基于Multisim12的RC正弦波振蕩器的仿真及分析

張靜王瑜

（河海大學文天學院 安徽馬鞍山 243031）

基于Multisim12的RC正弦波振蕩器的仿真及分析

張靜王瑜

（河海大學文天學院 安徽馬鞍山 243031）

采用Multisim12電路仿真軟件對RC正弦波振蕩電路進行虛擬仿真，對于振蕩頻率采用滑動變阻器R和可變電容C進行組合調(diào)節(jié)，串并聯(lián)同時控制，實現(xiàn)不同頻率正弦波的輸出。仿真并分析了從起振、平衡到失真的整個過程，仿真結果與理論一致。通過虛擬電路的設計、儀器儀表的使用，實驗結果的分析，使得正弦波振蕩器教學更加形象生動，有利于學生對理論知識的理解，提高他們的高頻電子線路的學習熱情及效果。

Multisim12；RC正弦波振蕩器；仿真；頻率；幅度；失真

Multisim12軟件是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。它不僅可以廣泛的應用于電路、模擬電路、數(shù)字電路、通信（高頻）電子線路、射頻電路、數(shù)字通信電路的仿真分析，還可以用于電子測量、單片機仿真PLC控制系統(tǒng)以及PLD的仿真[1]。在高校教學中的應用也很多，特別是在相對較難的高頻電子線路中應用價值尤為突出，比如，在高頻小信號放大器的仿真分析[2-3]，高頻諧振功率放大器[4-6]，正弦波振蕩器的設計與仿真[7-10]，以及調(diào)幅與解調(diào)的仿真分析[11-12]等等。

通過實驗仿真，不僅可以對理論進行檢驗，同時，電路設計的過程以及仿真分析的過程可以不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，對理論知識思考更加透徹。

正弦波振蕩器在通信系統(tǒng)中非常常用，在發(fā)送端負責產(chǎn)生高頻載波對基帶信號進行調(diào)制，接收端負責生成本振信號用于混頻。RC正弦波振蕩器是正弦波振蕩器的一種，用來產(chǎn)生低頻正弦波信號[13]。本文主要是采用Multisim12對RC正弦波振蕩器進行電路設計和仿真分析，使得學生通過電路設計，數(shù)據(jù)測量，仿真分析，深刻理解并掌握正弦波振蕩器的知識，培養(yǎng)他們設計電路，分析問題解決問題的能力。

一、RC正弦波振蕩器的基本原理

振蕩器是指無需外加激勵，自動將直流電源的能量轉化成具有一定波形、一定頻率和一定幅度的交變信號的裝置。正弦波振蕩器包括：放大電路、選頻網(wǎng)絡、正反饋網(wǎng)絡、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四個部分組成。RC正弦波振蕩器采用RC串并聯(lián)電路進行選頻和反饋[13]。振蕩電路包括起振條件和平衡條件：

圖1RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡

公式(1)(2)可以看出閉路相移為零或者為2π的整數(shù)倍，換句話說反饋信號Uf與輸入信號Ui同相[13]，即正反饋。因此RC振蕩器的電路設計要滿足相位平衡條件和起振條件。

二、RC正弦波振蕩電路的設計與分析

通過Multisim12仿真平臺設計RC正弦波振蕩器的電路圖，如圖2所示：

圖2 RC正弦波振蕩器仿真電路圖

從圖2可以看出：放大部分采用741集成運放，反饋網(wǎng)絡和選頻網(wǎng)絡由R4，C1，R5，C2組成，且為正反饋。其中C1，C2采用可變電容；R4，R5，采用電位計（滑動變阻器），并且在調(diào)節(jié)過程中C1，C2值保持相同，R4，R5值保持相同，電位計、可變電容均采用統(tǒng)一控制。R4，C1，R5，C2采用可調(diào)的，目的是為了產(chǎn)生不同頻率的正弦波信號。采用非線性元件作放大電路的負反饋元件，以實現(xiàn)外穩(wěn)幅；通過示波器觀察輸出信號的波形以及反饋信號的波形，并配以萬用表XMM1和XMM2更直觀地觀測輸出電壓值（有效值）和反饋電壓值（有效值）；頻率計對頻率進行監(jiān)測，頻譜分析儀用來觀測頻譜分析。RC振蕩器起振時放大倍數(shù)A≈（R1+R2+R3）/R1＞3，如圖R3，D1，D2并聯(lián)，可以實現(xiàn)外穩(wěn)幅[10]。起振后隨著輸出電壓的增大，二極管D1、D2的導通電阻逐漸變小[9]，電壓的放大倍數(shù)也會逐漸變小，直到降為3，振蕩器處于平衡狀態(tài)，輸出穩(wěn)定的波形。調(diào)節(jié)R2可以改變放大倍數(shù)，即改變A的值。R3，D1，D2與R1、R2一起構成負反饋電路。另外，其實外穩(wěn)幅可以用熱敏電阻來實現(xiàn)。若將電路圖2中的開關S1和S2打開，便無法實現(xiàn)穩(wěn)幅，電壓會一直增大，最后失真。具體參數(shù)設置如圖2所示。（電位計、可變電容可以調(diào)節(jié)）。

（一）改變電位計R2，觀察輸出信號的變化。如圖2所示，將串并聯(lián)電阻設置為50kΩ*40%，可變電容設置為0. 01uF*40%，通過控制鍵C調(diào)節(jié)R2的滑動變阻器，改變放大倍數(shù)A，發(fā)現(xiàn)從0%到20%，無電壓輸出；直到25%，開始起振（此時放大倍數(shù)A約為3.25，略大于3），最終達到平衡；40%時開始出現(xiàn)頂部失真，R2阻值越大失真越嚴重，輸出信號穩(wěn)定時的頻率和幅度值與電阻R2之間的關系如表1所示。

表1 調(diào)節(jié)R2的輸出信號

注：理論值即為用公式（4）計算出來的頻率的理論值，頻率單位（kHz），幅度有效值單位（V）。

從表1可以發(fā)現(xiàn)，改變R2在一定范圍內(nèi)，輸出正弦波的頻率基本不變，但是幅度會不斷增大，若R2值太大，輸出信號發(fā)生頂部失真，如圖5所示。

圖3 RC正弦波振蕩器起振波形

圖4 RC正弦波振蕩器平衡波形

圖5 RC正弦波振蕩器失真波形

圖6 輸出電壓

圖7 反饋電壓

圖3，圖4，圖5，分別為RC正弦波振蕩器起振、平衡、及失真的波形圖，其中綠色波代表輸出信號U0，紫色波代表正反饋信號Uf。通過萬用表XMM1和XMM2可以分別測出輸出電壓和反饋電壓的有效值。其中，圖3為起振到平衡的波形；圖4為R2值為25%時振蕩器平衡時的輸出信號波形，為標準正弦波，由圖6、圖7可以看出此時的輸出電壓和反饋電壓值，滿足反饋系數(shù)F=1/3。；圖5是R2值為100%（即50kΩ）的輸出波形，接近方波信號。調(diào)節(jié)R2改變的是放大倍數(shù)A，而放大倍數(shù)A只需要略大于3，能夠起振即可，太大就導致信號失真。此外，從信號頻譜的角度我們對圖4，圖5進行分析，得到圖8和圖9。從圖9發(fā)現(xiàn)失真的信號頻譜分量較多，未失真的正弦波信號頻譜單一（圖8），符合正弦波信號和方波信號傅里葉分析的頻譜特點。

圖8 未失真的正弦波信號頻譜

圖9 失真的正弦波信號頻譜

（二）改變串并聯(lián)的電阻和電容，觀察輸出信號的變化。

1.如圖2所示，固定電位計（R4，R5）為50kΩ*40%，R2 為50kΩ*25%，通過控制鍵B，同時改變電容C1，C2，并保持它們?nèi)葜迪嗟龋玫捷敵鲂盘栴l率與幅度，如表2所示。

表2 改變串并聯(lián)電容的輸出信號

2.如圖2所示，固定電容（C1，C2）為0.01uF*10%，R2為50kΩ*25%，通過控制鍵A，同時控制電位計R4，R5，改變R4，R5值，并使它們阻值相等，得到輸出信號頻率與幅度，如表3所示。

表3 改變串并聯(lián)電阻的輸出信號

從表2和表3可以看出改變串并聯(lián)的電阻值和電容值均可以改變輸出信號的頻率，且輸出信號的頻率與阻值和容值成反比，但是輸出信號的幅度變化很小，基本不變，仿真結果與理論一致。

從表3可以發(fā)現(xiàn)，對于頻率而言，輸出頻率越高與理論值相差越大，頻率越低與理論值相差越小；表3對比表2，可以發(fā)現(xiàn)RC正弦波振蕩器適合低頻正弦波的產(chǎn)生，產(chǎn)生較高頻率的信號時誤差較大，若產(chǎn)生高頻正弦波信號可以采用LC振蕩器或者晶振。

三、結語

運用Multisim12.0對RC正弦波振蕩器進行電路仿真分析，實驗結果與理論一致。通過實驗，能夠直觀的觀測到各個參數(shù)的變化對輸出信號的影響：串并聯(lián)RC電路中R和C的值都影響輸出信號的頻率，輸出信號的幅度及失真可以通過放大倍數(shù)來控制。RC正弦波振蕩器更適合于低頻正弦波的產(chǎn)生。Multisim12.0對于高頻電路的教與學有很大的幫助，具有很大的實際意義。

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[責任編輯 鄭麗娟]

Simulation and Analysis of RC Sine Wave Oscillator Based on Multisim12

Zhang Jing Wang Yu

(Hohai University,Wentian College Ma'anshan Anhui 243031)

This paper uses Multisim12 circuit simulation software for virtual simulation of RC sine wave oscillator circuit,the oscillation frequency of the sliding rheostat R and C variable capacitor combination adjustment,series parallel control at the same time,the output of different frequency sine wave.Simulation and analysis are made on the whole process from the vibration,balance and distortion.The simulation results are in agreement with the theory.Through the use of virtual circuit design,instrumentation,analysis of experimental results,we try to make a sine wave oscillation teaching more vivid,which is conducive to the students'understanding of theoretical knowledge;and can improve their high frequency electronic circuits learning enthusiasm and effect.

Multisim12;RC sine wave oscillator;simulation;frequency;amplitude;distortion

TP391.9，TN702

A

2095-0438（2017）02-0151-04

2016-10-12

張靜（1984-），女，江蘇徐州人，河海大學文天學院助教，碩士，研究方向：數(shù)字信號處理。