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技術(shù)專題
電路設(shè)計用于產(chǎn)生正弦波的振蕩器
在電路設(shè)計中您可以使用許多振蕩器電路來產(chǎn)生干凈的AC信號，任意波形或標(biāo)準(zhǔn)波形。這些都是晶體時鐘的有用替代方法，晶體時鐘可以多次諧波輻射噪聲，如果布局不當(dāng)，甚至可以像中心饋送的貼片天線一樣工作。如果您需要一個可以通過直流電源簡單打開且不輸出高次諧波的振蕩器，那么維恩橋振蕩器電路就是一個不錯的選擇。
為什么要使用這種特殊類型的電路而不是其他模擬振蕩器電路來產(chǎn)生正弦波？如果設(shè)計正確，則可以產(chǎn)生干凈的正弦波，總諧波失真非常低。另外，可以通過設(shè)置電路中的兩個電阻器和/或兩個電容器的值來容易地調(diào)節(jié)輸出頻率，其中可以通過變?nèi)荻O管來電子地控制后者。這是創(chuàng)建簡單但功能強大的維恩橋振蕩器并模擬其行為的方法。
維恩橋振蕩器是用于產(chǎn)生正弦波的簡單電路。這種簡單的電路不會在一個信號和另一個信號之間執(zhí)行轉(zhuǎn)換以提供穩(wěn)定的參考輸出波形。相反，這是一個獨立的振蕩器，在正反饋環(huán)路上將放大與RC元件合并在一起，以產(chǎn)生輸出信號。該電路的工作原理看似簡單，并且不明確地依靠共振來產(chǎn)生輸出正弦波形。
維恩橋振蕩器電路圖
下面的電路圖顯示了由運算放大器構(gòu)建的典型維恩橋振蕩器電路。基本的LM741或LM358運算放大器IC可用于構(gòu)建維恩橋振蕩器。唯一的輸入來自電源軌?？梢钥闯?，通過串聯(lián)RC電路向同相輸入提供了正反饋，該電路提供高通濾波以消除任何DC偏移。反相輸入端還有一個電阻器網(wǎng)絡(luò)，該電阻器網(wǎng)絡(luò)提供負(fù)反饋以穩(wěn)定對輸入的反饋，從而使輸入始終在放大器的線性范圍內(nèi)。
維恩橋振蕩器電路圖。
此外，只要電路設(shè)計中的放大器在線性范圍內(nèi)運行，輸出波形就會具有非常低的諧波失真。實際上，兩個反饋環(huán)路共同作用以將輸出穩(wěn)定在特定的頻率和幅度。正反饋環(huán)路（RC部分）創(chuàng)建了一個分壓器，因此同相輸入端的增益小于1。R1和R2的選擇應(yīng)使負(fù)反饋環(huán)路的增益大于1：
維恩橋振蕩器增益條件。
這種情況的原因非常重要，并且與這些振蕩器中正反饋和負(fù)反饋的作用有關(guān)。
反饋對輸出頻率的作用
維恩橋振蕩器的設(shè)計與電子學(xué)中另一個經(jīng)常引起人們注意的重要概念有關(guān)。這個想法是反饋。在這里，我們不僅指的是在運算放大器中提供增益的機制。我們實際上是在談?wù)撜答伜拓?fù)反饋在產(chǎn)生不斷增長或衰減的振蕩中的作用。正如您在上面看到的，維恩橋振蕩器的唯一輸入是來自電源軌的電源電壓。那么是什么導(dǎo)致輸出振蕩開始呢？
這可以回溯到電子電路設(shè)計中總會有一些噪聲的事實。如果噪聲通過具有增益的正反饋環(huán)路傳播，則與反饋相反的力會減弱，并且隨著信號放大，信號將開始以更快的速度增長。對于具有增益的負(fù)反饋環(huán)路，在反饋環(huán)路上傳播的信號將增長，但是信號增長的速率會降低。
這應(yīng)該說明正反饋環(huán)路在維恩橋振蕩器中的作用。運算放大器電路中的熱噪聲會產(chǎn)生輸出信號，該信號會沿正反饋環(huán)路放大，并最終增長為強信號。這可以通過負(fù)反饋環(huán)路上的增益來補償，因此我們具有上面定義的條件。
最后，上面所示的RC電路的兩個支路需要確保只有單個頻率會收到高增益并從振蕩器輸出。對于上圖，此頻率恰好是正反饋環(huán)路上RC濾波器分頻器的截止頻率：
維恩橋振蕩器的輸出頻率。
正好是正反饋環(huán)路中RC支腳相對于同相輸入以零相移振蕩的頻率。結(jié)果，運算放大器上的差分輸入會抑制振蕩器輸出的進一步增長，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波。
Wien橋振蕩器的仿真
Wien橋振蕩器的仿真需要考慮以下幾點：
確認(rèn)放大器在線性范圍內(nèi)運行。
輸出頻率應(yīng)遵循上面所示的公式。
進入反相和同相輸入的電壓環(huán)路應(yīng)同相。
由于這些特征是在時域中定義的，因此您需要使用瞬態(tài)分析。您還可以為運放創(chuàng)建等效的線性模型，以在頻域中使用，為電路設(shè)計提供傳遞函數(shù)。應(yīng)在頻域中檢查正反饋環(huán)路中的RC支路，以驗證哪個頻率相對于同相輸入兩端的電壓將經(jīng)歷零相移。