文氏电桥正弦波振荡电路1
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文氏电桥正弦波振荡电路
(2007.4.27总结)
一、振荡原理
如上图所示,信号Xi经过一个放大环节A放大后得到放大信号Xo=A*Xi。
如果在上图中加一个反馈环节,如下图所示:
Xo经过反馈环节F后得到反馈信号Xf=A*F*Xi。当反馈信号Xf与输入信号Xi 幅值和相位都相同时,即以Xf作为输入Xi,则可以在输出端维持原有的信号Xo,也就是自激。所以,要使得上图中的系统平衡,则应有A*F=1。
即|A*F|=1(幅度平衡条件)
且Ψa+Ψf=2*n*PI (n为整数)Ψa和Ψf分别为A、F的幅角,此式说明反馈环节F是一个正反馈。
A*F=1是振荡平衡的条件,也就是可维持等幅振荡输出;如果A*F<1,则电路的振荡输出将越来越小,直到停止振荡;如果A*F>1,振荡电路的输出将越来越大,直到电路中器件达到饱和或者截止。所以电路维持等幅振荡的唯一条件是A*F=1。
二、振荡的建立和稳定
前面讨论的自激振荡条件,是假设先给振荡电路的放大环节有一个外加的输入信号。但实际振荡电路一般不会外加激励信号。
对于一个正弦波振荡器来说,有一个选频网络,所以振荡电路只可能在某一个频率f0下满足相位平衡的条件(在后面的内容中将会对此做详细的叙述)。放大电路中存在噪声或干扰(例如接通直流电源时电路中就会产生电压或者电流的瞬变过程),它的频谱范围很广,必然包括振荡频率的分量。这些噪声和干扰经过选频网络选频后,只有f0这一频率分量满足相位平衡条件,只要此时A*F>1则可以增幅振荡,将此信号放大,建立起振荡。而除了f0之外的其他频率的分量则衰减。
所以电路起振的条件为A*F>1且Ψa+Ψf=2*n*PI(n为整数)。除了要求电路的相位满足条件之外还要满足|A*F|>1。
从A*F>1到A*F=1:接通电源后,频率为f0的分量将逐渐增大,当幅值达到一定程度后,放大环节的非线性期间就会接近甚至进入非线性工作区(饱和区或者截止区),这时候放大增益A将逐渐下降,输出波形产生失真,所以经过选频网络后其输入也将随之下降。形成失真振荡。所以为了避免失真振荡,应尽量避免放大器件进入非线性工作区。解决办法是在放大器件在没有进入非线性工作期前加稳幅环节,使A*F从大于1逐渐减小到1,从而达到稳幅振荡的目的。
三、文氏电桥振荡电路
1.选频网络
RC串联臂的阻抗用Z1表示,RC并联臂的阻抗用Z2表示。
在设计过程中为了使频率可调,可以先选定电容C,再根据所要得到的频率范围选择电位器代替R。
当 f = f0 时的反馈系数|F|=1/3 ,且与频率f0 的变化无关。此时的相角 F=0 °。即改变频率不影响反馈系数和相角,在调节谐振频率的过程中,不会停振,也不会使输出幅度改变。
反馈网络为正反馈,满足相位平衡条件。
2.放大环节
由起振条件|A*F|>=1。
所以放大环节的放大倍数A>=3。即 Af=1+(R3/R4)>=3 3.稳幅过程
(1).用热敏电阻稳幅。
RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的。R4是正温度系数热敏电阻,当输出电压升高,R4上所加的电压升高,即温度升高,R4的阻值增加,负反馈增强,输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数,应放置在R3的位置。热敏电阻稳幅可以得到失真较小的波形,但是受环境温度影响较大,输出幅值随温度改变而改变。
(2).反并联二极管稳幅。
利用二极管的非线性自动调节负反馈的强弱来控制输出电压的恒定。振荡过程中D1、D2将交替导通和截止,总有一个处于正向导通状态的二极管与R3并联,由于二极管正向电阻rd随ud增大而下降,因此负反馈随振幅上升而增强,也就是说A随振幅增大而下降,直到满足振幅平衡条件为止。二极管稳幅电路简单又经济,但波形失真较大,适用于要求不高的场合。