文氏桥振荡电路(OP07仿真):RC振荡电路研究
在这里使用的OP07的原因是学校提供这个芯片,需要注意的是OP07相应的引脚与别的芯片有所差别,但原理基本一致。
放大器的工作工作原理:
放大信号,刚上电的时,电路会出现频率丰富的微小噪声,放大器将噪声放大
要使振荡稳定,信号不能无休止的放大下去,于是我们引入负反馈,使放大倍数稳定在3倍
选出所需的频率,运用RC带通滤波器(RC低通和高通的组合),即可提取所需的频率
同时RC并联串联网络也是电路的正反馈网络
振荡需要满足以下两个条件:
(1)相位平衡条件:反馈电路的相位与输入电压的相位同相
(2)振幅平衡条件:反馈电压的幅度与输入电压的幅度相等,这是电路维持稳振荡的振幅条件
刚开始的时候放大倍数与反馈系数乘积大于1,信号持续放大,大到一定程度时,放大倍数减小,使得电路放大倍数为与反馈系数的乘积为1,信号稳定输出。
1.负反馈与放大倍数
反馈是将输出信号的全部或一部分返回至输入,使输入信号改变,而负反馈是引起输入信号减小的一种反馈方式。
同向放大器引入负反馈,使得输出信号与输入信号比值稳定,且因为是同向放大器,故
左图为同向放大器示意图
放大倍数A=1+RF/R2
右图为实际电路的原理图
当信号较小时,二极管不导通,放大倍数为A=1+(R4+R5)/R3
当信号较大时,二极管导通,放大倍数为A=1+(R4+r)/R3,r为R5所对应的匹配电阻
由于二极管的导通与关闭,使得放大倍数不断变化,最终稳定在A=3,相当于二极管与R5形成一个对应的匹配电阻
需要注意,R4 < 2*R3, R4+R5 > 2*R3
2.正反馈与选频网络
正反馈:
反馈是将输出信号的全部或一部分返回至输入,使输入信号改变,而正反馈是引起输入信号增大的一种反馈方式。
上图为实际电路的反馈网络,将输出电压的一部分,即C1R2并联网络上面的分压送回输入端,使得净输入量增大。
R2C1 和 R1C2 组成正反馈网络,反馈系数为F=U(R2C1)/ U(R1C2),可等效为阻抗之比(电压与阻抗成正比),F=Z(R2C1)/ Z(R1C2)。
选频网络:
RC滤波器
其中高通滤波器与低通滤波器的区别就在于电容电阻的摆放位置,高通滤波器顾名思义是通过高频信号,阻断低频信号,因此电容放在输入端,低通滤波器的输入端接电阻,这是根据电容通交流阻直流的特性判断的,如果电容足够大,那么我们可以将频率过低的信号近似等效成直流信号,那么他就不会通过高通滤波器的第一个电容。
RC带通滤波器
该电路由高通和低通滤波器组合而成,其中R1=R2,C1=C2,频率为f=1/(2πRC)。
f=1/(2*Π*RC)(R1 = R2,C1 = C2),f=1/(2*Π*R1C2)
电路谐振时,,满足相位平衡
具体原理与计算可以看别的博主写的博客
仿真分析:
刚开始我也是在CSDN上面找大佬的电路,进行复现,但亲手做之后出现了许多问题,下面进行分析
1.起振时间过长
原理图如下
我刚开始做的时候,波形怎么也出不来,也不知道啥原因,结果如下
偶然一次我运行仿真,然后忘记关了,再回过头发现居然出波形了
分析原因,是因为其中的R1过小,导致起振时间太长,再加上计算机仿真计算过慢,显示的1.9s,实际要二十多秒,所以我一直以为我失败了
我们加大R1的阻值后,波形如下
增大R1阻值后,起振时间明显变快 ,大概200多毫秒后可以明显看到电路起振。
原因:当信号较小时,二极管不导通,放大倍数随R1的增大而增大,起振时间变快
2.振荡幅度
电路图我们换回原来的
它的输出波形为
我们观察到其幅值为8.166V,我们改变R4的大小,需注意R4不能过大,R4+R5不宜过小,这里我们调小R4的阻值,改为10KΩ
观察其波形
可以看到其输出幅值明显变小,为1.564V
猜想与解释,在这里我们可将二极管等效为一个电阻,它随的阻值随着压降的增大而减小
当R4上的阻值较大时,那相应的R5和二极管的并联回路的等效电阻较小,即可以看成二极管的阻值变小了很多,压降变大了许多,所以到振荡稳定时所需的时间也相应增加,故输出幅值大
当R4上的阻值较小时,那相应的R5和二极管的并联回路的等效电阻较大,二极管所需的压降不大,所以到振荡稳定时所需的时间较少,故输出信号持续放大的时间较少,故输出幅值较小
3.输出频率
前面原理已经说过了,输出频率和R2C1 、 R1C2有关,f=1/(2πRC)
电阻电容为以下值时
输出波形如下
改变RC的值
得到以下波形
频率明显改变
4.单电源供电
原理图如下
单电源供电时的输入信号如果以地作为参考,实际上也就是以供电电源的一端作为参考。例如这样的反向放大器在输入信号为正电压时,由于输出不可能低于最低供电电压,所以不能正常工作。
这里我们引入一个偏置,即图中6V的VDD(1/2VCC),相当于一个虚拟地,让输入信号以6V电压为基准进行变化,使放大后的信号能在0-VCC之间变化,信号完整输出。
同时我们在输出端在加上一个电容C4,根据电容“隔直通交”的特性,将会滤除直流成分,保留所需的交流信号。
如果不加这个电容的话,示波器负极性端可以连上6V的VDD,使输出波形同上。
输出波形如下
在这里解释下面几点
C3的作用?
C3的作用是让直流时与公共地断开,因为放大器“虚短”的特性,同向输入端电位等于反向输入端,而交流成分和之前分析一样。
为什么R4改为13K?
因为为15K时,交流信号的变化范围超过了放大器允许的输出范围,信号失真。如果不想改R4的值,还可以将VCC变为24V,使得运放的变化范围与双电源的一样。
为什么引入6V的VDD?
这里主要是方便理解,实际电路可用电阻分压的方法,得到1/2VCC(VDD),但是采用这种方式的话还需要考虑所引起的电路参数的变化。下面链接有电阻分压式的讲解
单电源供电还可以看看下面的博主写的
实验总结:
- OP07引脚图和网上大多数放大器引脚映射不一样,实际电路须合理连线。
- 单电源供电需要加入偏置。
- 可以通过改变电阻值,选择合适的,利于观察的输出波形。
- 真就万物皆可等效为电阻啊
以下是本次实验的仿真,欢迎交流讨论
链接:https://pan.baidu.com/s/1XNLcGWp1MXxLm9SWcl9m3g
提取码:ng9s