6章+振荡器的丰富多彩.doc

第6章 振荡器的丰富多彩 这是内容丰富的一章。振荡器这种电路组成在生活中随处可见。可以这么说，只要是“一闪一闪”的或能发出悦耳响声的电子产品都可能含有振荡器。61脉冲信号波形与电路 常见的脉冲信号波形 微分电路与积分电路 脉冲的整形 无源滤波器 图61所示为常见的几种脉冲波（impluse wave）的波形曲线。这些波形是模拟与数字电路中一些典型的信号形式。任何波都可以用若干参数来描述它的特征，我们以矩形波为例来看看脉冲波的几个主要参数。首先应该明确一点，矩形波是从低电平跳变到高电平后再由高电平跳变到低电平的周期性过程。对于理想的矩形波来说，这些跳变产生的结果是波形的垂直变化。但实际上，脉冲从一种电位跳变到另一种电位总是经历一定的时间，这个时间导致了实际的波形曲线与理想的波形之间存在差异。图62所示的是矩形波的实际情况，它和理想的矩形波形有些出入。 关于这个矩形波的主要参数如下： 脉冲幅度U0：脉冲信号所能达到的最大幅度值。 上升时间tR：脉冲从0.1U0上升到0.9U0所经历的时间。 下降时间tF：脉冲从0.9U0几下降到0.1U0所经历的时间。 脉冲宽度tW：脉冲前0.5U0到后0.5U0的时间间隔。 脉冲周期T：对一个周期性的脉冲波，周期信号指两相邻脉冲出现的时间间隔。 占空比D：脉冲宽度与脉冲周期之比称为占空比，D=tW/T。D=1/2的矩形波我们 称之为方波。6.1.2 微分电路与积分电路根据信号电压对时间的微分或积分结果，对信号波形进行变换整理的电路，称为微分电路或积分电路。1微分电路微分电路（differential circuit）可以做电压对时间的微分运算，其基本电路及输入输出的变化显示如图63所示。 当我们把图63（b）所示的方波信号加于微分电路时，电容急剧充电。当输入电压为零时，电容器中所充的电荷开始放电，放电电流的方向与图63（a）的方向相反，电阻R的两端出现负电压。假设输入的脉冲宽度为tW。当tW，输出呈现急剧变化，如图63（d）所示。下面通过Multisim2001来验证这一点。 我们引入一个描述RC电路的物理量时间常数。 取函数信号发生器的频率为10kHz，幅度为1V的方波，则tW=(1/10000)/2=510-5（S）。 根据tW 与的关系，我们先设定C=1F，R=10k，这时=RC=110-610103=10-2,此时tW，此时将得到如图66所示的波形。通过这个例子，我们清楚地看到微分电路的输出波形与时间常数。有着密切的联系。换句话说，输出波形与RC的取值有关。微分电路的输出电压V0近似为输入电压V1对时间的微分与RC的乘积，即 。微分电路主要用于提取波形的上升沿和下降沿。可见，只要时间常数tW，积分电路就能将矩形波电压变为三角波电压。而且，。与tW相差越大，输出电压的线性越好。这一点如果读者能用Multisim2001来连接电路后观察，将会大有收获。 我们的问题进展到现在，可以开始使用实际的元件连接来代替用Multisim2001的仿真。Multisim2001虽然好，但毕竟是理想状态下的软件仿真。在电子制作的实际过程中，会发生许多意想不到的情况。从一开始学习电子技术时就能够用信号发生器和示波器等仪器进行电路实验是十分重要的。常用的电子实验仪器的使用不是特别困难，只要多加练习就一定能掌握。利用仪器检测电路的方法和技巧不在本书的范围之内。6.1.3 脉冲的整形脉冲信号通过各种电路时，会因为波形畸变失真而引起下一级电路的误动作，因而有必要采用整形电路对信号波形进行整形或进行重新变化。这里我们只讲4种常用的整形电路。 1削波电路（限幅电路）削波电路（clipping circuit limiter circuit）是提取或削去信号相对于某基准电平的上部或下部波形的整形电路。下面从一个仿真的例子中看看两种削波电路。设置函数信号发生器的频率为100Hz，幅度为10V，并选方波输出，得到如图69所示的仿真结果。通过拖动波形显示区两侧的游动标尺，我们可以读出Channel A和Channel B在每一时刻的幅度值，如图69所示。在图68（a）所示的“截顶”电路（也叫上限幅器）中，可以得到输出的峰值为5.6V。分析“截顶”电路可知，二极管的负极电势为5V，由二极管的管压降特性我们知道，要想二极管正向导通，其正极需要有高于0.6V0.7V的电压。所以，当信号的幅度值增加至56V时，二极管开始导通，即将输出电压的最大值限制在56V上，而低于56V时，二极管截土，其支路相当于开路，于是在示波器上我们得到了如图610（a）所示的输出波形。对于“截底”电路（也叫下限幅器）的分析也类似，只不过二极管在信号幅值低于4.3V时导通，将输出的最低电压限制在了4.3V，保留了高于4.3V的信号成分，如图610（b）所示。 2双向限幅电路将上、下限幅器组合在一起，就组成了如图611所示的两种双向限幅电路。图612所示为其各自的输入输出波形图。值得注意的是，图611（a）所示的双向限幅电路中，二极管D1的正极电势为5V所以当信号的幅值低于（50.6）V时，二极管导通，即把信号电压限制在了5.6V。于是，我们得到如图612（a）所示的结果。图612（b）所示的结果可根据以上的分析推导出来。3.钳位电路将一直流电压加于某信号电压上，仅使信号整体抬高或下降的电路，称为钳位电路（clamping circuit）。提高直流电平的电路称为正钳位电路，降低直流电平的电路则称为负钳位电路，如图613所示。 我们来分析一下负钳位电路。设输入信号如图614（a）所示。在零时刻，V1=+E，V0产生一个幅值为E的正跳变，此后在正半周期间，二极管D导通，电容C充电电流很大，C两端电压很快接近E致使V0=0。在正半周结束时刻，由于电容C的右端为负极性，所以V0又发生幅值为E的跳变。此后，在下一个方波到来之前，V1=0，D截土，充电电容C只能通过R放电。通常，R取值很大，所以C两端电压下降很慢，V0变化也很小。在第二个方波到来之时，V0又发生一个幅值为E的跳变，此后，D导通，电容C又重新充电。与第一个正半周不同的是，此时电容上储有大量电荷，因而充电持续时间更短，V0更迅速地降低为零。以后重复上述过程，V0的波形如图614（b）。可见，V0的顶部基本上被限定在零电平上，整个V1信号向负向上平移了，于是，就称该电路为负钳位电路（也叫零电平正峰钳位电路，顶部钳位电路）。 正钳位电路的分析方法与此类似，读者可以自己分析一下。这几种波形整形电路除了能对方波进行整形外，对三角波和正统波具有同样的效果，我们可以利用Multisim2001对不同形式的信号进行实验。在从事一个相对复杂的项目时，比如在包含有传感器、放大器及AD转换器等复杂系统里，整形电路就有可能会派上用场。6.1.4 无源滤波器滤波器（filter）是一种频率选择电路，它能够根据实际需要滤除掉某一频率段的信号成分。这是电子设备中常用到的电路模块之一，比如在测量人体的脑电活动时，从电极输入的信号除了有微弱的脑电信号外，同时还夹杂有肌电及50Hz工频等干扰信号。为了能够提取其中的脑电信号，我们可以借助滤波器将非脑电频率上的干扰信号滤去，留下有用的信号。其实无源滤波器 （passive filter）的电路结构并不陌生，如图 615所示就是两种滤波器的电路结构。微分电路就是一个简单的高通滤波器（HPF，highpass filter）。为什么呢？输入信号在滤波器中要通过电容，由于电容的“隔直通交”特性，高频信号很容易就通过电容，但低频信号就不能通过。所以，微分电路成了一个简单的高通滤波器。 式（62）是滤波器截土频率的计算公式。从公式中看到，截频fc与RC乘积成反比。如果从频响曲线上看，高通滤波器就是一个能通过高频信号的电路，而低通滤波器（LPF，lowpass fliter）则与之相反，如图 616所示。 有一点值得了解一下，在上一章的音响电路里，我们介绍了均衡器，这是一种提升某一频率段音频信号的电路。图617所示就是这种电路的简易模型。在图617（a）中，信号通过RC网络时，其中的高音（高频信号）通过电容C和电阻R而被衰减，低音顺利通过进入下一级。而图617（b）中，情况正好相反。有的CD唱机上也会有音乐的模式选择功能。比如有的人对重低音的音色比较青睐，开启重低音的模式意味着提高音频信号的低频部分增益。这些功能的实现都是通过滤波器和放大器实现的。当然，CD唱机中可能使用的是数字滤波。数字滤波的话题超越了本书的范围。在本书的第7章还会对有源滤波器进行介绍。6.2 振荡器面面观 振荡器的原理 LC振荡器 RC振荡器 晶体振荡器我们将从一个身边的现象开始了解振荡器（oscillator）。如果在唱卡拉OK时我们把话筒对准扬声器，会产生刺耳的啸叫声，这就是振荡 （oscillate），如图618所示。这一现象可以这样解释：当把话筒对准扬声器时，扬声器里发出的微小的声音被话筒捕捉到后，变成电信号进入了放大电路里，这个微小的信号被放大后又通过扬声器发出，然后又被话筒捕捉到而再次进入电路。这样，反复循环便形成了非常强的振荡，于是出现了啸叫声。如果把话筒移走，切断了振荡的回路就能消除振荡。6.2.1 振荡的原理从工程的角度来看振荡，如果把已经放大的信号按照与输入同相的方式送到输入端，称为正反馈。在正反馈电路里，输入信号经过放大器后又注入输入端，这样，信号不断被放大，如图619所示。不过，信号不可能无限地增大，达到某个定值就不再增大了。这个定值就是振荡的稳定状态。可能读者会问，既然役有外部注入信号，为何还有信号输出呢？其实电路并不是一下子就进入振荡状态的。一般情况下，电路里总有噪声（例如三极管和电阻内的热噪声），这种噪声就好像是振荡的“种子”，通过正反馈器件被循环放大，于是出现了振荡现象。 如果振荡电路里的正反馈组件具有频率选择性，那么，特定频率的信号衰减就小，于是在输出时就会听到这一频率的音频信号。这就是电子产品模拟各种声音的理论基础。接下来，我们来看看3种常见的振荡器。6.2.2 LC振荡器把在正反馈组件中采用线圈L和电容C进行频率选择的电路称为LC振荡器。LC振荡器有调谐式、哈脱莱式和考尔毕兹式，下面先来看看调谐式振荡器。图620所示为调谐式振荡器电路图。L1和L2两组线圈以互感方式进行耦合。这是为了将输出的一部分信号返回到输入。L1和L2的耦合方向应符合返回信号和输入信号相加的关系。在L1和L2旁边的圆点符号表示相位方向相同。振荡器的频率用式63计算。 6.2.3 RC振荡器将正反馈组件中采用电容C和电阻R进行频率选择的振荡电路称为RC振荡器。图621所示为一个典型的移相式振荡器。它是经三级RC反馈到输入端的。因为运算放大器的反向输入端和输出端之间有1800的相位差，所以，如果用三级RC将相位后移1800，那么，反馈信号将和输入同相位，于是成为正反馈进行振荡。该振荡器的振荡频率可用式64推出。 6. 2. 4 晶体振荡器 石英晶体（二氧化硅的结晶体）具有不随温度变化的固有振荡频率。因此，石英晶体振荡器的振荡频率在周围的温度、湿度和电源电压变化时几乎不变化，所以被广泛应用于彩电、计算机和遥控器中的各类振荡电路中，以及在通信系统中用于频率发生器，为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。 1石英晶体的振荡原理 （1）石英晶体振荡器的结构 石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。图622所示为一种金属外壳封装的晶振结构和外观示意图。 （2）压电效应若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状及尺寸等有关。 2石英晶体振荡器的主要参数晶振的主要参数有标称频率、负载电客、频率精度及频率稳定度等。不同的晶振标称频率不同，标称频率大都标明在晶振外壳上。如常用普通晶振标称频率有： 48kHz、 500kHZ、5035 kHz、1MHz40.50MHZ等，对于特殊要求的晶振频率可达到1000MHz以上。负载电容是指晶振的两条引线连接其内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振在电路中串接电容。负载频率的不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率：一个是串联谐振晶振的低负载电容晶振，另一个为并联谐振晶振的高负载电容晶振。所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一致，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求，对于高