基于运算放大器的文氏振荡器的设计与制作

【摘 要】无论是从数学意义上还是从实际的意义上，正弦波都是最基本的波形之一――在数学上，任何其他波形都可以表示为基本正弦波的傅里叶组合；从实际意义上来讲，它作为测试信号、参考信号以及载波信号而被广泛的应用。在运算放大电路中，最适于发生正弦波的是文氏电桥振荡器和正交振荡器。本文中介绍了一种基于运算放大器的文氏电桥正弦波发生器。经测试，该发生器能产生频率为100-1000Hz的正弦波，且能在较小的误差范围内将振幅限制在2.5V以内

【关键词】正弦波；文氏电桥振荡器

一、文氏振荡器基本电路

基本文氏电桥反馈型振荡电路如图1所示，它由放大器即运算放大器与具有频率选择性的反馈网络构成，施加正反馈就产生振荡。运算放大器施加负反馈就为放大电路的工作方式，施加正反馈就为振荡电路的工作方式。图中电路既应用了经由R3和R4的负反馈，也应用了经由串并联RC网络的正反馈。电路的特取决于是正反馈还是负反馈占优势。

图1

在这里为了简化我们假设运算放大器是理想的。令，R1=R2，C1=C2。放大电路的反馈回路网络采用R和C串并联回路，具有频率选择性，由R3和R4设定放大电路的增益。

二、参数设计及计算

1、参数设计

为了能使文氏电桥振荡电路能产生振荡，非常重要的是正反馈的作用是输出不饱和，为此，在负反馈侧接入限幅和自动增益控制电路。最简单的就是接入二极管。

图2

如图2所示电路，应用了一个简单的二极管-电阻器网络来控制R3的有效值。信号较小时R5不起作用。从而有：

R2/R1>2，

也就是说此事振荡在积累。当振荡不断地增长，这两个二极管以交替半周导通的方式逐渐进入导通状态。在二极管充分导通的限制下， R2会变小使R2/R12。然而，在此极限值到达之前，振幅会自动地稳定在二极管导通的某个中间电平上，正好满足R2/R1=2。

上述电路的一个缺点是输出电压对二极管的正向压降非常灵敏。

对电路进行改进，采用发光二极管，这里不是利用其发光性质，而是利用其正向电压与稳定的温度特性，正向电压比通常的硅二极管大，而且，温度特性比二级管串联稳定得多。电路图设计如图3。

图3

由于该电路是采用单电源工作，因此，运算放大器的输出含有（1/2）VCC的直流。C5就是隔断该直流成分的电容。

2、参数计算

先讨论振荡频率为1kHz时常数与元器件的选择。

首先，由于运算放大器为单电源工作，偏置电阻是使运算放大器同向输入端的电平为Vcc/2，其电阻分压，不管为何阻值，这里设为15 kΩ。于是，该值的1/2即为7.5kΩ。R=7.5 kΩ时计算电容C的值，即

C=1/2πf0R=1/6.28*103*7.5*103=0.0212μF

这个非常接近E6系列的值0.022μF。电容不是一种，这样振荡频率f0就会有些偏移，但频率正好为1kHz时，7.5kΩ电阻R采用6.8kΩ固定电阻加1kΩ半固定电阻即可。

对于标准的文氏电桥振荡电路，RC网络损耗达到1/3，若运算放大器的增益A不到3以上，则不能开始振荡。因此，增益设定电阻R4和R2的关系是：R2≥2R4

若R4=1kΩ，则R2要为2 kΩ以上。有标准E12系列可知，最近值是R2=2.2 kΩ。然而，若按照原样，则振荡输出饱和达到运算放大器的最大输出振幅，因此，用发光二极管（LED）与电阻进行限幅。

与LED串联的电阻也与电阻R2的阻值有关，考虑到LED正向电压的分散性，采用可调电阻（2.7 kΩ固定电阻+5 kΩ可调电阻）。用于补偿可变幅度较大的分散性及调整波形的失真。

振荡频率f0时隔直电容C1的容抗（1/ωC）足够小。这里（1/5）f0以下的频率作为截止频率fc。经计算输出1kHz信号时C1取1μF，又实际要求为100Hz-1000Hz，则取C1=10μF。

图4

要使输出在100Hz到1kHz范围内则R要在7.5kΩ到75kΩ之间可变，在原电路图中加入可变电阻即可。

在电路图中，运算放大器使用μA741，运算放大器的种类没有特别的要求。

由以上分析可得最后设计电路，如图4所示。

三、电路仿真和制板

在Multisim中按照图4搭建电路，经Multisim仿真后由示波器得到的波形如图5所示。

可以看出，所设计的正弦波发生器在较小的误差范围内符合参数要求，可以产生符合要求的正弦波形。我们可以使用Protel等软件画出PCB图再使用电路板雕刻机就可以制作出本设计电路的印制电路板。

图5

四、结论

通过本设计的制作我们发现：文氏电桥振荡器线路比较简单，不仅振荡较稳定，波形良好，而且振荡频率在较宽的范围内能方便地连续调节。

参考文献：

[1]何希才.《振荡电路的设计与应用》.科学出版社； 第1版 （2004年9月1日）

[2]金玉善、曹应晖、申春.《模拟电子技术基础》.中国铁道出版社

[3]陈振源.《电子技术基础》.高等教育出版社