用1N4007设计10V(1kHz) 自带温度补偿，仿真失真0.03% 的文氏电桥

xjw01 · 发表于 2022-3-20 20:03:23

xjw01 · 发表于 2022-3-21 11:48:40

以下是当年的设计与计算过程。现在也不太喜欢计算。
因为当年我计算过一次,也花了不少时间，所以对文氏电桥的控制细节，还有一些印象。
不过，快20年了，大部分细节还是忘了。

xjw01 · 发表于 2022-3-21 11:29:28

本帖最后由 xjw01 于 2022-3-21 11:43 编辑

wanyongbiao2020 发表于 2022-3-21 10:02
太感谢了您的指导了，听你这么一讲解明白了，主要还是对二极管特性理解不够，没有琢磨明白它的限流作用！

二极管的电流越大，那么二极管的内阻就越小。那么二极管是电流控制型的可调电阻了。这与场效应管不同，场管是电压控制型的。
1N4007的热电压是50mV，电流1ma时，电阻是50/1=50欧，4个串联，就是200欧。
二极管作为线性电阻，是有条件的，要求它的交流压降小于1个热电势。对于1N4007来说，它上面的交流压降须小于50mV（峰峰值），4个1N4007则是200mV，性能与场效应管类似了。
本电路工作于0.4mA，则4个1N4007的压降是500欧

图中文氏电桥的下臂是10k，则1N4007电阻的占比是5%
非线性电流的占比还要减半，则1N4007非线性电阻占比是2.5%(二次部分)，总谐波大约5%以内
这是对于方波的失真电流来估计的，对于正弦波来说，失真电流还要减半，约1.2%左右。

当4个二极管的总压降为200mV，文低电桥的输出电压为0.2/5%*3=12V(峰峰电压)，二次谐波1.2%左右
本电路，输出是3.7V左右，与12V相差了3.2倍，所以谐波失真还会减小3.2^2=10倍，即0.12%左右，高次谐波衰减更快。

反馈电路，也有失真，与4个二极管的失真有补偿作用。适当调整那个470n电容，最后得到0.03%的失真。

以上是基于估算及仿真的结果。有一定的经验性。实际效果，还是要制作后，更准确。

用4个1N4007代替场效应管，可以得到相似的性能。由于二极管有偏置电压，所以电路中加入一个隔直电容，这是与场管最大的不同。
而反馈电路，形式多样。但原理类似，都与自动控制有关。幅值调节过程的分析有3个基本项：1、当前幅值偏差的检测（检波电路）2、历史偏差的累计与比较（积分电压与基准电压通过Q1做出比较，然后通过二极管控制电路的放大倍数），3、幅值过冲的预防(预判)，通过第二个检波反馈电路实现控制
电路中的反馈部分，就是基于这3项来设计的。与PID控制有点相似。

luhuineng · 发表于 2022-3-21 09:05:57

wanyongbiao2020 发表于 2022-3-21 06:22
Q1作用还是看不懂

Q1的发射极电位固定，输出经D3等整流、分压、滤波后加到Q3的基极。随着输出信号的增大Q1集电极电流慢慢下降。几个1n4007的电流也下降，1n4007内阻增加。文氏电路负反馈变大，输出下降。所以Q1的作用就是稳幅。并且是以Q1发射极电位为基准。所以调整R7和R8的分压值就能改变输出幅度。

xjw01 · 发表于 2022-3-20 20:17:55

本帖最后由 xjw01 于 2022-3-20 20:39 编辑

如果觉得1N4007个数太多，也可以改为2个1N4007，同时把R9改为82k，C5改为220nF，效果也还可以，谐波失真为0.07%左右。

调R4与R8的比值，可以改变输出电压。R4与R8的并联值，尽量保持在3k欧左右，不要偏差太多，比如并联值为0.3k，则相差10倍，电路偏离设计值过多，会改变电路的反馈量。

luhuineng · 发表于 2022-3-21 01:39:20

本帖最后由 luhuineng 于 2022-3-21 01:42 编辑

xjw01 发表于 2022-3-20 20:17
如果觉得1N4007个数太多，也可以改为2个1N4007，同时把R9改为82k，C5改为220nF，效果也还可以，谐波失真为0 ...

许老师是不是笔误？“R4和R8的比值”和“R4和R8的并联值”应该是R7和R8的比值和并联值吧。

wanyongbiao2020 · 发表于 2022-3-21 06:22:56

Q1作用还是看不懂

wanyongbiao2020 · 发表于 2022-3-21 10:02:37

luhuineng 发表于 2022-3-21 09:05
Q1的发射极电位固定，输出经D3等整流、分压、滤波后加到Q3的基极。随着输出信号的增大Q1集电极电流慢慢下 ...

太感谢了您的指导了，听你这么一讲解明白了，主要还是对二极管特性理解不够，没有琢磨明白它的限流作用！

xjw01 · 发表于 2022-3-21 10:57:41

luhuineng 发表于 2022-3-21 01:39
许老师是不是笔误？“R4和R8的比值”和“R4和R8的并联值”应该是R7和R8的比值和并联值吧。

写错了。是R7的R8.

职尚 · 发表于 2022-3-21 11:18:03

也就是说，再普通不过的元器件，只要摸透了它的脾气，也能调教出高性能产品。

wanyongbiao2020 · 发表于 2022-3-22 15:23:02

本帖最后由 wanyongbiao2020 于 2022-3-22 17:14 编辑

老师仿真了一下，振副稳不住，r4换成100k可调在98.7k振幅减小，97.9k时候振幅增大！图纸就按原理图一摸一样搭建的，大概能够持续半分钟左右就能观察到振幅变化了，又试了下，调到20.9k也能起振，振幅减小21k振幅迅速增大！更新下，重新启动调到20.7k好像能稳住了，电压电流参数与老师的图中接近！

wanyongbiao2020 · 发表于 2022-3-22 17:52:56

感觉这个电路还是不很稳定，又启动了下又成了20.4k能波形稳定了！

xjw01 · 发表于 2022-3-22 19:29:32

wanyongbiao2020 发表于 2022-3-22 15:23
老师仿真了一下，振副稳不住，r4换成100k可调在98.7k振幅减小，97.9k时候振幅增大！图纸就按原理图一摸一样 ...

实际电路用可调电阻调试。断开Q1集电极及R11的一支脚，然后调节R4

仿真时不是这样调试。方法如下：
R4在21k左右，每改变R4的值，仿真一次。使得电路慢慢起振并稳定后，R11与Q1的电流平衡即可
仿真时，电路稳定需要比较长的时间。因为，你失真电路，可变电阻(1N4007)的占比很小，所以启动比较慢，要耐心一些。
仿真参数：时间步长用2e-6s

xjw01 · 发表于 2022-3-22 19:36:50

本帖最后由 xjw01 于 2022-3-22 20:07 编辑

wanyongbiao2020 发表于 2022-3-22 17:52
感觉这个电路还是不很稳定，又启动了下又成了20.4k能波形稳定了！

二极管工作电流是(18-2)/39=0.41mA
我实测过1N4007的热电势，与仿真值是一样的，约48mV左右。所以二极管电阻是4*48/0.41=468欧
那么，R4＝(10k+0.468k)*2=20.9k
因此，R4取21k时，电路临界启振
也就是说，理论值与仿真结果是一样的。
你现在仿真结果与理论不一致，可能是仿真调试的方法不匹配。

以下是我调试的仿真文件，在multisim14中仿真

文氏10V(1kHz,0.03%).rar (178.2 KB, 下载次数: 26)

图x.PNG

wanyongbiao2020 · 发表于 2022-3-23 08:29:45

xjw01 发表于 2022-3-22 19:36
二极管工作电流是(18-2)/39=0.41mA
我实测过1N4007的热电势，与仿真值是一样的，约48mV左右。所以二极 ...

多谢老师指点，确实如您所说，是我启动的方式不对，有点太着急了，按照下载你的程序等了又不到一分钟自己已经启动并稳定，然后我又试了试我的电路也没问题能稳定住了，昨天试验时候是靠调整R4阻值加速启动后再赶紧的往下调整阻值，有点拔苗助长了

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