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1 笫5章正弦波振荡器 本章主要内容5 1 振荡器概述5 2 LC振荡器的基本工作原理LC振荡器的基本构成振荡的三大条件5 3LC振荡器的电路分析5 3 1互感耦合振荡器5 3 2三点式振荡器电路 考毕兹 哈特莱 改进型 5 4 振荡器的频率稳定度5 4 1频率稳定度的计量5 4 2导致振荡频率不稳定的原因5 4 3主要稳频措施5 4 4晶体振荡器石英谐振器的基本特性晶体振荡器电路5 5其他振荡器与特殊振荡现象 2 5 4 1频率稳定度的计量 对振荡器频率性能的要求 通常用频率准确度和频率稳定度来衡量 频率准确度又称频率精度 绝对频率准确度 f 它表示振荡频率f偏离标称频率的程度 相对频率准确度 为了合理评价不同标称频率振荡器的频率偏差 频率准确度也可用其相对值来表示 频率稳定度指振荡器实际振荡频率偏离其标称值变化的程度 5 4振荡器的频率稳定度 3 频率稳定度则是指在一定观测时间内 由于各种因素变化 引起振荡频率相对于标称频率变化的程度 由于频率的变化是随机的 所以不同的观测时段 测出的频率稳定度往往是不同的 上式表征频率稳定度并不十分合理 目前多用其均方误差来表示频率稳定度 n为观测时间内的测量次数 i 1 2 为观测序号 为第i次测得的最大频率相对偏移 n次频率偏移的平均值为 频率稳定度的计量 均方误差来表示 4 1 长期频率稳定度 长稳 观测时间为一天以上的稳定度称为长期频率稳定度 一般高精度的频率基准 时间基准 如天文观测台 国家计时台等 均采用长期频率稳定度来计量频率源的特性 主要由元件老化 元件参数的慢变化引起的频漂 2 短期频率稳定度 短稳 观测时间在一天以内如以小时计量的频率稳定度 大多数电子设备和仪器均采用短稳来衡量 3 瞬时频率稳定度 秒级频率稳定度 瞬时频率稳定度用于衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化 这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰引起 频域 相位噪声 根据观测时间的长短 将频率稳定度分为 频率稳定度的分类 5 瞬时频率稳定度是高速通信设备 雷达设备以及以相位信息为主要传输对象的电子设备的重要指标 用阿仑方差来描述这种频率的起伏 为振荡器标称频率 n为测量次数 为每次测量的取样时间 i 1 2 3 n为测量次数的序号 和f2i 1为第2i次和第2i 1次测得的频率值 每两次观测时间的中间可以有间歇 而且间隔时间可长可短 这样在测量和进行数据处理时 采用阿仑方差表示式就带来很大的方便 瞬时频率稳定度的计量 阿仑方差 6 举例 频率稳定度的计量 续4 7 5 4 2导致振荡频率不稳定的原因 能使环路相位平衡条件得以满足的频率即为该振荡器的振荡频率它与回路自然振荡频率 回路有效Q值以及环路附加相移的关系可写成 不稳定都会导致振荡频率不稳定 Q 增加 Q下降时 会提高 当 8 影响振荡器频率稳定度的三方面因素 谐振回路中心频率不稳定回路Q值的变化环路附加相移相位的变化 9 影响 或 的主要因素 各种环境因素如温度 湿度 大气压力 振动等因素对回路电感L和电容C的影响 晶体管或其它器件的输入 输出阻抗的变化 电路元件间分布电容的变化 负载电抗参数的变化 影响的主要因素 10 影响环路Q值的因素 器件输入 输出阻抗中的有功部分 负载电阻的变化 回路损耗电阻尤其是电抗元件的高频损耗 回路元器件的高频响应等 回路Q与振荡频率的关系 影响环路Q值的因素 11 影响的因素 事实上 还有许多其它原因 通过上述三途径对振荡频率的稳定性起着不良影响 反馈变压器的非理想电抗因素 晶体管的输入阻抗和输出阻抗 晶体管的 值可为复数 环路内各种噪声源引起的相差抖动等 影响的因素 12 1 提高谐振回路的标准性 标准性是指在外界因素如温度 湿度 大气压力等变化时 谐振回路保持其谐振频率固定不变的能力 标准性越高 回路自然谐振频率随环境条件变化的可能性就越小 提高回路标准性的主要措施是选用高品质因数 高稳定性和低温度系数 低吸水性的电容器与电感器 等号右边的负号表示频率变化的方向与电抗变化的方向刚好相反 如电感量加大 振荡频率将降低 5 4 3主要稳频措施 13 采用温度补偿法和温度隔离法引起电抗元件电感量和电容量变化最明显的环境因素是温度的变化 温度补偿法 用具有负温度系数的瓷介电容器 接入由普通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路 温度隔离法 将关键电抗元件置于特制的恒温槽内 使槽内的温度基本上不随外界环境温度的变化 利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感 电容构成的电磁谐振系统 它是高稳频率源的一个重要形式 这种谐振系统构成的振荡器 不但频率稳定性 频率准确度高 而且体积 耗电均很小 在许多领域已被广泛地采用 主要稳频措施 续1 14 2 削弱不稳定因素对谐振特性的影响 晶体管的参数稳定 晶体管的参数 输入输出阻抗等 受工作点的影响较大 因此注意选择工作点稳定电路与良好的稳压电路 选择回路与器件间的接入系数 晶体管的输入输出阻抗 各种分布电容和引线电感都是影响回路标准性的重要因素 选择回路与器件间的接入系数 尽可能减小不稳定的分布电容和引线电感的影响 对于提高频率稳定性是十分重要的 减小负载对振荡器的影响 振荡器后面接缓冲级 例如高输入阻抗的跟随器 负载与振荡器输出直接连接时 可采用部分接入 如采用变比较大的降压变压器 或分压比很小的电容分压网络 或通过小电容与其它负载相联接 主要稳频措施 续3 15 采用改进型的电路 克拉泼和西勒电路 减小振荡管自身的输入 输出阻抗对回路性能即振荡频率的影响 特别是在三点式振荡电路中 器件三个端口的等效阻抗 直接与回路三个电抗元件相连接 由于器件端口等效阻抗的稳定性很差 且随工作状态改变而改变 其频率稳定度的提高受到严重的影响 谐振回路的选择 选择高品质因数的谐振回路 石英谐振器 主要稳频措施 续3 16 利用石英晶体的压电效应和反压电效应对正弦波振荡器进行控制的振荡器称为晶体振荡器 压电效应和反压电效应 按某种方式将石英晶体切割成一定厚度的薄片 晶片 对晶片施加机械力 压力 拉力 扭力等 时 在其两面会产生正负电荷的集聚 正压电效应 反之 在石英晶片两面加电场时 石英晶片会产生形变 反压电效应 晶体振荡器也是反馈振荡器 决定频率的元件是晶体而不是LC谐振回路 5 4 4晶体振荡器 17 晶体振荡器一般的频率稳定度对晶体加恒温控制 可提高到数量级目前晶体振荡器频率稳定度的极限是 晶体振荡器可以产生频率稳定度和准确度很高的正弦波的原因 石英晶体具有极高的Q值 其物理性能和化学性能十分稳定 对周围环境条件 如温度 湿度 大气压力 的变化不敏感 晶体振荡器是最常见的具有高稳高准频率的正弦波振荡电路 晶体振荡器具有高稳高准频率 18 在石英晶片两端上加交变的电压 由于正反压电效应的作用 在线路中会出现交变电流 并且电信号的频率和晶体的固有振动频率一致 共振 时 产生出的电流最大 石英晶体的谐振特性 将石英片两侧形成两电极 电极焊出两引线固定在支架上 再加合适的封装即构成石英谐振器 将石英谐振器接到振荡器的闭合环路中 利用它的固有振动频率 就能有效地控制和稳定振荡频率 石英晶体对振荡频率的控制 19 晶体振动具有多谐性 除了基频振动外 还有奇次谐波的泛音振动 基频晶体 利用基频振动实现对频率控制的晶体称为基频 音 晶体泛音晶体 除基频外 一般工作在三次和五次泛音振动上 石英晶体的固有振荡频率和晶片厚度有关系 而振荡频率的稳定性与石英片材料和切割方式有关 振荡频率越高 晶片就越薄 太薄 易损坏 一般基频晶体工作在20MHz以下 泛音晶体振荡器的工作频率可达200MHz 传统切割工艺晶体谐振频率很难达到30MHz 化学蚀刻方法得到薄晶片 使谐振频率达到350MHZ 石英晶体的固有振荡频率 基频晶体与泛音晶体 20 1 石英谐振器的等效电路 晶体 其中 等效电感 大体反映石英片的质量 几十 几百亨 等效电容 反映其材料的刚性 等效电阻 石英片机械形变时材料的能耗 几百欧 称为石英谐振器的并联电容 它相当于以石英片为介质 以两电极为极板的平板电容器的电容量和支架电容 引线电容的总和 几 几十 返回 电路符号 基频晶体等效电路 石英谐振器的基本特性 21 2 石英谐振器的谐振频率 如令为不考虑晶体内部损耗 即 0 时石英谐振器的串联谐振频率 为并联谐振频率 Q为石英谐振器的等效品质因数 p为接入系数 对外电路的接入系数 其数值分别为 上图 返回 石英谐振器的基本特性 续1 晶体电抗特性 两谐振频率之间呈感性 22 晶体等效阻抗图 晶体等效阻抗图及两种振荡模式振荡频点位置 23 3 石英谐振器的基本特性 很高的等效品质因数Q 很小的接入系数P 当外界电抗元件与之相连接时 对石英谐振器的固有谐振特性的影响是十分微弱的 具有两个谐振频率和 两个谐振频率十分接近 举例 2 5MHz石英谐振器的接入系数p 4 2 10 5 故串并联谐振频率绝对频差为 晶体的两种工作方式 1 高Q短路线 振荡在上 2 等效电感L 振荡在两个谐振频率和之间 上图 石英谐振器的基本特性 续2 24 晶体振荡电路 两种类型 三种形式 1 晶体代替三点式振荡器中的电感 并联型晶体振荡电路 晶体在振荡环路中起着高Q电感器的作用 2 晶体串接在反馈支路当串联谐振元件用 串联型晶体振荡电路 晶体起着高Q短路器作用 泛音晶体振荡器 利用石英谐振器的泛音振动特性对频率实行控制的振荡器 串联型 泛音 晶振 并联型泛音晶振 返回 25 1 并联型晶振电路 晶体呈高Q电感 26 1 并联型晶体振荡电路 续1 由于 石英晶体参数具有高度稳定性 很稳定 也很稳定 由于 石英谐振器是等效为电感L用 振荡回路的振荡频率由晶体与负载电容共同确定 改变可在之间微调振荡频率 但调节范围很小 讨论 由于振荡管与石英谐振器之间耦合很松 27 2 密勒 Miller 电路 晶体加在管子的b e端 电感三点式 石英晶体被晶体管输入阻抗所并联 降低了有载品质因数Q 降低了频率稳定度 故密勒电路使用不多 注意三种频率 石英谐振器的振荡频率 振荡回路的振荡频率 晶体标称频率考虑 并联型晶体振荡电路的振荡频率 考虑的影响 工程上认为晶体振荡器的频率就是晶体的标称频率 1 并联型晶体振荡电路 续2 28 2 串联型晶体振荡器 晶体起高Q短路器作用 串联谐振 高Q短路器作用 Lo与Co并联谐振 去除的不良影响 29 并联型泛音晶体振荡器的振荡环路中必须包含两个振荡回路 有个回路代替皮尔斯电路作泛音选择电路 使环路仅在所限定的泛音振荡频率上符合振荡的相位平衡条件或振幅平衡条件 泛音选择电路设计在n次泛音和 n 2 次泛音之间 若振荡器的振荡频率是5次泛音 则泛音选择电路设计在5次泛音和3次泛音之间 该回路在晶体频率上等效电容 泛音选择回路 3 泛音晶体振荡器 30 举例1 习题5 15 晶体等效电感元件 5 15 某广播发射机的主振器实际电路如图所示 试画出该电路的交流等效电路 并分析该电路采用了哪几种稳频措施 F 稳压 输出 恒温槽 31 举例2 习题5 16 5 16 某通信接收机的本振电路如图所示 试画出其交流等效电路 并说明是什么形式的电路 晶体起什么作用 32 举例3 输出 共基接法反馈系数 晶体起高Q短路器作用 33 返回 某广播发射机的主振器实际电路如图所示 试画出该电路的交流等效电路 并分析该电路采用了哪几种稳频措施 F 举例1 习题5 15 稳压 输出 恒温槽 共射接法 34 返回 某通信接收机的本振电路如图所示 试画出其交流等效电路 并说明是什么形式的电路 晶体起什么作用 举例2 习题5 16 晶体作用 等效电感元件 35 5 5其他振荡器与特殊振荡现象 RC振荡器 低频振荡器环形振荡器 集成电路见指导书p201 204特殊振荡现象1 间歇振荡现象 产生的输出电压忽大忽小 甚至时有时无的一种周期性变化现象 原因 本质上 间歇振荡是由于振荡平衡点的不稳定造成的 实际电路是由于自给偏置电路中的旁路电容Ce或Cb取值过大 偏置电压跟不上振荡振幅的变化 产生了周期性的起振和停振现象 36 特殊振荡现象 2 频率占据现象 振荡电路中除本身的振荡信号外 若还存在另一个与振荡频率接近但不相等的外加信号制约该振荡器工作 在一定条件下 振荡器的振荡频率 有可能自动地被牵引到外加信号频率上 使振荡频率等于外加信号频率 外来信号可以是人为加入的 也可能来自周围的 较强的干扰 例如 注入锁相 用很稳定的信号源控制功率较强的振荡器 这样就可得到输出功率大而频率稳定的正弦振荡 对于外来干扰 要注意隔离 37 寄生振荡现象 3 寄生振荡现象 电子线路中自行产生的不希望振荡 原因 某种特定条件 使电路参数 直流供电元件高频扼流圈或分布参数如管子极间电容 分布电容 分布电感 符合振荡的条件 寄生振荡可以产生于放大器 也可以产生于振荡器 电路一旦产生寄生振荡 将使放大器或振荡器性能显著恶化 严重时 甚至可以使系统无法正常工作 消除措施 查