维恩桥振荡器设计及反馈对输出频率的作用

在电路设计中您可以使用许多振荡器电路来产生干净的AC信号，任意波形或标准波形。这些都是晶体时钟的有用替代方法，晶体时钟可以多次谐波辐射噪声，如果布局不当，甚至可以像中心馈送的贴片天线一样工作。如果您需要一个可以通过直流电源简单打开且不输出高次谐波的振荡器，那么维恩桥振荡器电路就是一个不错的选择。

为什么要使用这种特殊类型的电路而不是其他模拟振荡器电路来产生正弦波？如果设计正确，则可以产生干净的正弦波，总谐波失真非常低。另外，可以通过设置电路中的两个电阻器和/或两个电容器的值来容易地调节输出频率，其中可以通过变容二极管来电子地控制后者。这是创建简单但功能强大的维恩桥振荡器并模拟其行为的方法。

维恩桥振荡器是用于产生正弦波的简单电路。这种简单的电路不会在一个信号和另一个信号之间执行转换以提供稳定的参考输出波形。相反，这是一个独立的振荡器，在正反馈环路上将放大与RC元件合并在一起，以产生输出信号。该电路的工作原理看似简单，并且不明确地依靠共振来产生输出正弦波形。

维恩桥振荡器电路图

下面的电路图显示了由运算放大器构建的典型维恩桥振荡器电路。基本的LM741或LM358运算放大器IC可用于构建维恩桥振荡器。唯一的输入来自电源轨。可以看出，通过串联RC电路向同相输入提供了正反馈，该电路提供高通滤波以消除任何DC偏移。反相输入端还有一个电阻器网络，该电阻器网络提供负反馈以稳定对输入的反馈，从而使输入始终在放大器的线性范围内。

维恩桥振荡器电路图。

此外，只要电路设计中的放大器在线性范围内运行，输出波形就会具有非常低的谐波失真。实际上，两个反馈环路共同作用以将输出稳定在特定的频率和幅度。正反馈环路（RC部分）创建了一个分压器，因此同相输入端的增益小于1。R1和R2的选择应使负反馈环路的增益大于1：

维恩桥振荡器增益条件。

这种情况的原因非常重要，并且与这些振荡器中正反馈和负反馈的作用有关。

反馈对输出频率的作用

维恩桥振荡器的设计与电子学中另一个经常引起人们注意的重要概念有关。这个想法是反馈。在这里，我们不仅指的是在运算放大器中提供增益的机制。我们实际上是在谈论正反馈和负反馈在产生不断增长或衰减的振荡中的作用。正如您在上面看到的，维恩桥振荡器的唯一输入是来自电源轨的电源电压。那么是什么导致输出振荡开始呢？

这可以回溯到电子电路设计中总会有一些噪声的事实。如果噪声通过具有增益的正反馈环路传播，则与反馈相反的力会减弱，并且随着信号放大，信号将开始以更快的速度增长。对于具有增益的负反馈环路，在反馈环路上传播的信号将增长，但是信号增长的速率会降低。

这应该说明正反馈环路在维恩桥振荡器中的作用。运算放大器电路中的热噪声会产生输出信号，该信号会沿正反馈环路放大，并最终增长为强信号。这可以通过负反馈环路上的增益来补偿，因此我们具有上面定义的条件。

最后，上面所示的RC电路的两个支路需要确保只有单个频率会收到高增益并从振荡器输出。对于上图，此频率恰好是正反馈环路上RC滤波器分频器的截止频率：

维恩桥振荡器的输出频率。

正好是正反馈环路中RC支脚相对于同相输入以零相移振荡的频率。结果，运算放大器上的差分输入会抑制振荡器输出的进一步增长，从而产生稳定的正弦波。

Wien桥振荡器的仿真

Wien桥振荡器的仿真需要考虑以下几点：

确认放大器在线性范围内运行。

输出频率应遵循上面所示的公式。

进入反相和同相输入的电压环路应同相。

由于这些特征是在时域中定义的，因此您需要使用瞬态分析。您还可以为运放创建等效的线性模型，以在频域中使用，为电路设计提供传递函数。应在频域中检查正反馈环路中的RC支路，以验证哪个频率相对于同相输入两端的电压将经历零相移。
编辑：hfy