实验七 文氏桥正弦振荡器

实验七 文氏桥正弦振荡器
一、 实验目的
1．掌握振荡条件和稳幅措施。

2．研究文氏桥网络的选频特性和传输特性。

3. 学习文氏桥振荡器的调试与测试技术。

二、 实验原理
1. 振荡器的振荡条件
振荡过程是一个正反馈过程，振荡常常是一个微扰引起的，如果这个微扰经过反馈，弱于原输入的讯号，循环一次减弱一次，直至消亡，即为负反馈或环增益小于1, 无法起振。

如果经过反馈后的信号强于原来的输入讯号，循环一次增强一次，振幅越来越大，直至晶体管的非线性或外部稳幅系统限制了它的振幅为止。

我们把这个放大与反馈的过程表达为
∙
∙
F
A ，即称为环路增益，简称环增益。

电压放大倍数∙A 与反馈系数∙
F
都是复数：
A
F
j j e
A A e
F F φφ∙
∙
∙
∙
==
7-1
∙∙F A =)
(F A j e
F A φφ+∙
∙
7-2
令
A
A =∙
， F F =∙
，因此
起振条件有两个：
振幅条件： 1>AF (6-3) 相位条件：2 n=0,1,2A F n φφπ+= (6-4)
起振以后，振幅逐渐增大，但由于晶体管的非线性或稳幅系统起控，A 逐渐变小，达到一个平衡状态，此时1=AF ，所以振荡器的振幅平衡条件为：
1=AF
(6-5)
A 与F 都是频率的函数，在某个频率上，这两个条件都满足了，这个频率便是振荡器的
振荡频率。

2. 文氏桥正弦振荡器
文氏桥振荡器是低频振荡器中最常见的一种电路。

它使用的元件只需电阻、电容，而不需要难于制作的电感元件，且波形比较好，故得到广泛应用。

文氏桥原是电学中的交流电桥，用来测量电容的容量，以及交流电频率的电桥。

原名是维恩电桥（Wien Bridge ），我国简称为文氏桥。

这个电桥的电路如图7-1（a ）所示
图7-1 文氏电桥
如果电桥的R 1＝R 2＝R ，C 1＝C 2＝C ，R 4＝2R 3，那么从A 、C 两端输入一个频率为：12f R C
π=的正弦波电压，B 、D 两端的电压便为零。

我们可以将这个桥路分解为图7-1（b ）与7-1（c ）两个网络。

网络（b ）具有以下的传输函数F b (j ω)：
)
1
(11
)(2
1121
22
1R C R C j C C R R V V j F F i
o
b c ϖϖϖ-
+++=
=
=∙
∙
∙
(6-6)
上式仅在2112
1
0C R C R ωω-
=时，F(j ω)才能成为实数，此时的ω0为：
021012
1
C R C R ωω=
有
2
01212
1
C C R R ω=
(6-7)
如果选R 1＝R 2＝R ，C 1＝C 2＝C ，（6-7）式可以简化为：
01R C
ω=
或RC f π210=
(6-8)
此时的F b 为极大值： 3
1)(==o b bm F F ϖ (6-9)
由于虚部为零，故此时的相位为
2π
Φ= (6-10)
注意：（6-8）与（6-9）仅在网络（b ）负载为 ∞ 时才成立。

如果这个条件不满足，将略有偏离。

而网络（c ）则具有以下的传输函数F c ：
c i
c F R R R V V F =+=
=
∙
∙
∙
4
330
(6-11)
集成运放有两个输入端可以分别进行正反馈与负反馈，网络（b ）是决定振荡器频率的网络，它在1R C
ω=
时相移πφ2=F ，适宜于在同相输入端作正反馈网络，但是从网络的输入到
输出，信号衰减为1/3，如果不从放大器得到补充，就产生不了振荡，放大器应大于3倍的电压增益，而且在正好3倍的时候，满足了振荡器的振幅平衡条件。

根据运放同相放大器增益公式： 1
1R R A F vf +
=。

假如用网络（c ）的R 4作为R f ，而R 3作为R 1，因此要求：
3113
43
4
3=+
=+==
R R R R R F A c
即
43
2R R =
(6-12)
所以如果选432R R =，便能满足稳定振荡的条件。

于是文氏桥振荡器接成图7-2的形式。

图7－2 文氏桥振荡电路
为了方便调试我们将R 3换成一个可变电阻，接好电路以后，调节R 3，发现34/2R R >时，输出为零，不起振。

而当34/2R R <时，波形严重失真。

34/2R R =时，可以出现很好的正弦波，但是很不稳定，稍有一些干扰，波形就失真了。

为了克服这种不稳定现象，我们希望起
振时AF>1,而当幅度达到一定时振荡器能自动调整增益使AF=1以满足振幅平衡条件。

故可在R4两边并联一个双向基准稳压管(±6V)和一个电阻的串联支路，以稳定输出幅度。

如图7-3所示。

由于目前市场上不易买到这种双向基准稳压管(2DW7C)，故可由以稳压二极管为负载的硅整流桥并串一电阻代之。

如图7-4所示，它的作用与使用双向基准稳压管相
同。

如何起了稳定振幅的作用，请同学们自己分析。

图7－3 稳定的文氏桥振荡电路
三、实验电路
实验电路如图7-4（a）、（b）所示。

（a）文氏桥选频网络
（b）文氏桥振荡器实验电路
图7-4文氏桥振荡器实验电路
四、实验内容
1.测量文氏桥选频网络的衰减比F b
按图7-4(a)插接电路；输入100mV信号，用示波器X,Y输入通道监测输入和输出信号，改变输入信号频率。

当V i、V o相位差为0时，说明在此频率(ω0=2 f0)下电路发生谐振。

用mV表测量V i、V0，计算网络的衰减比F bm=V o/V i(此时F bm≈1/3)。

将数据填入表7-1。

表7-1文氏桥选频网络衰减比的测量数据
2.测量振荡器输出正弦波的频率和最大峰峰值（输出不失真条件下）
按图2插接电路；调节R P(10K多圈电位器)，使电路起振；进一步调节R P，使输出振幅最大且不失真，用示波器和交流mV表两种方法测量V oP-P；并用三种方法（数字频率计法、示波器测周期法、李萨茹图法）测量文氏桥振荡器输出的正弦波频率f0；记录测量数据，并将其填入表7-2中。

表7-2文氏桥振荡器指标测试数据表
五、思考题
1.试比较选频网络的谐振频率f0（表7-1中）和文氏桥振荡器实测频率f0(表7-2中)的大小,并解释原因。

注意：回答思考题1（因没有讲到略），下次做实验十二。