基于Multisim的RC橋式振蕩電路仿真測試

付揚

10.3969/j.issn.1671-489X.2019.09.042

摘? 要 基于Multisim仿真，實現(xiàn)RC串并聯(lián)頻率特性、RC橋式振蕩電路起振和振蕩的測試。實踐證明，仿真測試便捷直觀、效果理想，是對理論和實驗教學的有益補充與完善。

關鍵詞 RC橋式振蕩;Multisim;實驗室;仿真實驗

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）09-0042-02

1 引言

正弦波振蕩電路通常由放大電路、選頻網(wǎng)絡、正反饋網(wǎng)絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)組成，選頻網(wǎng)絡和正反饋網(wǎng)絡選擇RC串并聯(lián)電路，放大電路選擇同相比例運算，即可構(gòu)成RC橋式振蕩電路，也稱為文氏電橋振蕩。RC橋式振蕩電路的選頻網(wǎng)絡的幅頻和相頻特性實驗室測量不方便，同時實驗只能看到穩(wěn)定振蕩后的波形，觀察和測量如何起振在實驗室是觀測不到的，因此，學生不容易理解RC橋式振蕩器的工作原理。而用Multisim仿真軟件可以靈活方便地解決這些問題，從而讓學生對RC橋式振蕩電路理解得更加充分。

Multisim是一個先進的仿真實驗平臺，可以實現(xiàn)各種電路的虛擬實驗，具有操作界面人性化、元器件庫規(guī)模龐大、儀表種類齊全、仿真分析功能強大等特點。Multisim有效地彌補了實驗室儀器缺失或?qū)嶒瀮x器功能不足的問題。

2 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡分析與測試

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡如圖1所示，由RC串聯(lián)和并聯(lián)組成。在交流電源作用下，如果取R1=R2=R，C1=C2=C，則可推出傳遞函數(shù)或反饋系數(shù)為：

其中：

則其幅頻特性為：

相頻特性為：

由（3）（4）可以看出，當f=f0時，F(xiàn)值最大，且

同相，即此時最大F=1/3，φF=0°。偏離頻率f0，偏離越大，F(xiàn)值衰減越大，同時相移φF增大。

上述RC串并聯(lián)網(wǎng)絡在Multisim下測試，通過Multi-sim＼Simulate＼Analyses＼AC Analyses仿真分析，其幅頻和相頻特性如圖2所示。此時根據(jù)圖1的RC參數(shù)值，由（2）式計算選擇頻率為f0=159.2 Hz。從仿真結(jié)果可以看出，在f=159.139 Hz處，F(xiàn)幅值最大為1/3，即0.333，此時φF=0.02°。而在f=2.016 4 Hz處，幅值僅為F=0.012 662，衰減到接近0，而φF=87.823°，接近最大相移90°。可見仿真結(jié)果與理論分析相同，仿真給出了非常直觀的幅頻和相頻特性。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡具有很好的選頻特性，在偏離選擇頻率時，傳遞函數(shù)的幅值出現(xiàn)快速衰減，同時其相位移出現(xiàn)明顯增大，最大相移為±90°。

3 RC橋式振蕩電路分析與測試

正弦波振蕩電路發(fā)生振蕩的條件為，為放大電路的放大倍數(shù)，為反饋系數(shù)，即要求振蕩的幅值條件為|AF|=1，相位條件為φA+φF=2nπ（n是整數(shù)）。起振的幅值條件為，相位條件為φA+φF=2nπ（n是整數(shù)）。

由RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡和同相比例放大電路組成的RC橋式振蕩電路如圖3所示。RC串并聯(lián)在頻率為f0時，φF=0°，該網(wǎng)絡既是選頻網(wǎng)絡，也充當正反饋網(wǎng)絡，二者合二為一。

在f0時，RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡反饋系數(shù)F=1/3，由振蕩條件得放大倍數(shù)應為A=3。同相比例放大器中的負反饋電阻Rf選電阻R4串聯(lián)R5和兩個并聯(lián)的二極管組成，起振時Rf電阻大于20 kΩ，振蕩幅度應該逐漸加大。隨著振蕩幅度增大，二極管導通程度加大，利用電流增大時二極管動態(tài)電阻減小、電流減小時二極管動態(tài)電阻增大的特點，使Rf電阻等于20 kΩ，加入非線性環(huán)節(jié)，從而使其達到穩(wěn)定振蕩，穩(wěn)定振蕩是放大倍數(shù)為。

在Multisim下，通過連接示波器觀測RC橋式振蕩電路仿真波形如圖4所示。圖中①為輸出波形，②為正反饋波形，可以看出起振時輸出和正反饋正弦波幅值是逐漸增大，相位始終相同，直至穩(wěn)定振蕩。穩(wěn)定振蕩時，由示波器指針可見輸出電壓10.329 V，幅值正好約為輸出電壓的1/3，為3.506 V，且反饋電壓與輸出同相，實現(xiàn)了正弦波的產(chǎn)生，仿真結(jié)果與理論分析相一致。

利用仿真還可以繼續(xù)觀測若沒有D1、D2兩個二極管并聯(lián)，R5取不同值的情況。

1）若R5不變，即Rf=R5=5 kΩ，可以觀測到輸出波形開始是逐漸增大的正弦信號，隨著幅度的逐漸增大，很快正弦波上下峰值幅度被削，輸出出現(xiàn)穩(wěn)定的削頂失真正弦振蕩，輸出和選頻網(wǎng)絡相位始終相同。

2）若Rf=R5，取等于2 kΩ，則可以看到輸出和反饋始終沒有波形，不會出現(xiàn)振蕩。

通過Rf的不同取值，更加驗證了起振和穩(wěn)定振蕩必須滿足的幅值條件。

通過該仿真實驗，學生可以充分理解振蕩器是如何起振又如何達到穩(wěn)定的，穩(wěn)定后的電壓和正反饋電壓的關系，使得教學中抽象的起振和振蕩變得形象而生動。

4 結(jié)語

通過Multisim仿真測試RC橋式振蕩電路，可以直觀地研究RC橋式振蕩電路選頻特性、起振和穩(wěn)定振蕩。該仿真激發(fā)了學生的學習興趣，有效克服了實驗教學的局限性，使學生很好地學習了RC振蕩，并在以后課程設計和電子競賽的信號源設計應用中得心應手。Multisim仿真研究比實際測試的功能齊全，測試方便、直觀，效果理想，為電路設計和測試提供了一種有效的方法和手段。

參考文獻

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