【电路设计】RC振荡器 - 文氏电桥振荡器

2023-11-17

一、文氏电桥振荡器的工作原理

        文氏电桥振荡器广泛用于产生几Hz到几百kHz频段范围的可变频率振荡器,主要由两部分构成:
✔ ① 具有正反馈作用的RC串并联选频网络 => 以满足相位平衡条件
✔ ② 具有负反馈作用的同相放大器 => 以满足振幅平衡条件
        其工作原理是:电路刚上电时会包含频率丰富的扰动成分,不同的频率成分都会经过放大器被放大,然后被反馈网络(RC选频网络)所削减,依次循环。只有某一特定频率的成分能稳定地振荡下去,也就是说,频率为 f 0 f_0 f0的成分既不会因为放大器的不断放大导致饱和失真,也不会因为衰减太强而最终消失。
        典型的电路模型如下图所示,其中 R 1 R_1 R1 C 1 C_1 C1 R 2 R_2 R2 C 2 C_2 C2构成RC串并联选频网络,通常取 R 1 R_1 R1 = R 2 R_2 R2 = R R R C 1 C_1 C1 = C 2 C_2 C2 = C C C R 3 R_3 R3 R f R_f Rf构成同相比例放大器的反馈网络,反馈类型为电压串联负反馈。

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二、如何满足相位平衡条件 - RC串并联选频网络

        文氏电桥振荡器采用的是同相放大器,即 φ A = 0 φ_A =0 φA=0,为了满足相位平衡条件 φ A + φ F = 2 n π ( n = 0 , 1 , 2 , … ) φ_A + φ_F = 2nπ(n = 0,1,2,…) φA+φF=2nπ(n=0,1,2,),要求反馈网络的相角 φ F = 0 φ_F=0 φF=0,即只有相角 φ F = 0 φ_F=0 φF=0 的频率成分能持续稳定地振荡下去,这一频率即是RC选频网络的谐振频率 f 0 f_0 f0,我们要将这一频率点的具体表达式求出来。为了简化分析,将文氏桥中的RC串并联选频网络单独画在下图,作分析研究。

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● RC串联电路的阻抗为:
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● RC并联电路的阻抗为:
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● 振荡电路的反馈系数为:
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● 令上式的分母虚部 = 0,解得 ω 0 = 1 R C ω_0 = {1\over RC} ω0=RC1,ω0就是电路的谐振角频率,也可得到谐振频率 f 0 = 1 2 π R C f_0 = {1\over 2πRC} f0=2πRC1 。则上式可改写为:
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● 幅频特性:
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● 相频特性:

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        做出RC串并联选频网络的幅频特性曲线和相频特性曲线如下图所示(横坐标为 ω ω 0 {ω\overω_0 } ω0ω),可以看出,选频网络的相角范围为( π 2 , − π 2 {π\over2 },-{π\over2 } 2π,2π)。当电路谐振时,相角 φ F φ_F φF正好为0,故满足相位平衡条件,此时反馈系数 F F F 达到最大值1/3(该值是用于满足振幅平衡条件的重要依据)。
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三、振幅平衡和起振条件

        当 f = f 0 , F = 1 / 3 {f = f_0,F =1/3} f=f0F=1/3时,根据振幅平衡条件 ∣ A ⋅ F ∣ = 1 |A·F| = 1 AF=1 解得 A = 3 A = 3 A=3,即振荡器平衡时同相放大器的放大倍数 A = 3 A = 3 A=3。如果放大器为上述典型电路模型所示的同相比例放大器,则根据电压串联负反馈的关系可以得到 A = 1 + R f R 3 A = 1 + {R_f\over R_3} A=1+R3Rf,解得 R f = 2 R 3 {R_f = 2R_3} Rf=2R3,这说明了要使振荡器平衡, R f R_f Rf R 3 R_3 R3之间必须满足的关系。但要使振荡器起振,还需满足起振条件 ∣ A ⋅ F ∣ > 1 |A·F| > 1 AF>1,即 R f > 2 R 3 {R_f > 2R_3} Rf>2R3
        这两个条件看似矛盾,其实可以用热敏电阻的变化特性来代替普通电阻实现。我们让 R f R_f Rf为负温度系数的热敏电阻,起振时支路内电流较小,温度较低, R f > 2 R 3 {R_f > 2R_3} Rf>2R3,当输出幅度逐渐增大时,负反馈支路两端的反馈信号也增强,因此支路内电流增大,温度升高,此时 R f R_f Rf的阻值减小,于是负反馈加强,从而阻值了振荡幅度的增加;反之,当振荡幅度减弱时, R f R_f Rf的阻值增大,使负反馈减弱,从而限制了振幅的减弱。这样,当振荡器起振后,振荡器能稳定在平衡条件 ∣ A ⋅ F ∣ = 1 |A·F| = 1 AF=1 处,此时 R f = 2 R 3 {R_f = 2R_3} Rf=2R3
        我们也可以采用另外一种方式来实现起振到平衡条件的转化,就是让 R f > 2 R 3 {R_f > 2R_3} Rf>2R3,并且在 R f R_f Rf两端并上由一对反向二极管和电阻 R 4 R_4 R4串联组成的支路,电路连接如下图所示。当电路接通电源开始工作时,由于 R f > 2 R 3 {R_f > 2R_3} Rf>2R3,所以电路能够正常起振,随着输出幅度的逐渐增加,二极管的正向电阻 r r r 将会逐渐减小,直到导通,此时 A = 1 + R f / / ( R 4 + r ) R 3 A = 1 + {R_f // (R_4+r)\over R_3} A=1+R3Rf//(R4+r),放大器的放大倍数减小,从而限制了振荡幅度的增加。但是振荡幅度会继续增加,如果幅度的增加刚好使得二极管的正向电阻 r r r 减小到满足关系式: R f / / ( R 4 + r ) = 2 R 3 {R_f // (R_4+r) = 2R_3} Rf//(R4+r)=2R3,那么电路将达到平衡状态,并且能稳定在平衡状态(因为电路满足振幅稳定条件和相位稳定条件,这里不作详细说明)。由于二极管导通时正向电阻 r r r 一般很小(几百欧 ~ 1k欧左右),所以我们让 R f / / R 4 R_f//R4 Rf//R4的值略小于 2 R 3 2R_3 2R3即可,如下图所示, R f / / R 4 = 18.75 Ω < 2 R 3 R_f//R_4 = 18.75Ω < 2R_3 Rf//R4=18.75Ω<2R3 = 20Ω。

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        输出波形如下图所示,可见该电路获得了稳定且不失真的波形,电路的放大倍数 A = 3 A = 3 A=3,并且可以读出振荡周期 T ≈ 2.955 m s T ≈ 2.955ms T2.955ms,则实际振荡频率 f = 1 T = 338.409 H z f = {1\over T } = 338.409Hz f=T1=338.409Hz,这与理论振荡频率 f 0 = 1 2 π R C = 338.637 H z f_0 = {1\over 2πRC} = 338.637Hz f0=2πRC1=338.637Hz 十分接近。

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