基于Multisim的RC桥式振荡电路仿真测试

    付扬

    

    

    

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

    摘? 要 基于Multisim仿真，实现RC串并联频率特性、RC桥式振荡电路起振和振荡的测试。实践证明，仿真测试便捷直观、效果理想，是对理论和实验教学的有益补充与完善。

    关键词 RC桥式振荡;Multisim;实验室;仿真实验

    中图分类号：TP391.9? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）09-0042-02

    1 引言

    正弦波振荡电路通常由放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节组成，选频网络和正反馈网络选择RC串并联电路，放大电路选择同相比例运算，即可构成RC桥式振荡电路，也称为文氏电桥振荡。RC桥式振荡电路的选频网络的幅频和相频特性实验室测量不方便，同时实验只能看到稳定振荡后的波形，观察和测量如何起振在实验室是观测不到的，因此，学生不容易理解RC桥式振荡器的工作原理。而用Multisim仿真软件可以灵活方便地解决这些问题，从而让学生对RC桥式振荡电路理解得更加充分。

    Multisim是一个先进的仿真实验平台，可以实现各种电路的虚拟实验，具有操作界面人性化、元器件库规模庞大、仪表种类齐全、仿真分析功能强大等特点。Multisim有效地弥补了实验室仪器缺失或实验仪器功能不足的问题。

    2 RC串并联选频网络分析与测试

    RC串并联选频网络如图1所示，由RC串联和并联组成。在交流电源作用下，如果取R1=R2=R，C1=C2=C，则可推出传递函数或反馈系数为：

    其中：

    则其幅频特性为：

    相频特性为：

    由（3）（4）可以看出，当f=f0时，F值最大，且

    同相，即此时最大F=1/3，φF=0°。偏离频率f0，偏离越大，F值衰减越大，同时相移φF增大。

    上述RC串并联网络在Multisim下测试，通过Multi-sim＼Simulate＼Analyses＼AC Analyses仿真分析，其幅频和相频特性如图2所示。此时根据图1的RC参数值，由（2）式计算选择频率为f0=159.2 Hz。从仿真结果可以看出，在f=159.139 Hz处，F幅值最大为1/3，即0.333，此时φF=0.02°。而在f=2.016 4 Hz处，幅值仅为F=0.012 662，衰减到接近0，而φF=87.823°，接近最大相移90°。可见仿真结果与理论分析相同，仿真给出了非常直观的幅频和相频特性。RC串并联网络具有很好的选频特性，在偏离选择频率时，传递函数的幅值出现快速衰减，同时其相位移出现明显增大，最大相移为±90°。

    3 RC桥式振荡电路分析与测试

    正弦波振荡电路发生振荡的条件为，为放大电路的放大倍数，为反馈系数，即要求振荡的幅值条件为|AF|=1，相位条件为φA+φF=2nπ（n是整数）。起振的幅值条件为，相位条件为φA+φF=2nπ（n是整数）。

    由RC串并联选频网络和同相比例放大电路组成的RC桥式振荡电路如图3所示。RC串并联在频率为f0时，φF=0°，该网络既是选频网络，也充当正反馈网络，二者合二为一。

    在f0时，RC串并联选频网络反馈系数F=1/3，由振荡条件得放大倍数应为A=3。同相比例放大器中的负反馈电阻Rf选电阻R4串联R5和两个并联的二极管组成，起振时Rf电阻大于20 kΩ，振荡幅度应该逐渐加大。随着振荡幅度增大，二极管导通程度加大，利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时二极管动态电阻增大的特点，使Rf电阻等于20 kΩ，加入非線性环节，从而使其达到稳定振荡，稳定振荡是放大倍数为。

    在Multisim下，通过连接示波器观测RC桥式振荡电路仿真波形如图4所示。图中①为输出波形，②为正反馈波形，可以看出起振时输出和正反馈正弦波幅值是逐渐增大，相位始终相同，直至稳定振荡。稳定振荡时，由示波器指针可见输出电压10.329 V，幅值正好约为输出电压的1/3，为3.506 V，且反馈电压与输出同相，实现了正弦波的产生，仿真结果与理论分析相一致。

    利用仿真还可以继续观测若没有D1、D2两个二极管并联，R5取不同值的情况。

    1）若R5不变，即Rf=R5=5 kΩ，可以观测到输出波形开始是逐渐增大的正弦信号，随着幅度的逐渐增大，很快正弦波上下峰值幅度被削，输出出现稳定的削顶失真正弦振荡，输出和选频网络相位始终相同。

    2）若Rf=R5，取等于2 kΩ，则可以看到输出和反馈始终没有波形，不会出现振荡。

    通过Rf的不同取值，更加验证了起振和稳定振荡必须满足的幅值条件。

    通过该仿真实验，学生可以充分理解振荡器是如何起振又如何达到稳定的，稳定后的电压和正反馈电压的关系，使得教学中抽象的起振和振荡变得形象而生动。

    4 结语

    通过Multisim仿真测试RC桥式振荡电路，可以直观地研究RC桥式振荡电路选频特性、起振和稳定振荡。该仿真激发了学生的学习兴趣，有效克服了实验教学的局限性，使学生很好地学习了RC振荡，并在以后课程设计和电子竞赛的信号源设计应用中得心应手。Multisim仿真研究比实际测试的功能齐全，测试方便、直观，效果理想，为电路设计和测试提供了一种有效的方法和手段。

    参考文献

    [1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

    [2]包涛，周德云，林华杰.文氏电桥振荡实验仿真教学设计[J].实验室研究与探索，2018，37（9）：202-205，210.

    [3]张静之，张志雄，王艳新.Multisim辅助电工学实验教学案例分析与启示[J].中国教育技术装备，2018（8）：42-43，46.