实验七 文氏桥正弦振荡器

实验七 文氏桥正弦振荡器

一、 实验目的

1．掌握振荡条件和稳幅措施。

2．研究文氏桥网络的选频特性和传输特性。 3. 学习文氏桥振荡器的调试与测试技术。

二、 实验原理

1. 振荡器的振荡条件

振荡过程是一个正反馈过程，振荡常常是一个微扰引起的，如果这个微扰经过反馈，弱于原输入的讯号，循环一次减弱一次，直至消亡，即为负反馈或环增益小于1, 无法起振。如果经过反馈后的信号强于原来的输入讯号，循环一次增强一次，振幅越来越大，直至晶体管的非线性或外部稳幅系统限制了它的振幅为止。我们把这个放大与反馈的过程表达为

∙

∙

F

A ，即称为环路增益，简称环增益。电压放大倍数∙A 与反馈系数∙

F

都是复数：

A

F

j j e

A A e

F F φφ∙

∙

∙

∙

==

7-1

∙∙F A =)

(F A j e

F A φφ+∙

∙

7-2

令

A

A =∙

， F F =∙

，因此

起振条件有两个：

振幅条件： 1>AF (6-3) 相位条件：2 n=0,1,2A F n φφπ+= (6-4)

起振以后，振幅逐渐增大，但由于晶体管的非线性或稳幅系统起控，A 逐渐变小，达到一个平衡状态，此时1=AF ，所以振荡器的振幅平衡条件为：

1=AF

(6-5)

A 与F 都是频率的函数，在某个频率上，这两个条件都满足了，这个频率便是振荡器的

振荡频率。

2. 文氏桥正弦振荡器

文氏桥振荡器是低频振荡器中最常见的一种电路。它使用的元件只需电阻、电容，而不需要难于制作的电感元件，且波形比较好，故得到广泛应用。文氏桥原是电学中的交流电桥，用来测量电容的容量，以及交流电频率的电桥。原名是维恩电桥（Wien Bridge ），我国简称为文氏桥。

这个电桥的电路如图7-1（a ）所示

图7-1 文氏电桥

如果电桥的R 1＝R 2＝R ，C 1＝C 2＝C ，R 4＝2R 3，那么从A 、C 两端输入一个频率为：12f R C

π=的正弦波电压，B 、D 两端的电压便为零。

我们可以将这个桥路分解为图7-1（b ）与7-1（c ）两个网络。网络（b ）具有以下的传输函数F b (j ω)：

)

1

(11

)(2

1121

22

1R C R C j C C R R V V j F F i

o

b c ϖϖϖ-

+++=

=

=∙

∙

∙

(6-6)

上式仅在2112

1

0C R C R ωω-

=时，F(j ω)才能成为实数，此时的ω0为：

021012

1

C R C R ωω=

有

2

01212

1

C C R R ω=

(6-7)

如果选R 1＝R 2＝R ，C 1＝C 2＝C ，（6-7）式可以简化为：

01R C

ω=

或RC f π210=

(6-8)

此时的F b 为极大值： 3

1)(==o b bm F F ϖ (6-9)

由于虚部为零，故此时的相位为

2π

Φ= (6-10)

注意：（6-8）与（6-9）仅在网络（b ）负载为 ∞ 时才成立。如果这个条件不满足，将略有偏离。而网络（c ）则具有以下的传输函数F c ：

c i

c F R R R V V F =+=

=

∙

∙

∙

4

330

(6-11)

集成运放有两个输入端可以分别进行正反馈与负反馈，网络（b ）是决定振荡器频率的网络，它在1R C

ω=

时相移πφ2=F ，适宜于在同相输入端作正反馈网络，但是从网络的输入到

输出，信号衰减为1/3，如果不从放大器得到补充，就产生不了振荡，放大器应大于3倍的电压增益，而且在正好3倍的时候，满足了振荡器的振幅平衡条件。根据运放同相放大器增益公式： 1

1R R A F vf +

=。

假如用网络（c ）的R 4作为R f ，而R 3作为R 1，因此要求：

3113

43

4

3=+

=+==

R R R R R F A c

即

43

2R R =

(6-12)

所以如果选432R R =，便能满足稳定振荡的条件。于是文氏桥振荡器接成图7-2的形式。

图7－2 文氏桥振荡电路

为了方便调试我们将R 3换成一个可变电阻，接好电路以后，调节R 3，发现34/2R R >时，输出为零，不起振。而当34/2R R <时，波形严重失真。34/2R R =时，可以出现很好的正弦波，但是很不稳定，稍有一些干扰，波形就失真了。为了克服这种不稳定现象，我们希望起

振时AF>1,而当幅度达到一定时振荡器能自动调整增益使AF=1以满足振幅平衡条件。故可在R4两边并联一个双向基准稳压管(±6V)和一个电阻的串联支路，以稳定输出幅度。如图7-3所示。由于目前市场上不易买到这种双向基准稳压管(2DW7C)，故可由以稳压二极管为负载的硅整流桥并串一电阻代之。如图7-4所示，它的作用与使用双向基准稳压管相

同。如何起了稳定振幅的作用，请同学们自己分析。

图7－3 稳定的文氏桥振荡电路

三、实验电路

实验电路如图7-4（a）、（b）所示。