基于Multisim的文氏電橋仿真實驗教學設計

戴由旺， 劉英秀， 徐維克

(大連科技學院 實驗中心， 遼寧 大連 116052)

正弦波是一種基礎波形信號，在測試測量、自動控制、無線通訊等諸多領域有著廣泛應用。文氏電橋振蕩電路是一種無需外部激勵，利用RC串并聯(lián)機制實現(xiàn)振蕩產(chǎn)生1 Hz～1 MHz頻率的正弦波電路，是模擬電子技術課程的一個重要知識點[1-2]。

文氏電橋雖然不復雜，但涉及電路正負反饋、放大、穩(wěn)幅等多個概念，比較抽象。一般的模擬電子技術實驗箱配備專門的文氏電橋振蕩器模塊，但大部分硬件固化，調節(jié)不夠靈活，實驗可觀測性不強，實驗教學效果不太理想。通過Multisim軟件來開發(fā)文氏電橋振蕩電路的仿真實驗，利用Multisim的仿真分析能力來加強實驗教學手段[3-5]，幫助學生加深對抽象理論的理解和掌握。

1 文氏電橋振蕩電路結構及工作原理

文氏電橋振蕩電路如圖1所示[6]。運算放大器A和電阻R1、Rf構成同相比例放大電路，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡構成的正反饋支路作為選頻網(wǎng)絡，輸出端信號電壓Uo。經(jīng)選頻網(wǎng)絡反饋送入運放同相輸入端信號電壓為Uf，如果再通過比例放大電路后的輸出信號電壓仍然保持為Uo，那么電路就處于一種穩(wěn)定的自激振蕩狀態(tài)，輸出穩(wěn)定的振蕩信號。

圖1 文氏電橋振蕩電路

由于初始狀態(tài)時電路并沒有外加輸入信號，也沒有穩(wěn)定的輸出信號，要達到上述狀態(tài)，需要滿足以下幾個條件。

(1)自激起振

初始狀態(tài)下，電路中存在微弱的噪聲，經(jīng)正反饋支路(反饋系數(shù)為F)送回運放同相輸入端，再經(jīng)過比例放大電路(放大系數(shù)為A)輸出，只有當|AF|>1時，才能夠使振蕩電路自行建立振蕩，即起振條件：

|AF|>1

(1)

(2)形成特定頻率正弦波

起振之后，如果只是輸出放大噪聲就失去了意義，怎樣才能輸出特定頻率的正弦波信號呢？這就需要一個選頻網(wǎng)絡，文氏電橋的RC串并聯(lián)網(wǎng)絡既是正反饋支路，同時也是一個選頻網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡的諧振頻率為：

f0=1/(2πRC)

(2)

當信號頻率f=f0時，選頻網(wǎng)絡傳遞系數(shù)最大。此時，選頻網(wǎng)絡|F|=1/3，同時相移為0。即電路諧振時，輸出的是一個頻率為f0的正弦波信號，其他頻率分量的信號將被抑制。

(3)保持振蕩平衡

由于正反饋的原因，輸出的正弦波信號將會越來越大，這就需要平衡條件。

幅度平衡條件：

電路總的增益

|AF|=1

(3)

相位平衡條件：

電路總的相移

φ=2nπ(n=0，1，2...)

(4)

滿足上述3個條件，文氏電橋振蕩電路將輸出穩(wěn)定的正弦波信號。

2 基于 Multisim的文氏電橋振蕩電路設計和仿真

Multisim是美國國家儀器(National Instruments，NI)有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，Multisim可以交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。

2.1 實驗電路設計

依據(jù)文氏電橋電路原理，設計文氏電橋振蕩器實驗電路如圖2所示。運算放大器LM324、電阻RF1、RF2以及可調電阻Rp組成同相比例放大電路；R1、R2、C1、C2串并聯(lián)網(wǎng)絡構成的正反饋支路作為選頻網(wǎng)絡；兩個反向并聯(lián)的二極管D1、D2利用正向電阻非線性特性實現(xiàn)穩(wěn)幅。

圖2 文氏電橋振蕩器實驗電路

首先確定選頻網(wǎng)絡參數(shù)，取R1=R2=R=2 kΩ，C1=C2=C，因實驗要求輸出信號頻率為1.69 kHz，依據(jù)諧振頻率式(2),

C=1/2πRf0=47 nF

即R1=R2=R=2 kΩ，C1=C2=47 nF。

其次確定同相比例放大電路參數(shù)，該放大網(wǎng)絡增益為：

(5)

依據(jù)幅度平衡條件式(3)：|AF|=1，以及電路諧振時|F|=1/3，同相比例放大器增益|A|=3。

同時,取RF1=4.7 kΩ，RF2=2.2 kΩ，得到電阻Rp=(RF1+RF2)/2=3.45 kΩ?？紤]到放大網(wǎng)絡增益的可調節(jié)性，取可調電阻最大阻值為5 kΩ。

2.2 實驗電路仿真

2.2.1 電路起振、停振及平衡

可調電阻設置在Rp=3.5 kΩ(最大值的70%),運行仿真。打開示波器控件，沒有信號波形，因為此時Rp>3.45 kΩ，同相比例放大器增益小于3，不滿足起振條件。減小可調電阻阻值，當Rp的值減小到68.7%時，觀察到幅度逐漸增大的正弦波信號并趨于穩(wěn)定。因為此時Rp=3.435 kΩ<3.45 kΩ，同相比例放大器增益大于3，滿足電路起振條件，且Rp越小，電路增益越大，電路震蕩建立越快，如圖3所示。

圖3 起振波形 圖4 停振波形

增大可調電阻阻值觀察停振現(xiàn)象如圖4所示。Rp越大，電路增益越小，輸出正弦波停振消失越快。

軟件仿真能方便實現(xiàn)這種精確參數(shù)調控和動態(tài)過程跟蹤，也是軟件仿真實驗的一個突出優(yōu)勢。

2.2.2 選頻特性

電路起振達到平衡后，觀測示波器和頻率計，如圖5所示，正弦波頻率為1.678 kHz。將選頻網(wǎng)絡電容C1、C2均調整為100 nF，觀測示波器和頻率計，如圖6所示，正弦波頻率為792.674 Hz。仿真結果與理論計算值相當，實現(xiàn)電路選頻功能。

圖5 1.678 kHz波形 圖6 792.674 Hz波形

2.2.3 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)

文氏電橋振蕩的幅度平衡條件是|AF|=1，但電路起振條件是|AF|>1，這樣就需要穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，在電路起振之后總增益穩(wěn)定在|AF|=1，從而使振蕩電路輸出一定幅度的穩(wěn)定正弦波。在負反饋支路上接入兩個反向并聯(lián)的二極管D1、D2，如圖2所示。利用正向電阻非線性特性實現(xiàn)穩(wěn)幅，電路起振后輸出正弦波，信號峰值電壓約2.3 V，如圖7所示。斷開二極管，輸出信號峰值電壓約為7.5 V，因為沒有穩(wěn)幅措施，電路在|AF|>1條件下起振，在正反饋驅動下，信號幅值達到最大如圖8所示。

圖7 有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的波形 圖8 無穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的波形

3 結 語

就實驗教學而言，將Multisim仿真軟件引入到電子線路實驗教學中優(yōu)勢突出:一是電路搭建便捷，電路結構和參數(shù)調節(jié)靈活；二是仿真過程可觀測性強，軟件本身提供了眾多儀器控件，適用方便。觀測電路起振機制時，實物電路只觀察到信號從無直接跳到一定幅度的正弦波，很難捕獲到信號從無到有、從弱到強的逐步起振過程。軟件仿真時，這些過程都能夠清晰呈現(xiàn)，非常直觀，更加有利于學生的理解在教學設計上應和實物電器有機結合，更好服務于教學。