付揚(yáng)

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

摘? 要 基于Multisim仿真，實(shí)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(cè)試。實(shí)踐證明，仿真測(cè)試便捷直觀、效果理想，是對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充與完善。

關(guān)鍵詞 RC橋式振蕩;Multisim;實(shí)驗(yàn)室;仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(luò)、正反饋網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)組成，選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)選擇RC串并聯(lián)電路，放大電路選擇同相比例運(yùn)算，即可構(gòu)成RC橋式振蕩電路，也稱(chēng)為文氏電橋振蕩。RC橋式振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻和相頻特性實(shí)驗(yàn)室測(cè)量不方便，同時(shí)實(shí)驗(yàn)只能看到穩(wěn)定振蕩后的波形，觀察和測(cè)量如何起振在實(shí)驗(yàn)室是觀測(cè)不到的，因此，學(xué)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(wèn)題，從而讓學(xué)生對(duì)RC橋式振蕩電路理解得更加充分。

Multisim是一個(gè)先進(jìn)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)各種電路的虛擬實(shí)驗(yàn)，具有操作界面人性化、元器件庫(kù)規(guī)模龐大、儀表種類(lèi)齊全、仿真分析功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。Multisim有效地彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室儀器缺失或?qū)嶒?yàn)儀器功能不足的問(wèn)題。

2 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)分析與測(cè)試

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)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(dāng)f=f0時(shí)，F(xiàn)值最大，且

同相，即此時(shí)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(shí)相移φF增大。

上述RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在Multisim下測(cè)試，通過(guò)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(shí)根據(jù)圖1的RC參數(shù)值，由（2）式計(jì)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(shí)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°?？梢?jiàn)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(luò)具有很好的選頻特性，在偏離選擇頻率時(shí)，傳遞函數(shù)的幅值出現(xiàn)快速衰減，同時(shí)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(cè)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(luò)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(shí)，φF=0°，該網(wǎng)絡(luò)既是選頻網(wǎng)絡(luò)，也充當(dāng)正反饋網(wǎng)絡(luò)，二者合二為一。

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

在Multisim下，通過(guò)連接示波器觀測(cè)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(shí)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(shí)，由示波器指針可見(jiàn)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(shí)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(cè)若沒(méi)有D1、D2兩個(gè)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(cè)到輸出波形開(kāi)始是逐漸增大的正弦信號(hào)，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(luò)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(méi)有波形，不會(huì)出現(xiàn)振蕩。

通過(guò)Rf的不同取值，更加驗(yàn)證了起振和穩(wěn)定振蕩必須滿(mǎn)足的幅值條件。

通過(guò)該仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以充分理解振蕩器是如何起振又如何達(dá)到穩(wěn)定的，穩(wěn)定后的電壓和正反饋電壓的關(guān)系，使得教學(xué)中抽象的起振和振蕩變得形象而生動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)Multisim仿真測(cè)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效克服了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，使學(xué)生很好地學(xué)習(xí)了RC振蕩，并在以后課程設(shè)計(jì)和電子競(jìng)賽的信號(hào)源設(shè)計(jì)應(yīng)用中得心應(yīng)手。Multisim仿真研究比實(shí)際測(cè)試的功能齊全，測(cè)試方便、直觀，效果理想，為電路設(shè)計(jì)和測(cè)試提供了一種有效的方法和手段。

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