精彩分享丨关于实用RC型正弦波发生器,这样讲你就明白了

RC型正弦波发生器可利用电阻、电容组成选频网络,因此其频率稳定度依赖于电阻和电容的稳定性,其振荡频率也容易随温度而变化。且由于它受电阻电容取值影响,一般工作于中低频段。但制作它比较容易,起振容易,失真度也较小。

如下图1,该电路为一个理想的RC型正弦波发生器的振荡原理电路,它不能工作,只用于描述振荡工作的原理。此电路由图中的选频网络(浅绿色区域),放大环节(运放和两个电阻)组成。选频网络是两个电容、两个电阻,称为文氏电桥(Wien-Bridge)。

图1. 文氏电桥自激振荡电路原理    

图2. 文氏电桥自激振荡电路的稳幅

其中,选频网络的增益表达式为:

确定R和C,则 仅有时,Au1的模具有最大值,为1/3,且此时,相移为0°。图3是R=1591.55Ω,C=1μF时得到的幅频和相频特性曲线。

 

图3. 文氏电桥的幅频和相频特性曲线

如果放大电路的增益为3倍,则环路增益的峰值刚好为1,发生在频率为文氏电桥的特征频率处:

  

因此图1电路可以实现在f0处发生自激振荡,但是它的环路增益是1,不能对很小的噪声实施逐渐放大,因此它不能正常工作。

为此,一般需要将放大环节的增益设置为稍大于3倍,并且给它增加稳幅电路,如图2。当输出信号幅度较小时,两个并联二极管均不导通,放大电路的增益为3.222倍,使得环路增益为1.074倍,即便很小的噪声,经过多次的1.074倍增益后也会变得很大。当输出信号幅度超过一定值,必然会使得二极管导通,此时反馈电阻将是10kΩ和85kΩ的并联值,为8.947kΩ,这导致放大电路增益变为1+8.947/4.5=2.988倍,环路增益变为0.996倍,这会迫使信号越来越小——小到一定值,又会使得二极管断开,恢复1.074倍的环路增益。

显然,二极管的导通和断开并不是简单的“是”或者“否”,并且即便导通,它也具备导通电阻。因此最终的结果一定是:在某个输出幅度下,二极管的导通电阻+85kΩ,与10kΩ的并联,一定会使环路增益恰好等于1,并将一直维持这个输出幅度不变。

图4. 一个实用RC型正弦波发生器

如上图4是一个基于文氏电桥的正弦波发生器,它可以精确控制输出信号幅度。图中R5和T1的并联是决定放大环节增益的,当T1的门极电压越低,其工作点越靠近截止区(夹断),等效电阻越大。而控制T1门极电压的,是U2组成的积分器电路。

积分器U2的正输入端为V3减去二极管导通压降,在图中约为1.3V。当输出信号VF1幅度很小时——刚起振阶段,U2的负输入端因为虚短,也是1.3V,输出信号没有能力打通二极管D1,因此电容C3无法获得充电,此时U2的输出端约为1.3V,加载到T1的门极,这是一个JFET,它将处于极度的导通状态,动态电阻很小,它和R5并联将得到一个很小的电阻,使得U1组成的放大电路具有大约为1+5.6kΩ/2.4kΩ=3.333倍的增益,这将使得整个环路增益为3.333/3=1.111倍,大于1,会使得输出信号幅度不断增加。

直到,输出信号幅度超过V3的值,即超过2V,VF1信号将有能力打通二极管D1,在输出信号正峰值处,一次又一次地,给电容C3充电,迫使U2的输出一点点下降,由1.3V向0V,甚至负值变化,这将引起T1的动态电阻不断增大,与R5的并联总会达到400Ω。此时,放大电路的增益变为1+5.6kΩ/(2.4kΩ+400Ω)=3倍,使得环路增益为1,输出信号的幅度就不再增加了——稳幅成功。

因此,在一定范围内改变V3的电压值,就可以控制输出幅度约为V3。很显然,此电路中R5取值不得小于400Ω,否则无论怎样控制,环路增益都将大于1,输出信号将永无休止增加,直到达到电源电压产生变形。当然,这是理论分析,实际情况中如果R5小于400Ω,输出波形上升到一定程度后,会在还没有到达电源电压时就发生较为明显的变形。

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[edited by: ternence at 9:49 AM (GMT 0) on 3 Jan 2020]