gè)可以通過(guò)直流電源簡(jiǎn)單打開(kāi)且不輸出高次諧波的振蕩器，那么維恩橋振蕩器電路就是一個(gè)不錯的選擇。

為什么要使用這種特殊類(lèi)型的電路而不是其他模擬振蕩器電路來(lái)產(chǎn)生正弦波？如果設計正確，則可以產(chǎn)生干凈的正弦波，總諧波失真非常低。另外，可以通過(guò)設置電路中的兩個(gè)電阻器和/或兩個(gè)電容器的值來(lái)容易地調節輸出頻率，其中可以通過(guò)變容二極管來(lái)電子地控制后者。這是創(chuàng )建簡(jiǎn)單但功能強大的維恩橋振蕩器并模擬其行為的方法。

維恩橋振蕩器是用于產(chǎn)生正弦波的簡(jiǎn)單電路。這種簡(jiǎn)單的電路不會(huì )在一個(gè)信號和另一個(gè)信號之間執行轉換以提供穩定的參考輸出波形。相反，這是一個(gè)獨立的振蕩器，在正反饋環(huán)路上將放大與RC元件合并在一起，以產(chǎn)生輸出信號。該電路的工作原理看似簡(jiǎn)單，并且不明確地依靠共振來(lái)產(chǎn)生輸出正弦波形。

維恩橋振蕩器電路圖

下面的電路圖顯示了由運算放大器構建的典型維恩橋振蕩器電路?；镜?span>LM741或LM358運算放大器IC可用于構建維恩橋振蕩器。唯一的輸入來(lái)自電源軌?？梢钥闯?，通過(guò)串聯(lián)RC電路向同相輸入提供了正反饋，該電路提供高通濾波以消除任何DC偏移。反相輸入端還有一個(gè)電阻器網(wǎng)絡(luò )，該電阻器網(wǎng)絡(luò )提供負反饋以穩定對輸入的反饋，從而使輸入始終在放大器的線(xiàn)性范圍內。

維恩橋振蕩器電路圖。

此外，只要電路設計中的放大器在線(xiàn)性范圍內運行，輸出波形就會(huì )具有非常低的諧波失真。實(shí)際上，兩個(gè)反饋環(huán)路共同作用以將輸出穩定在特定的頻率和幅度。正反饋環(huán)路（RC部分）創(chuàng )建了一個(gè)分壓器，因此同相輸入端的增益小于1。R1和R2的選擇應使負反饋環(huán)路的增益大于1：

維恩橋振蕩器增益條件。

這種情況的原因非常重要，并且與這些振蕩器中正反饋和負反饋的作用有關(guān)。

反饋對輸出頻率的作用

維恩橋振蕩器的設計與電子學(xué)中另一個(gè)經(jīng)常引起人們注意的重要概念有關(guān)。這個(gè)想法是反饋。在這里，我們不僅指的是在運算放大器中提供增益的機制。我們實(shí)際上是在談?wù)撜答伜拓摲答佋诋a(chǎn)生不斷增長(cháng)或衰減的振蕩中的作用。正如您在上面看到的，維恩橋振蕩器的唯一輸入是來(lái)自電源軌的電源電壓。那么是什么導致輸出振蕩開(kāi)始呢？

這可以回溯到電子電路設計中總會(huì )有一些噪聲的事實(shí)。如果噪聲通過(guò)具有增益的正反饋環(huán)路傳播，則與反饋相反的力會(huì )減弱，并且隨著(zhù)信號放大，信號將開(kāi)始以更快的速度增長(cháng)。對于具有增益的負反饋環(huán)路，在反饋環(huán)路上傳播的信號將增長(cháng)，但是信號增長(cháng)的速率會(huì )降低。

這應該說(shuō)明正反饋環(huán)路在維恩橋振蕩器中的作用。運算放大器電路中的熱噪聲會(huì )產(chǎn)生輸出信號，該信號會(huì )沿正反饋環(huán)路放大，并最終增長(cháng)為強信號。這可以通過(guò)負反饋環(huán)路上的增益來(lái)補償，因此我們具有上面定義的條件。

最后，上面所示的RC電路的兩個(gè)支路需要確保只有單個(gè)頻率會(huì )收到高增益并從振蕩器輸出。對于上圖，此頻率恰好是正反饋環(huán)路上RC濾波器分頻器的截止頻率：

維恩橋振蕩器的輸出頻率。

正好是正反饋環(huán)路中RC支腳相對于同相輸入以零相移振蕩的頻率。結果，運算放大器上的差分輸入會(huì )抑制振蕩器輸出的進(jìn)一步增長(cháng)，從而產(chǎn)生穩定的正弦波。

Wien橋振蕩器的仿真

Wien橋振蕩器的仿真需要考慮以下幾點(diǎn)：

確認放大器在線(xiàn)性范圍內運行。

輸出頻率應遵循上面所示的公式。

進(jìn)入反相和同相輸入的電壓環(huán)路應同相。

由于這些特征是在時(shí)域中定義的，因此您需要使用瞬態(tài)分析。您還可以為運放創(chuàng )建等效的線(xiàn)性模型，以在頻域中使用，為電路設計提供傳遞函數。應在頻域中檢查正反饋環(huán)路中的RC支路，以驗證哪個(gè)頻率相對于同相輸入兩端的電壓將經(jīng)歷零相移。