波形发生与变换讲稿

1、频率不稳定的原因频率不稳定的原因3.2.5 LC三端式振荡器相位平衡条件的判别准则三端式振荡器相位平衡条件的判别准则3.3.2 改进型电容三端式振荡电路改进型电容三端式振荡电路3.3.1 频率稳定度的定义频率稳定度的定义Clear; clc;c1=10e-9; c2=10e-9; l1=50e-6; R1=1;f0=318.3098861e3; %frequency%;w0=2*pi*f0; CC=c1*c2/(c1+c2);%Calculate the impedance of the circuit%p1=c2/(c1+c2); fac=1/(2*pi*sqrt(l1*CC); %p1=0

2、.5;Zac=(j*w0*l1+R1)/(j*w0*CC)*(R1+j*w0*l1+1/(j*w0*CC);Zbc=(R1+j*w0*l1+1/(j*w0*c2)/(1+c1/c2+j*w0*c1*(R1+j*w0*l1);Zbbc=Zac*p12; Zbc Zbbc f0=3.183098861e+005; fac=3.18309886183791e+005 Zbc=1e3*(2.5000000012469 - 0.0004868381896i) Zbbc=1e3*(2.5000000012469 - 0.0002368381871i)Zac= 1e3*( 10.0000000049876

3、- 0.0009473527483i)f0=1e5; fac=3.18309886183791e+005 ; Zbc= 0.30774583058733 -70.86452318956782i Zbbc=0.30774583058733 + 8.71294835637985i Zac=0.01230998276644 +34.85608372226886i( (1 1) ) 电电路路结结构构 其其交交流流等等效效电电路路及及起起振振时时的的小小信信号号高高频频电电路路如如右右下下图图所所示示注注意意其其中中高高频频小小信信号号等等效效电电路路忽忽略略了了rey和和ieC及及oeC对对电电路路的

4、的影影响响, ,另另外外, ,mfegy （2 2） 起振条件分析起振条件分析: :忽忽略略ieg对对回回路路的的影影响响时时, ,反反馈馈系系数数为为: : 21()()beBceui LMBkui LM RguuAmbeceuoL2L1CgLgoegmubek2gie+ube- -+uce- -+uce- -+ ube - -ii( (3 3) ) 振振荡荡频频率率即即 可可 求求 出出 振振 荡荡 频频 率率 : :LC1)MLL(g)gg(LC1221ieLoe 而其中而其中: :MLLL221 一一般般LC10 而而当当1LLMK21 时时. .有有0 21oeLBieRggk g此

5、电路的实际电路如何画？此电路的实际电路如何画？哈特莱哈特莱(Hartley)电路电路共基电路共基电路哈特莱哈特莱(Hartley)电路电路共集电路共集电路实用电路举例实用电路举例9-30M输出阻抗输出阻抗50欧欧起振条件起振条件振荡频率2121 211122(2)()oeiefhLCC LLMLLMh121feieoefehLMh hLMh起振条件pR)/1(poeoeRhh输出回路折合到ce端的谐振电阻 p=L1/(L1+L2)11223 8LMNLMN在压控振荡器中，在压控振荡器中，哈特莱哈特莱(Hartley)电路出现较多！电路出现较多！12|CBC考毕兹考毕兹(Colpitts)电路电

6、路高频振荡时使用较多高频振荡时使用较多211128CC振荡频率 12121211122oeieCChfLC Ch C CLC起振条件 121fepiefeh RChCh1oeoePhhR1212C CCCC优点：振荡频率高，输出波形好！优点：振荡频率高，输出波形好！ 结电容的影响及作用！结电容的影响及作用！C1可由结电容可由结电容Coe代替，代替， 结电容受偏压控制，则可变为可调电容。结电容受偏压控制，则可变为可调电容。缺点：缺点：C改变时，改变时，B也变化，不易起振。也变化，不易起振。(Colpitts Oscillators)(Colpitts Oscillators)C1C2LLECRb

7、1Rb2ReCeCbC2C1Lc(Colpitts Oscillators)(Colpitts Oscillators)1 1. . 电电路路结结构构（2 2）交交流流等等效效电电路路+uce- -+ube - -LECRb1Rb2ReCeCbC2C1LcC1C2L（3 3） 起起振振条条件件分分析析分分析析起起振振条条件件时时可可以以利利用用高高频频小小信信号号放放大大器器的的分分析析法法. . 如如右右图图为为小小信信号号微微变变等等效效电电路路, ,如如果果忽忽略略rey 且且由由于于mfeoeiegyCCCC ,12 ( (即即忽忽略略ci与与beu的的相相移移) )而而回回路路线线圈

8、圈的的损损 耗耗及及负负载载用用Lg 等等效效 2 2, ,放放大大器器的的放放大大倍倍数数| |uoA| | 因因为为| |uoA| |= =beceuu 而而 gugubemce 2oeLBiegggk gC2C1LgiegLgoegmube+uce- -+ube- -iC1LgiegLgmubegoe+ube- -i+uce- -C222212bebeieceBieBceuCuguk gkBuC2mmuooeLBieggAgggk g212211()mBoeLBiemieoeLgkggkgCCggggCC有+uce- -C2LC1gLgoegmubek2Bgie+ube- -iC1Lgi

9、egLgmubegoe+ube- -i+uce- -C2C1LgiegLgmubegoe+ube- -i+uce- -C2( (4 4) ) 振振荡荡频频率率2be1221111mbeieoeLieieg ugj Cuggj Cj Lgj Cj Lgj C 21221111bemiebeoeLieieuggjCuggjCjLgjCjLgjC令令上上式式虚虚部部为为零零, ,可可得得: :0)()(21321 CLCggLgCCLoeie cbcbbebececejXZjXZjXZcbbececbbeceXXXXXX0即即为满足相位条件，回路引出的三个端点应如何与晶体管的三个电极相连为满足相位条

10、件，回路引出的三个端点应如何与晶体管的三个电极相连接？接？ 如图所示如图所示，振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振频率，于是有，振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振频率，于是有假设假设: (1)不计晶体管的电抗效应；不计晶体管的电抗效应；(2)LC回路由纯电抗元件组成，回路由纯电抗元件组成，即即3.2.5 LC三端式振荡器相位平衡条件的判别准则三端式振荡器相位平衡条件的判别准则三端式振荡器的相位判据三端式振荡器的相位判据 因为放大器已经倒相因为放大器已经倒相, ,即即 与与 差差180180，所以要求反馈电所以要求反馈电压压 必须与必须与 反相才能满足相位条件反相才能满足相位条件，如上图所示。，如

11、上图所示。oUiUfUoUfbebeoceceUI jXXBUI jXX 因此，因此，Xbe必须与必须与Xce同性质同性质，才能保证才能保证 Uf与与U0反相反相,即即 Uf与与Ui 同相同相。 归结起来，归结起来，Xbe和和Xce性质相同性质相同,Xcb和和Xce、Xbe性质相反性质相反(振荡器的相位判据振荡器的相位判据)。 12120100200166.67100200117.12C CCpFCCfM HzLC例例3.1 如图如图3-13(c) 所示电容三点式振荡电路中，所示电容三点式振荡电路中，C1=100pF，C2=200pF,L=1.3H忽略三极管的输入及输出电容。忽略三极管的输入及

12、输出电容。1)计算振荡器的振荡频率计算振荡器的振荡频率2)求反馈系数求反馈系数B解：解： 112100121002003CBCC答：振荡频率为答：振荡频率为17.1MHz，反馈系数为三分之一，反馈系数为三分之一频频率率稳稳定定: :在在各各种种外外界界条条件件发发生生变变化化的的情情况况下下, ,要要求求实实际际工工作作频频率率与与指指定定频频率率的的偏偏差差最最小小. .频频率率稳稳定定在在数数量量上上常常用用频频率率偏偏差差来来表表示示: :即即在在一一定定时时间间间间隔隔t 内内, ,频频率率的的相相对对偏偏差差. .一一般般按按时时间间的的长长短短不不同同, ,通通常常可可分分为为三三

13、种种频频率率稳稳定定度度: : 长长期期稳稳定定度度: :一一般般指指几几天天或或几几个个月月 短短期期稳稳定定度度: : 指指一一天天内内, ,以以小小时时, ,分分, ,秒秒计计. . 瞬瞬时时稳稳定定度度: : 一一般般以以秒秒或或毫毫秒秒计计. .寄生调幅 ( )a t寄生调相 ( ) t一般较小，可以采用限幅的办法消除。 引起短稳指标恶化的主要根源 1122( )( )coscosntttt 随机相位噪声 ( )nt周期性杂散干扰 cos(1,2,3,)iit i( )costt000( )cos(cos)v tVtt( ) t 单频正弦波（1）000( )1( )cos( )vtV

14、a ttt000( )cos(cos)v tVtt 单频正弦波（1）弱干扰 cos1t 00000000000000( )coscos( cos)sinsin( cos)cossincos1cossin()sin() 2v tVttVttVtVttVtVtt有用信号有用信号+边频噪声边频噪声两个边频的总功率与载波功率之比 22002220111222PVVNSV000( )1( )cos( )v tVa ttt000( )1( )cos( )v tVa ttt(2) 随机相位噪声 ( ) t( )( )ntt( )1nt小相位噪声 00000( )cossinnv tVtVtt第二项 寄生调相

15、或调频的等效噪声电压 00( )sinnnv tVtt相位噪声 的双边带功率谱密度 ( )nt 2jnnSRed ( )1()2vnnsSL fSP第一项 有用信号单位：dBc/Hz 放大器放大器LC选频选频 反馈网络反馈网络A Z Buiic1ZLuouf()ZAB Z ()AB0 1 因因而而凡凡是是能能引引起起交交点点变变化化的的因因素素都都会会引引起起振振荡荡频频率率的的变变化化。Z ()AB0 1 定定 性性 分分 析析1 1, ,外外界界因因素素仅仅使使谐谐振振回回路路固固 有有频频率率0 变变化化, ,即即Z ) (000曲曲 线线 平平 移移) (111 在在这这种种情情况况下

16、下有有: : 10 0 1 2 2 谐谐振振回回路路的的品品质质因因数数 Q 变变化化 1 1 QQ1 1 故故可可看看出出提提高高频频率率稳稳定定度度的的方方法法: :0B()AQ降 低降 低增 大值o 1 1 电电感感: : TLLL ; ; 电电容容: : TCCC L LC C 振振荡荡回回路路的的温温度度系系数数: :)(210CLfTff 可可见见回回路路中中的的电电感感和和电电容容元元件件应应选选用用温温度度系系数数小小的的元元件件, ,另另外外还还可可采采用用温温度度补补偿偿的的方方法法3 3, ,减减 少少 负负 载载 的的 影影 响响2 2, ,减减少少晶晶体体管管对对振振

17、荡荡频频率率的的影影响响 极极 间间 电电 容容oeieCC,对对o 的的 影影 响响 , , 加大回路总电容加大回路总电容, 晶体管以部分接入方式接入回路晶体管以部分接入方式接入回路（CLAPP 或或 SEILOR） 工工作作点点及及内内部部状状态态的的变变化化, ,对对A 和和F 的的影影响响, ,可可通通过过稳稳定定工工作作点点及及相相位位补补偿偿方方法法. .LC1C2C3RLBA3.3.2 3.3.2 改进型电容三端式振荡电路改进型电容三端式振荡电路1 1 Clapp Oscilltor 3211111CCCC 由于一般由于一般 C1,C2取值较大取值较大, 即即 C1,C2C3 所

18、以有所以有: :3CC 振振荡荡频频率率：311LCLC RLECRLLC2C3C1Rb1Rb2CbReRcABLC1C2C3RLBARLLC1C2C3C4ABC4LC2C3C1Rb1Rb2CbReRcAB2 2. .S Se ei il lo or r O Os sc ci il ll la at to or r 与与 Clapp 电路不同点仅在于电路不同点仅在于 回路电感回路电感 L 两端并联一个可变电两端并联一个可变电 容容 C4 ,而而 C3 为固定值电容为固定值电容 ,且且 有有 C3C1,C2 其其振振荡荡频频率率为为: :)(1)(1434CCLCCL 其其中中33211111C

19、CCCC 而而电电压压反反馈馈系系数数: :12beceuCBuC保保持持不不变变, ,又又因因 RL的的接接入入系系数数为为: 321111111CCCCCCp 13CC EC由由于于 C3为为固固定定值值,所所以以p值值 不不变变（即即与与调调谐谐电电容容 C4无无 关关）,所所以以在在波波段段内内振振幅幅比比 较较稳稳定定,且且调调谐谐范范围围比比较较宽宽, 实实际际中中常常用用于于宽宽波波段段工工作作系系 统统中中. LC1C2C3C4AB3.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 (Crystal Oscillator)(1)石英晶体的物理性能和化学性能都十分稳定，它的尺寸受外界条件如温度

20、、湿度等影响很小.(3) 石英晶体谐振器具有非常高的Q值。空载品质因数Q一般为104106,与普通LC回路相比，其Q值极高，维持振荡频率稳定不变的能力极强。(2) 石英晶体谐振器的接入系数p很小，为10310 4。这大大减弱了有源器件的极间电容等参数和外电路中不稳定因素对石英晶体振荡器决定频率振荡系统的影响。3.5.2石英谐振器的特性石英谐振器的特性极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压压电效应压电效应kfd石英晶体可用集中参数石英晶体可用集中参数L Lq q、C Cq q、r rq

21、q构成构成串联谐振电路串联谐振电路来模拟，来模拟，L Lq q为为晶体的晶体的质量（惯性），质量（惯性），C Cq q 为为等效弹性模量等效弹性模量，r rq q 为机械振动中的为机械振动中的摩擦损耗摩擦损耗。 rqLqCqCoabqq0q0CCpCCC石英晶体谐振器对外负载的接入石英晶体谐振器对外负载的接入系数很小系数很小石英晶体谐振器的总阻抗为石英晶体谐振器的总阻抗为:001111qqqeqqqrjLjCCZrjLCjC石英晶体有两个谐振角频率。石英晶体有两个谐振角频率。一个是一个是串联谐振角频率串联谐振角频率 q，即石英片本身的，即石英片本身的自然角频率自然角频率。q1qqL Cq0q0

22、1pqC CLCC另一个为石英谐振器的另一个为石英谐振器的并联谐振角频率并联谐振角频率 p。 串串联联谐谐振振频频率率: :12qqqfC L 并联谐振频率并联谐振频率: :11(1)22qqpqqoooqqoqCCfffCCC CLCCqp电容性电容性电容性电容性电感性电感性XeO202111qepjCjX 串串,并联谐振频率并联谐振频率3.5.3 3.5.3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators)(Circuit of Crystal Oscillators)并并联联型型晶晶体体振振荡荡器器: : 晶晶体体以以电电感感元元件件方

23、方式式接接入入振振荡荡电电路路, ,振振荡荡频频率率pqfff 串串联联型型晶晶体体振振荡荡器器: : 晶晶体体以以低低阻阻抗抗方方式式串串接接在在晶晶体体与与晶晶体体管管之之间间, ,振振荡荡频频率率qff 1,并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器(PARALLEL CRYSTAL OSCILLATORS) 常用的有两种基本类型常用的有两种基本类型: :Millor Ocsillators (b-e)型振荡器型振荡器Pierce Ocsillators (c-b)型振荡器型振荡器ECJTC2C3C1Rb1Rb2CbReLc( (1 1 ) ) P Pi ie er rc ce e o oc cs

24、 si il ll la at to or rs s1 1. . 电电路路结结构构晶体晶体C1C2JTC3LqrqCqCoCLLqCqrqCoC1C2C3gmubegieLoqqLoLoqqqLoqLoqqoCCCCCCCCCLCCCCCCL 11)(1 利利用用二二项项式式展展开开, ,并并忽忽略略高高次次项项可可得得: :)(21(LoqqoCCC 另另外外由由右右图图可可以以看看出出, ,晶晶体体管管与与晶晶体体之之间间的的接接入入系系数数为为: :qLoqCCCCp 2 2电路的谐振频率的估算电路的谐振频率的估算: :C1CcCeRb1Rb2ReL1LEcJTC2C1C2L1JT（2 2） Millor OscillatorMillor Oscillator晶晶体体