在頻域中，儀器雜訊基底為 -80dBm，未觀察到任何諧波，僅出現一個尖峰。這種接近實驗室等級的振盪器可用於測試放大器，例如圖 1 所示的放大器。本文在描述其性能後，闡述了非線性 7374 型燈泡如何成為回授機制的關鍵組成部分（包含曲線）。需要注意的是，由於燈泡的熱時間常數需要一定時間才能穩定，因此此性能僅限於單一頻率。
圖 1：共射極電晶體放大器的圖片，背景為韋因電橋振盪器。
韋因電橋振盪器的性能
電路效能使用 Digilent Analog Discovery 3 示波器進行測量。電路由 +/-12VDC 電源供電。圖 2 示波器波形顯示了一個振幅約為 +/-6V 的乾淨正弦波，頻率約為 1kHz。
圖 3 進一步證實了低失真特性。圖中可以看到 1kHz 的尖峰。在 -80dBm 的噪音基盤中，沒有可測量的諧波。對於如此簡單的電路而言，這樣的性能非常出色。
圖 2：韋因電橋振盪器產生約 1kHz 的 +/-6VDC 訊號。
圖 3：韋因電橋振盪器的頻譜純淨，沒有可測量的諧波，峰值以下 -80dBm。
韋因橋式振盪器的應用
在測試平台中添加一個低成本的高品質振盪器是可取的。一個有用的應用是測試擴大機的失真。這裡，我們將純淨的正弦波輸入放大器，然後檢測輸出端的諧波。本文介紹的 Digilent Analog Discovery 等低成本頻譜分析儀的出現，使得觀察這些諧波變得簡單易行。
作為一項實驗，我使用韋因電橋驅動一個簡單的電晶體放大器（圖1），並觀察其對偏壓、退化發射極電阻、電源電壓和溫度等變化的反應。本文概述了一個相關的實驗。
經典電路之美與性能
維恩橋振盪器是一款經典的電路，值得大家學習建造。它結構精巧，能產生失真極低的正弦波形。它為我們提供了關於濾波、回授和自動增益控制的寶貴經驗。令人驚訝的是，該電路的核心元件竟然是一個白熾燈泡，它負責穩定電路的增益。
如圖 1 所示，LF412 運算放大器左側是 7374 型白熾燈。使用簡單的白熾燈是理想的選擇，因為燈泡的電阻會隨自發熱溫度而變化。燈泡冷態時電阻較低，且隨著燈泡溫度升高而增加。圖 4 反映了這項特性。圖中可見，冷態（1VDC）電阻約為 125ohm。當燈泡電壓達到額定電壓 28VDC 時，燈絲電阻增加到約 700ohm。這是一個非線性電阻變化，具有正溫度係數。
圖 4：7374 白熾燈的非線性電阻曲線。
歷史意義：若不提及 Hewlett-Packard HP 200A 音頻振盪器，對韋因電橋振盪器的介紹便是不完整的。這款真空管電路採用類似的燈泡來穩定擴大機的增益。振盪器使用一個大型空氣可變電容器來調節輸出頻率。有關這款經典測試設備的更多訊息，請參閱：
使用白熾燈保持增益穩定性
韋因電橋振盪器的原理圖如圖 5 所示。請注意，7374 燈泡連接到運算放大器的反相輸入端。回想一下，運算放大器的增益由回授電阻與輸入電阻的比值決定：
Gain \propto \dfrac{R_f}{R_{In}}
如圖 5 所示，燈泡取代了 R_{In}。因此，電路的增益與燈泡的電阻有關：
Gain \propto \dfrac{R_f}{R_{lamp}}
隨著振盪器輸出功率的增加，燈泡的發熱量也會增加。發熱量的增加會導致電阻相應增大。電阻增大又會降低系統的增益。綜上所述，這形成了一種天然的回授機制，使振盪器的輸出保持恆定。
圖 5：韋因電橋振盪器的原理圖，採用 7374 型燈和 LF412 運算放大器。
典型韋因電橋振盪器的元件值
此電路的經典方程式如下：
f = \dfrac{1}{2 \pi R_1C_1}
和
R_f = 2R_b
與其展示推導過程，不如我們探討一種確定元件值的實用方法。首先來看電阻 R_f。已知 R_f = 2R_b，我們可以使用分壓器，根據輸出電壓來計算燈管電壓。
V_b = V_{Out}\dfrac{R_b}{R_b + R_f} = V_{Out}\dfrac{R_b}{R_b + 2R_b} = \dfrac{1}{3}V_{Out}
了解此特性後，我們可以在一定範圍內選擇適當的電阻值 R_f 以滿足所需的輸出電壓。例如，假設我們有 +/-12VDC 的電源軌，並且需要 +/-6V 的峰值輸出電壓。由此得到的 RMS 輸出電壓為 4.2V。根據我們的公式，可知燈泡兩端施加了 1/3 或 1.4V 的電壓。根據圖 2 中的表格，這對應於 150ohm（燈泡熱阻）。因此，我們可以選擇電阻值 R_f 為 2R_b ，約 300ohm。
至於電阻 R1 和電容 C1，假設我們需要一個 1kHz 的輸出訊號。通常的做法是，我們先選擇一個電容，然後再選擇合適的電阻。若設電容 C_1 = 0.1μF，則電阻 R_1 應選擇 1.6kohm 的電阻。
您可能需要調整電阻值以將放大器中心頻率保持在 1kHz，也可能不需要。也可以添加雙聯電阻或雙聯電容來實現可變頻率輸出。電阻相對容易找到，而大容量可變電容則價格昂貴且屬於老式（過時）元件，除了在特殊的射頻應用中外，很少能找到。
技術提示：韋因電橋振盪器可在很寬的電阻範圍內運作。這並不奇怪，因為圖 4 的曲線顯示，該振盪器在達到其最大工作電壓之前都具有正溫度係數。限制因素是運算放大器的設計最大電源電壓。為了降低失真，我們必須避免削波，將輸出電壓限制在電源電壓的一半左右。在本文中，振盪器的峰值輸出被限制在電源電壓的一半。
技術提示：對於振盪器和濾波器電路，通常先確定電容值較方便。這反映了元件的可用性。這是因為分立電阻的種類遠比電容的種類多。
結論
我們鼓勵您搭建並實驗韋因橋式振盪器。請分享您的實驗結果。如果您能分享您的應用案例，那就更好了。
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