文氏电桥振荡电路原理详解及Multisim仿真

30kΩ
D1
其输出波形如下图所示：
R5 5
D2
1
47kΩ
下图为局部放大的波形图，可以看到，此时的输出波形不再有失真。
6
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Author: Jackie Long
实际应用中，我们也可能需要单电源供电的振荡电路，如下图所示：
2
C1 R2 10nF 47kΩ
C2 3 R1
10nF
47kΩ
VCC 12.0V
VCC
8
0
R3
10kΩ
3
42
4
U1A
1
LM358D VEE
R4 18kΩ
VEE -12.0V
D1 1
6 R5 27kΩ D2
从原理上很容易看出，电路输出波形的幅度与二极管的正向压降有很大的关系，我们可 以用下图所示电路来摆脱这个问题：
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注意纵轴单位为 mV（毫伏），此时电路起振后不断地放大导致幅度增加（此图只是一 部分），但由于放大倍数太小，因此达到大信号电平需要更长的时间。
当 R3=20K 时，放大倍数为 3 倍，输出波形如下图所示：
注意纵轴单位为 pV（皮伏），放大倍数太小，一直都处在小信号状态，什么时候达到大 信号状态也无从得知，因此这里就没图了，不好意思。
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文氏电桥振荡电路详解
文氏电桥振荡电路（Wien bridge oscillator circuit），简称“文氏电桥”，是一种适于产生 正弦波信号的振荡电路之一，此电路振荡稳定且输出波形良好，在较宽的频率范围内也能够 容易调节，因此应用场合较为广泛。
如下图所示为基本文氏电桥振荡电路：
其中，R1、R2、C1、C2 组成的 RC 串并网络将输出正反馈至同相输入端，R3、R4 则将 输出负反馈至运放的反相输入端，电路的行为取决于正负反馈那一边占优势（为便于分析， 通常都假设 R1=R2=R 且 C1=C2=C，当然这并不是必须的）。
可以将该电路看作对 A 点输入（即同相端电压）的同相放大器，因此该电路的放大倍 数如下：
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2
C1 R2 10nF 47kΩ
C2 3 R1
10nF
47kΩ
VCC 12.0V
VCC
8
0
R3
10kΩ
3
U1A
1
2
LM358D
4
VEE 4
VEE -12.0V R4
4
VEE
VEE
-12.0V
2
R4
19kΩ
7 C3
2µF
D1
R6 1MΩ
0
N 沟道 JFET 的阀值电压 VTH 为负压，当 VGS=0 时（即电路刚上电时），源‐漏导通而将 R5 短接到地，R5 与 R3 并联再与 R4 组成负反馈，此时电路的放大倍数约为 3.3（大于 3），电 路开始起振，振荡的幅度也会越来越大；当输出负压足以使 VGS<VTH 时，JFET 截止，此时电 路的放大倍数约为 2.9（小于 3），此电路的输出幅值约为 JFET 的阀值电压（负压）加一个二 极管压降，即 VTH+VD，其输出波形如下图所示：
R6
A
C2
R2
VCC
R1
C1
C3
R3
+ OP
uo
‐
R4
D1
R5
D2
在单电源供电系统中，我们增加了电阻 R6 与电容 C3，电阻 R6 的值通常与 R1 相同，这 样两者对直流正电源 VCC 分压，则有 A 点的电位为（VCC/2），再利用电容 C3 的“隔直流通 交流”特性，更多精彩文章可关注《电子制作站》微信订阅号 dzzzzcn，使 R4（R5）引入直 流全负反馈，此时相当于一个电压跟随器，因此输出静态时输出电压为 VCC/2，此时电路的 直流通路等效如下图所示：
1
可以证明，当放大倍数小于 3 时（即 R4/R3=2），负反馈支路占优势，电路不起振；当 放大倍数大于 3 时，正反馈支路占优势，电路开始起振并不是稳定的，振荡会不断增大，最 终将导致运放饱和，输出的波形是削波失真的正弦波。
只有当放大倍数恰好为 3 时，正负反馈处于平衡，振荡电路会持续稳定的工作，此时输 出波形的频率公式如下所示：
10kΩ
3
U1A
1
2
LM358D
4
VEE
VEE -12.0V
R4
30kΩ D1 4 D2
VCC 12.0V VCC R5 20kΩ
6 R6 4.7kΩ
5 R7 4.7kΩ 7
R8 20kΩ
VEE
VEE -12.0V
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为了让电路更容易应用于实践，我们有必要对其进行优化，如下图所示：
C2
R2
R1
C1
+ OP
‐
uo
R3
R4
D1
R5
D2
我们的修改思路是这样：当电路开始振荡时保证放大倍数大于 3，这样可以使得电路容 易起振，而当电路的振荡幅度增大到某个程度时，将其放大倍数自动切换为小于 3，这样就 能限制振荡的最大幅度，从而避免振荡波形出现削波失真。
2
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当 R3=21K 时，放大倍数为 3.1 倍，输出波形如下图所示：
当 R3=20.1K 时，放大倍数为 3.01 倍，输出波形如下图所示：
3
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我们用下图所示的电路参数进行仿真：
VCC
12.0V R5
1
VCC 100kΩ
C2 4 R1
10nF
47kΩ
C1 R2 10nF 100kΩ
0
C3 5 R3
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振荡下去，也就是说，频率为 f0 的成分既不会因衰减而最终消失，也不会因一直不停放大 而导致运放饱和而失真，相当于此时形成了一个平衡电桥。
但是这个电路的实际应用几乎没有，因为它对器件的要求非常高，即 R4/R3 必须等于 2 （也就是放大倍数必须为 3），只要有一点点的偏差，电路就不可能稳定地振荡下去，因为 元件不可能十分精确，就算可以做到，受到温度、老化等因素，电路也可会出现停振（放大 倍数小于 3）或失真（放大倍数大于 3）的情况。
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1
C1 10nF
R2 47kΩ
C2 4 R1
10nF
47kΩ
VCC 12.0V
VCC
8
0
R3
10kΩ
wenku.baidu.com
6 R5 Q1 47kΩ
3
U1A
1
3
2
LM358D
10nF 10kΩ
VCC 12.0V
VCC
8
3
U1A
1
3
2
LM358D 0
4
其输出波形如下图所示：
2 R4
100kΩ
D1
R6
6
D2
24kΩ
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可以看到，输出正弦波是以 6V（即 12V 的一半）作为中点的。 也有如下图所示相似的电路，读者可自行仿真，原理是一致的。
当 R3=15K 时，放大倍数为 2.5 倍（负反馈占优势），如下图所示：
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把局部放大后如下图所示，注意纵轴单位
可以看到，电路的放大倍数越大，则电路越容易起振，但只要放大倍数超过 3，则输出 波形都将出现削波失真，如果放大倍数设置恰好为 3，则仿真时间要等很久才会有结果。实 际用器件搭电路时，要做到放大倍数为 3.00000XXXX 可真不是件容易的事.
1
1
2π R R C C 2
也可以这样理解：电路刚上电时会包含频率丰富的扰动成分，这些扰动频率都将会被放 大 3 倍，随后再缩小 3 倍，依此循环，只有扰动成分的频率等于 f0 时，电路将一直不停地
1
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这里增加了 R5、D1、D2，当振荡信号比较小时，二极管没有导通，因此 R5、D1、D2 支路相当于没有，因此放大倍数大于 3，而当振荡信号比较大时，二极管导通，相当于 R5 与 R4 并联，这样放大倍数就会小一些（合理设置 R5 的阻值，可以使其放大倍数小于 3）。
我们用下图所示的电路参数进行仿真：
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下图也是一种稳幅电路，如下图所示，读者可自行分析：
2
C1 R2 10nF 47kΩ
C2 3 R1
10nF
47kΩ
VCC 12.0V
VCC
8
0 R3
我们用下图所示的电路参数进行仿真： 2
C1 R2 10nF 47kΩ
C2 3 R1
10nF
47kΩ
VCC 12.0V
VCC
8
0
R3
10kΩ
3
42
4
U1A
1
1
LM358D VEE
VEE -12.0V R4
30kΩ
当 R4=100K 时，放大倍数为 11，输出波形如下图：
当 R4=30K 时，放大倍数为 4，输出波形如下图：