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摘要：針對文氏電橋硬件電路實驗可觀測性不強、參數調整不靈活等問題，設計一種基于multisim的文氏電橋振蕩電路實驗。利用Multisim對文氏電橋進行電路設計與仿真，動態再現文氏電橋振蕩電路的工作過程，實現對電路起振、平衡過程、選頻特性等電路機制的實驗觀測與驗證，彌補硬件電路的不足，提高實驗教學效果。
關鍵詞：文氏電橋；Multisim；實驗教學；仿真
正弦波是一種基礎波形信號，在測試測量、自動控制、無線通訊等諸多領域有著廣泛應用。文氏電橋振蕩電路是一種無需外部激勵，利用RC串并聯機制實現振蕩產生1Hz～1MHz頻率的正弦波電路，是模擬電子技術課程的一個重要知識點［1－2］。文氏電橋雖然不復雜，但涉及電路正負反饋、放大、穩幅等多個概念，比較抽象。一般的模擬電子技術實驗箱配備專門的文氏電橋振蕩器模塊，但大部分硬件固化，調節不夠靈活，實驗可觀測性不強，實驗教學效果不太理想。通過Multisim軟件來開發文氏電橋振蕩電路的仿真實驗，利用Multisim的仿真分析能力來加強實驗教學手段［3－5］，幫助學生加深對抽象理論的理解和掌握。
1文氏電橋振蕩電路結構及工作原理
文氏電橋振蕩電路如圖1所示［6］。運算放大器A和電阻R1、Rf構成同相比例放大電路，RC串并聯網絡構成的正反饋支路作為選頻網絡，輸出端信號電壓Uo。經選頻網絡反饋送入運放同相輸入端信號電壓為Uf，如果再通過比例放大電路后的輸出信號電壓仍然保持為Uo，那么電路就處于一種穩定的自激振蕩狀態，輸出穩定的振蕩信號。由于初始狀態時電路并沒有外加輸入信號，也沒有穩定的輸出信號，要達到上述狀態，需要滿足以下幾個條件。（1）自激起振初始狀態下，電路中存在微弱的噪聲，經正反饋支路（反饋系數為F）送回運放同相輸入端，再經過比例放大電路（放大系數為A）輸出，只有當｜AF｜＞1時，才能夠使振蕩電路自行建立振蕩，即起振條件：｜AF｜＞1（1）（2）形成特定頻率正弦波起振之后，如果只是輸出放大噪聲就失去了意義，怎樣才能輸出特定頻率的正弦波信號呢？這就需要一個選頻網絡，文氏電橋的RC串并聯網絡既是正反饋支路，同時也是一個選頻網絡，該網絡的諧振頻率為：f0＝1／（2πRC）（2）當信號頻率f＝f0時，選頻網絡傳遞系數最大。此時，選頻網絡｜F｜＝1／3，同時相移為0。即電路諧振時，輸出的是一個頻率為f0的正弦波信號，其他頻率分量的信號將被抑制。（3）保持振蕩平衡由于正反饋的原因，輸出的正弦波信號將會越來越大，這就需要平衡條件。幅度平衡條件：電路總的增益｜AF｜＝1（3）相位平衡條件：電路總的相移φ＝2nπ（n＝0，1，2．．．）（4）滿足上述3個條件，文氏電橋振蕩電路將輸出穩定的正弦波信號。
2基于Multisim的文氏電橋振蕩電路設計和仿真
Multisim是美國國家儀器（NationalInstruments，NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，Multisim可以交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。
2.1實驗電路設計
依據文氏電橋電路原理，設計文氏電橋振蕩器實驗電路如圖2所示。運算放大器LM324、電阻RF1、RF2以及可調電阻Rp組成同相比例放大電路；R1、R2、C1、C2串并聯網絡構成的正反饋支路作為選頻網絡；兩個反向并聯的二極管D1、D2利用正向電阻非線性特性實現穩幅。首先確定選頻網絡參數，取R1＝R2＝R＝2kΩ，C1＝C2＝C，因實驗要求輸出信號頻率為1.69kHz，依據諧振頻率式（2），C＝1／2πRf0＝47nF即R1＝R2＝R＝2kΩ，C1＝C2＝47nF。其次確定同相比例放大電路參數，該放大網絡增益為：A＝RF1＋RF2＋RpRp（5）依據幅度平衡條件式（3）：｜AF｜＝1，以及電路諧振時｜F｜＝1／3，同相比例放大器增益｜A｜＝3。同時，取RF1＝4.7kΩ，RF2＝2.2kΩ，得到電阻Rp＝（RF1＋RF2）／2＝3.45kΩ?？紤]到放大網絡增益的可調節性，取可調電阻最大阻值為5kΩ。
2.2實驗電路仿真
2.2.1電路起振、停振及平衡
可調電阻設置在Rp＝3.5kΩ（最大值的70％），運行仿真。打開示波器控件，沒有信號波形，因為此時Rp＞3.45kΩ，同相比例放大器增益小于3，不滿足起振條件。減小可調電阻阻值，當Rp的值減小到68.7％時，觀察到幅度逐漸增大的正弦波信號并趨于穩定。因為此時Rp＝3.435kΩ＜3.45kΩ，同相比例放大器增益大于3，滿足電路起振條件，且Rp越小，電路增益越大，電路震蕩建立越快，如圖3所示。增大可調電阻阻值觀察停振現象如圖4所示。Rp越大，電路增益越小，輸出正弦波停振消失越快。軟件仿真能方便實現這種精確參數調控和動態過程跟蹤，也是軟件仿真實驗的一個突出優勢。
2.2.2選頻特性
電路起振達到平衡后，觀測示波器和頻率計，如圖5所示，正弦波頻率為1.678kHz。將選頻網絡電容C1、C2均調整為100nF，觀測示波器和頻率計，如圖6所示，正弦波頻率為792.674Hz。仿真結果與理論計算值相當，實現電路選頻功能。
2.2.3穩幅環節
文氏電橋振蕩的幅度平衡條件是｜AF｜＝1，但電路起振條件是｜AF｜＞1，這樣就需要穩幅環節，在電路起振之后總增益穩定在｜AF｜＝1，從而使振蕩電路輸出一定幅度的穩定正弦波。在負反饋支路上接入兩個反向并聯的二極管D1、D2，如圖2所示。利用正向電阻非線性特性實現穩幅，電路起振后輸出正弦波，信號峰值電壓約2.3V，如圖7所示。斷開二極管，輸出信號峰值電壓約為7.5V，因為沒有穩幅措施，電路在｜AF｜＞1條件下起振，在正反饋驅動下，信號幅值達到最大如圖8所示。
3結語
就實驗教學而言，將Multisim仿真軟件引入到電子線路實驗教學中優勢突出：一是電路搭建便捷，電路結構和參數調節靈活；二是仿真過程可觀測性強，軟件本身提供了眾多儀器控件，適用方便。觀測電路起振機制時，實物電路只觀察到信號從無直接跳到一定幅度的正弦波，很難捕獲到信號從無到有、從弱到強的逐步起振過程。軟件仿真時，這些過程都能夠清晰呈現，非常直觀，更加有利于學生的理解在教學設計上應和實物電器有機結合，更好服務于教學。
作者：戴由旺 劉英秀 徐維克 單位：大連科技學院 實驗中心