基于Multisim的RC正弦波振荡器设计

基于Multisim的RC正弦波振荡器设计

晏雨晴

安徽理工大学  安徽省淮南市  232001

摘要:能将直流电源产生的能量自动转换成某一特定的频率、幅度、波形的交流信号，且是在没有外界激励信号的作用下产生的电路就称为振荡器。使正弦波的波形频率趋于某值不再变动、振幅在一定数值上不再改变就是正弦波振荡器的作用。本设计对RC正弦波振荡器进行仿真运用的是电路仿真软件Multisim14，得到RC正弦波振荡电路的振荡周期、振荡波形和稳幅环节。为了能对RC正弦波振荡电路进行深刻的理解，本文通过分析图像和数据的综合分析，即比较容易的设计出RC正弦波振荡器。

关键词：Multisim14,RC正弦波振荡器,仿真,设计

1引言

电路理论是一门工程学，研究电路的基本定律和计算方法[1]。 它包括电路分析，电路综合和设计。 电路分析的使命是根据已知的电路布局和组件参数办理电路特征。电路综合和设计是基于提出的电路性能要求，设计适当的电路结构和参数，以达到所需的电路性能[2]。 本文主要介绍利用Multisim14仿真软件进行RC正弦振荡电路分析的基本规律和计算方法。

RC正弦波振荡器电路由选频网络、反馈网络、稳幅环节和放大电路等几部分构成[3]。其中，反馈网络与放大电路一起组成了正反馈系统，即满足环路增益AF=1;由电容和电阻元件配合构成的选频网络，可以实现频率单一的正弦波振荡;稳幅环节可以在过程使用放大元件的非线性特性让振荡波形的振幅不变。负反馈放大电路的自激振荡的条件是AF=-1[2]，由于在放大电路中，为了提高电路增益的稳定性、扩展通频带、减小非线性失真等，故而将负反馈引入，但在振荡电路中，其是为了产生一个正弦波振荡为目的的，所以我们要有意识的将负反馈接成正反馈。因为正反馈电路能确保提供给振荡器输入端的反馈信号处于同一相位，这样才能使电路持续振荡。选频网络则只有容许某一特定的频率f0通过，才能使振荡器产生的频率为单一的输出。

在RC正弦波振荡电路的设计中，传统的办法不能准确地分析出振荡频率的大小、起振和幅值等，可以应用Multisim14软件进行灵活灵便的仿真分析，所以，振荡器会广泛应用在各种电设备和研究设备中。

2 对Multisim软件介绍及对RC振荡电路进行研究的目的

2.1 Multisim软件介绍

计算机辅助设计软件随着计算机等的飞速发展应运而生，Multisim14仿真软件已经在电子设计领域得到广泛应用。目前发达国家电子产品的手工设计基本上不存在了，Multisim14为用户提供了一个完整的设计实验环境[4]。其特点如下：

1、电路的设计与实验能够同步实现。

2、组件和仪器靠近实际情况，仿真方式切实可行。

3、方便测试和分析电路参数。

4、可将测验的数据、器件的参数、曲线与电路原理图直接打印。

5、测验中没有消耗任何实际的成分，并且实验所需成分的类型和数量是无限的，因此实验成本低，且测试速度快，效率高。

6、成功设计测试的电路可以直接用于产品中。

2.2 RC振荡电路进行研究的目的

RC振荡电路是振荡电路的重要组成部分[3]。这是由于它采用了电阻、电容元器件作为选频网络，且制作方便，用处十分普遍。随着科学研究试验和生产技术的发展，对这种振荡电路提出了更高性能的要求。例如，在遥控系统中，如果需要有较多控制的内容的系统中，就需要把编码器的频率稳定性相应地提高。低频振荡器是许多电子测量设备中的一个重要组成部分，因此，研究此基本电路，设计出装置简单、性能更加良好的RC振荡电路是有重要意义的。为了更好的阐明实验现象，此设计运用Multisim软件进行仿真，获取仿真中电路输出的波形图，经过对数据及图像的综合剖析,加深对RC振荡电路的理解，从而设计出RC正弦波振荡器。

3 RC振荡电路的简介

正弦波振荡电路是一种经过电路的自激振荡产生正弦波输出而无需人工外部输入信号的电路。振荡器在电子系统中与电源一样宽泛存在，有人把它看作与电源一样重要，从钟表到电视机等需要定时信号的各种应用，在不同的应用中所需的结构和性能参数也有很大的不同。按照有差别的频率选择网络，正弦波振荡器能够分为RC振荡器和LC振荡器。RC振荡电路主要用于产生小于1MHz的低频信号，而LC振荡电路主要用于产生大于1MHz的高频信号[5]。RC振荡器普遍用于布局简略、精度低和振荡频率稳定的电路中。

4 RC正弦波振荡电路的基本原理

在正弦波振荡电路中，反馈信号可以取代输入信号，即必需在电路中引入正反馈；其次，必要别的添加的选频网络来确定振荡频率。正弦波振荡的平衡条件为：AF=1，F为反馈系数。为了使电路能够顺利起振，还应该使环路增益AF略大于1，写成模与相角的形式[5]：

|AF|=1   ΨA+ΨF=2nπ(n为整数）

图1是RC文氏桥式正弦波振荡电路，电路中的RC串并联网络即作为选频网络又作为正反馈网络，而放大电路则是由运算放大器组成的同相比例电路。

图1 RC文氏桥式正弦波振荡电路原理电路图

文氏桥式正弦波振荡电路在正常工作时，放大电路的放大倍数A=3，正反馈网络反馈系数F=1/3，要使电路能够起振，放大电路的放大倍数必须略大于3，如果太大，尽管电路容易起振，但是输出波形会出现严重失真。在图1电路中，基本放大电路是同相比例电路，放大倍数为： 

要使A略大于3，则Rf2要比2R1值大。

电路RC串并联网络中的R=R1=R2，C=C1=C2,电路振荡频率为: 

5 Multisim14操作步骤

（1）成立图1所示的正弦波振荡电路。集成运放采用741,R=R1=R2=10K,C=C1=C2=0.1uF，R3=2K,Rf1=7.2K,Rf2=2.2K。

（2）打开仿真软件开关，用示波器查看正弦波振荡电路起振及振荡进程，测量正弦波周期和频率，并与计算的理论值相对比。

6 RC正弦波振荡电路仿真分析

6.1 RC桥式正弦波振荡器电路的选频特性

在图1中，去掉导线ab和cd，从振荡电路中将选频网络抽离出，通过点b将正弦信号输入选频网络，分析RC文氏桥式正弦波振荡电路的选频网络的频率特性，再对结果做出分析[3]。由幅频特性曲线指针处读取的特征频率f0=110.21Hz，计算的理论的值为：

仿真与计算的理论值基本吻合。

参数扫描也可以用来阐明振荡频率。若同时把选频网络的电阻R1和R2(或电容C1和C2）改动，则振荡输出的频率将会改变。

6.2 起振过程分析

根据起振条件|AF|>1，选频网络的反馈系数F=1/3，只需一个负反馈放大器的放大倍率A大于3，即Rf1的接入电阻值与Rf2的和略大于R3的两倍，就能产生正弦波振荡，振荡频率由RC选频网络确定，打开模拟开关后，可以从示波器上看到，文氏电桥正弦波振荡电路的输出波形从小到大增加，通过一段时间后逐步构成不易变动的振荡波形，如图2所示。

在图1中，二极管D1和D2连接在Rf1路径上，通过二极管微变电阻与导通电流量变化的特性改变了负反馈的深度，例如，当输出幅值增大时，流过二极管的电流增大，二极管的等效微变电阻减小，电路的负反馈增大，从而减小输出幅值。二极管D1和D2是使输出电压波形完整、输出幅值稳定，起振时，由于集成运放输出电压较低，D1、D2类似于开路，R3、D1，D2并联电路的等效电阻的值约为R3，AF>1时电路振荡，随着集成运放输出电压的增大，当标号3上的分压超过二极管的正向电压时，通过标号3的电流被分流，负反馈回路的反馈系数增大，使|AF|开始等于1，最终电路进入稳定工作状态。

图2 RC振荡电路起振波形图

6.3 振荡波形分析

仿真电路如图1所示，改变Rp电阻值后，起振时间明显缩短，这是由于放大系数的增加， 可是输出波形发生了严重的失真。 打开模拟开关，双击示波器察看文氏电桥振荡器产生的正弦波，测试结果如图3所示。若R3是具备正温度系数的热敏电阻。起振前其阻值较小，可使电路的放大倍数Af=1+R4/R3>3。当起振后，流过R3的电流增大，R3的温度升高阻值跟着增加，负反馈也增大，即进一步对输出的幅度抑制。

图3 RC振荡电路稳定波形图

6.4 起振周期测量

   调整示波器面板参数，将示波器水平灵敏度选择为10ms/p，拖动垂直坐标线1和2至如图4所示，可在面板上读得2T=12.642ms，因此这个电路振荡周期T=6.321ms，与理论测量误差值T=2πRC=6.28ms基本统一。

图4 RC振荡电路周期测试图

7 总结

经由电路仿真软件Multisim14，实现了对RC正弦波振荡器的仿真钻研进行了虚拟化。从以上对RC频率选择性网络特性的分析和RC振荡电路仿真分析可以看出，虚拟仿真与计算结果大致是一致的。该理论不仅与实际情况密切相关，而且与实际工程也十分的接近。通过以上仿真与虚拟实验，将原来的抽象问题进行了三维化，并且能清楚地看到，RC正弦波振荡器的幅值条件可以决定放大器的增益。虽然正弦波可以由一个没有振幅不变功能的电路而取得，但它不能保持持久不变，其在现实中的使用也不理想。幅度稳定功能电路被应用在负反馈电路中，不但振动结果明显，并且波形失真结果不容易发生，振荡频率也是不容易改变的。经对分析RC频率选择网络的特点和RC振荡电路的仿真分析，在振幅稳定电路中，可以看到，原来的抽象问题已经变得更加立体和灵活。

参考文献：

[1]李翰逊.电路分析基础[D], 北京: 高等教育出版社, 1999
[2] 华成英. 模拟电子技术基础[D], 北京: 高等教育出版社, 2006

[3] 黄智伟.基于Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析[J], 北京：电子工业出版社, 2018

[4] 马敬敏.基于Multisim 10的RC桥式正弦波振荡电路仿真分析[J].渤海大学学报(自然科学版),2012

[5] 胡伟.基于Multisim的RC文式电桥振荡电路虚拟仿真实验[J].实验室研究与探索,2011