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技術(shù)專題
電路設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生正弦波的振蕩器
在電路設(shè)計(jì)中您可以使用許多振蕩器電路來(lái)產(chǎn)生干凈的AC信號(hào)，任意波形或標(biāo)準(zhǔn)波形。這些都是晶體時(shí)鐘的有用替代方法，晶體時(shí)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(gè)可以通過(guò)直流電源簡(jiǎn)單打開(kāi)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(gè)不錯(cuò)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(lái)產(chǎn)生正弦波？如果設(shè)計(jì)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(guò)設(shè)置電路中的兩個(gè)電阻器和/或兩個(gè)電容器的值來(lái)容易地調(diào)節(jié)輸出頻率，其中可以通過(guò)變?nèi)荻O管來(lái)電子地控制后者。這是創(chuàng)建簡(jiǎn)單但功能強(qiáng)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(jiǎn)單電路。這種簡(jiǎn)單的電路不會(huì)在一個(gè)信號(hào)和另一個(gè)信號(hào)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(gè)獨(dú)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(hào)。該電路的工作原理看似簡(jiǎn)單，并且不明確地依靠共振來(lái)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(yùn)算放大器構(gòu)建的典型維恩橋振蕩器電路?；镜?span>LM741或LM358運(yùn)算放大器IC可用于構(gòu)建維恩橋振蕩器。唯一的輸入來(lái)自電源軌?？梢钥闯?，通過(guò)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(gè)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(duì)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(jì)中的放大器在線性范圍內(nèi)運(yùn)行，輸出波形就會(huì)具有非常低的諧波失真。實(shí)際上，兩個(gè)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(gè)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(duì)輸出頻率的作用
維恩橋振蕩器的設(shè)計(jì)與電子學(xué)中另一個(gè)經(jīng)常引起人們注意的重要概念有關(guān)。這個(gè)想法是反饋。在這里，我們不僅指的是在運(yùn)算放大器中提供增益的機(jī)制。我們實(shí)際上是在談?wù)撜答伜拓?fù)反饋在產(chǎn)生不斷增長(zhǎng)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(lái)自電源軌的電源電壓。那么是什么導(dǎo)致輸出振蕩開(kāi)始呢？
這可以回溯到電子電路設(shè)計(jì)中總會(huì)有一些噪聲的事實(shí)。如果噪聲通過(guò)具有增益的正反饋環(huán)路傳播，則與反饋相反的力會(huì)減弱，并且隨著信號(hào)放大，信號(hào)將開(kāi)始以更快的速度增長(zhǎng)。對(duì)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(hào)將增長(zhǎng)，但是信號(hào)增長(zhǎng)的速率會(huì)降低。
這應(yīng)該說(shuō)明正反饋環(huán)路在維恩橋振蕩器中的作用。運(yùn)算放大器電路中的熱噪聲會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)，該信號(hào)會(huì)沿正反饋環(huán)路放大，并最終增長(zhǎng)為強(qiáng)信號(hào)。這可以通過(guò)負(fù)反饋環(huán)路上的增益來(lái)補(bǔ)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(gè)支路需要確保只有單個(gè)頻率會(huì)收到高增益并從振蕩器輸出。對(duì)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(duì)于同相輸入以零相移振蕩的頻率。結(jié)果，運(yùn)算放大器上的差分輸入會(huì)抑制振蕩器輸出的進(jìn)一步增長(zhǎng)，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(diǎn)：
確認(rèn)放大器在線性范圍內(nèi)運(yùn)行。
輸出頻率應(yīng)遵循上面所示的公式。
進(jìn)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(shí)域中定義的，因此您需要使用瞬態(tài)分析。您還可以為運(yùn)放創(chuàng)建等效的線性模型，以在頻域中使用，為電路設(shè)計(jì)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(yàn)證哪個(gè)頻率相對(duì)于同相輸入兩端的電壓將經(jīng)歷零相移。