基于Multisim12的RC正弦波振荡器的仿真及分析

张静王瑜

（河海大学文天学院 安徽马鞍山 243031）

基于Multisim12的RC正弦波振荡器的仿真及分析

张静王瑜

（河海大学文天学院 安徽马鞍山 243031）

采用Multisim12电路仿真软件对RC正弦波振荡电路进行虚拟仿真，对于振荡频率采用滑动变阻器R和可变电容C进行组合调节，串并联同时控制，实现不同频率正弦波的输出。仿真并分析了从起振、平衡到失真的整个过程，仿真结果与理论一致。通过虚拟电路的设计、仪器仪表的使用，实验结果的分析，使得正弦波振荡器教学更加形象生动，有利于学生对理论知识的理解，提高他们的高频电子线路的学习热情及效果。

Multisim12；RC正弦波振荡器；仿真；频率；幅度；失真

Multisim12软件是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。它不仅可以广泛的应用于电路、模拟电路、数字电路、通信（高频）电子线路、射频电路、数字通信电路的仿真分析，还可以用于电子测量、单片机仿真PLC控制系统以及PLD的仿真[1]。在高校教学中的应用也很多，特别是在相对较难的高频电子线路中应用价值尤为突出，比如，在高频小信号放大器的仿真分析[2-3]，高频谐振功率放大器[4-6]，正弦波振荡器的设计与仿真[7-10]，以及调幅与解调的仿真分析[11-12]等等。

通过实验仿真，不仅可以对理论进行检验，同时，电路设计的过程以及仿真分析的过程可以不断发现问题，解决问题，对理论知识思考更加透彻。

正弦波振荡器在通信系统中非常常用，在发送端负责产生高频载波对基带信号进行调制，接收端负责生成本振信号用于混频。RC正弦波振荡器是正弦波振荡器的一种，用来产生低频正弦波信号[13]。本文主要是采用Multisim12对RC正弦波振荡器进行电路设计和仿真分析，使得学生通过电路设计，数据测量，仿真分析，深刻理解并掌握正弦波振荡器的知识，培养他们设计电路，分析问题解决问题的能力。

一、RC正弦波振荡器的基本原理

振荡器是指无需外加激励，自动将直流电源的能量转化成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变信号的装置。正弦波振荡器包括：放大电路、选频网络、正反馈网络、稳幅环节四个部分组成。RC正弦波振荡器采用RC串并联电路进行选频和反馈[13]。振荡电路包括起振条件和平衡条件：

图1RC串并联选频网络

公式(1)(2)可以看出闭路相移为零或者为2π的整数倍，换句话说反馈信号Uf与输入信号Ui同相[13]，即正反馈。因此RC振荡器的电路设计要满足相位平衡条件和起振条件。

二、RC正弦波振荡电路的设计与分析

通过Multisim12仿真平台设计RC正弦波振荡器的电路图，如图2所示：

图2 RC正弦波振荡器仿真电路图

从图2可以看出：放大部分采用741集成运放，反馈网络和选频网络由R4，C1，R5，C2组成，且为正反馈。其中C1，C2采用可变电容；R4，R5，采用电位计（滑动变阻器），并且在调节过程中C1，C2值保持相同，R4，R5值保持相同，电位计、可变电容均采用统一控制。R4，C1，R5，C2采用可调的，目的是为了产生不同频率的正弦波信号。采用非线性元件作放大电路的负反馈元件，以实现外稳幅；通过示波器观察输出信号的波形以及反馈信号的波形，并配以万用表XMM1和XMM2更直观地观测输出电压值（有效值）和反馈电压值（有效值）；频率计对频率进行监测，频谱分析仪用来观测频谱分析。RC振荡器起振时放大倍数A≈（R1+R2+R3）/R1＞3，如图R3，D1，D2并联，可以实现外稳幅[10]。起振后随着输出电压的增大，二极管D1、D2的导通电阻逐渐变小[9]，电压的放大倍数也会逐渐变小，直到降为3，振荡器处于平衡状态，输出稳定的波形。调节R2可以改变放大倍数，即改变A的值。R3，D1，D2与R1、R2一起构成负反馈电路。另外，其实外稳幅可以用热敏电阻来实现。若将电路图2中的开关S1和S2打开，便无法实现稳幅，电压会一直增大，最后失真。具体参数设置如图2所示。（电位计、可变电容可以调节）。

（一）改变电位计R2，观察输出信号的变化。如图2所示，将串并联电阻设置为50kΩ*40%，可变电容设置为0. 01uF*40%，通过控制键C调节R2的滑动变阻器，改变放大倍数A，发现从0%到20%，无电压输出；直到25%，开始起振（此时放大倍数A约为3.25，略大于3），最终达到平衡；40%时开始出现顶部失真，R2阻值越大失真越严重，输出信号稳定时的频率和幅度值与电阻R2之间的关系如表1所示。

表1 调节R2的输出信号

注：理论值即为用公式（4）计算出来的频率的理论值，频率单位（kHz），幅度有效值单位（V）。

从表1可以发现，改变R2在一定范围内，输出正弦波的频率基本不变，但是幅度会不断增大，若R2值太大，输出信号发生顶部失真，如图5所示。

图3 RC正弦波振荡器起振波形

图4 RC正弦波振荡器平衡波形

图5 RC正弦波振荡器失真波形

图6 输出电压

图7 反馈电压

图3，图4，图5，分别为RC正弦波振荡器起振、平衡、及失真的波形图，其中绿色波代表输出信号U0，紫色波代表正反馈信号Uf。通过万用表XMM1和XMM2可以分别测出输出电压和反馈电压的有效值。其中，图3为起振到平衡的波形；图4为R2值为25%时振荡器平衡时的输出信号波形，为标准正弦波，由图6、图7可以看出此时的输出电压和反馈电压值，满足反馈系数F=1/3。；图5是R2值为100%（即50kΩ）的输出波形，接近方波信号。调节R2改变的是放大倍数A，而放大倍数A只需要略大于3，能够起振即可，太大就导致信号失真。此外，从信号频谱的角度我们对图4，图5进行分析，得到图8和图9。从图9发现失真的信号频谱分量较多，未失真的正弦波信号频谱单一（图8），符合正弦波信号和方波信号傅里叶分析的频谱特点。

图8 未失真的正弦波信号频谱

图9 失真的正弦波信号频谱

（二）改变串并联的电阻和电容，观察输出信号的变化。

1.如图2所示，固定电位计（R4，R5）为50kΩ*40%，R2 为50kΩ*25%，通过控制键B，同时改变电容C1，C2，并保持它们容值相等，得到输出信号频率与幅度，如表2所示。

表2 改变串并联电容的输出信号

2.如图2所示，固定电容（C1，C2）为0.01uF*10%，R2为50kΩ*25%，通过控制键A，同时控制电位计R4，R5，改变R4，R5值，并使它们阻值相等，得到输出信号频率与幅度，如表3所示。

表3 改变串并联电阻的输出信号

从表2和表3可以看出改变串并联的电阻值和电容值均可以改变输出信号的频率，且输出信号的频率与阻值和容值成反比，但是输出信号的幅度变化很小，基本不变，仿真结果与理论一致。

从表3可以发现，对于频率而言，输出频率越高与理论值相差越大，频率越低与理论值相差越小；表3对比表2，可以发现RC正弦波振荡器适合低频正弦波的产生，产生较高频率的信号时误差较大，若产生高频正弦波信号可以采用LC振荡器或者晶振。

三、结语

运用Multisim12.0对RC正弦波振荡器进行电路仿真分析，实验结果与理论一致。通过实验，能够直观的观测到各个参数的变化对输出信号的影响：串并联RC电路中R和C的值都影响输出信号的频率，输出信号的幅度及失真可以通过放大倍数来控制。RC正弦波振荡器更适合于低频正弦波的产生。Multisim12.0对于高频电路的教与学有很大的帮助，具有很大的实际意义。

[1]聂典，李北雁，聂梦晨，等.Multisim12仿真设计[M].北京电子工业出版社，2014.

[2]李锐君，王莉丽.Multisim在高频小信号谐振放大器教学中的应用[J].科技信息，2011(10):43-45.

[3]王海梅.基于Multisim的高频小信号谐振放大器仿真研究[J].新技术新工艺，2015(2)：68-71.

[4]史庆军.基于Multisim2001的高频丙类谐振功率放大器仿真研究[J].佳木斯大学学报，2008(2):197-199.

[5]任丹.基于Multisim的高频功率放大器特性分析[J].辽东学院学报，2011（2）:114-117.

[6]郑文.基于Multisim的高频功率放大器仿真分析[J].实验科学与技术，2014(1)：22-23.

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[8]王海梅.基于Multisim的西勒振荡器设计与仿真[J].电子设计工程，2014(24):141-144.

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[11]程秀英.基于Multisim的高频电子线路同步检波器的设计与仿真分析[J].实验室技术与管理，2015(7):116-119.

[12]朱高中.基于Multisim仿真软件在高频实验教学中的应用研究[J].实验室技术与管理,2012(11):106-108.

[13]张肃文.高频电子线路（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[责任编辑 郑丽娟]

Simulation and Analysis of RC Sine Wave Oscillator Based on Multisim12

Zhang Jing Wang Yu

(Hohai University,Wentian College Ma'anshan Anhui 243031)

This paper uses Multisim12 circuit simulation software for virtual simulation of RC sine wave oscillator circuit,the oscillation frequency of the sliding rheostat R and C variable capacitor combination adjustment,series parallel control at the same time,the output of different frequency sine wave.Simulation and analysis are made on the whole process from the vibration,balance and distortion.The simulation results are in agreement with the theory.Through the use of virtual circuit design,instrumentation,analysis of experimental results,we try to make a sine wave oscillation teaching more vivid,which is conducive to the students'understanding of theoretical knowledge;and can improve their high frequency electronic circuits learning enthusiasm and effect.

Multisim12;RC sine wave oscillator;simulation;frequency;amplitude;distortion

TP391.9，TN702

A

2095-0438（2017）02-0151-04

2016-10-12

张静（1984-），女，江苏徐州人，河海大学文天学院助教，硕士，研究方向：数字信号处理。