振蕩器與信號(hào)源

振蕩器與信號(hào)源當(dāng)前第1頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)

振蕩電路是通過(guò)自激方式把直流電壓變換為按一定規(guī)律變化的電壓（如正弦波、方波、鋸齒波等）的一種電子電路，它不需外加信號(hào)的控制。本章介紹了正弦波、非正弦波振蕩器以及集成波形發(fā)生器。當(dāng)前第2頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)7.1振蕩電路的作用和分類能量的傳遞直流電能→振蕩電路→交流電能信號(hào)的處理直流電壓→振蕩電路→各種波形電壓電子鐘：1.5V電池→振蕩電路→微型電機(jī)→表針（使用的是1.5V直流電池提供電能，由振蕩電路產(chǎn)生精確的方波頻率信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)再帶動(dòng)表針轉(zhuǎn)動(dòng)）當(dāng)前第3頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)無(wú)線電技術(shù)中，超外差接收機(jī)中（如收音機(jī)）振蕩電路可以接收無(wú)線電信號(hào)；在自動(dòng)控制中，振蕩電路用來(lái)完成監(jiān)控、報(bào)警、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制以及定時(shí)控制；在遙控技術(shù)中，振蕩電路產(chǎn)生各種頻率的振蕩電壓，接收后經(jīng)過(guò)識(shí)別，達(dá)到遙控目的；在機(jī)械加工中可用振蕩電路產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行材料探傷。當(dāng)前第4頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)類別說(shuō)明反饋振蕩器正弦波振蕩器需滿足幅值、相位平衡條件非正弦波振蕩器采用定時(shí)強(qiáng)行正反饋方式實(shí)現(xiàn)負(fù)阻振蕩器正弦波振蕩器用器件的負(fù)阻效應(yīng)維持振蕩非正弦波振蕩器類別說(shuō)明分立元件振蕩器由R、L、C、三極管、變壓器等分立元件構(gòu)成集成振蕩器由集成放大器和數(shù)字門電路構(gòu)成晶體振蕩器物理器件（石英晶體）按振蕩器工作原理分類：按電路元件分類：當(dāng)前第5頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)按振蕩器輸出頻率分類：類別說(shuō)明超低頻振蕩器1Hz以下低頻振蕩器1Hz至3kHz高頻振蕩器3kHz至3MHz超高頻振蕩器3MHz以上按振蕩器輸出波形分類：正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器（矩形波、鋸齒波、尖脈沖、梯形波、階梯波振蕩器）。當(dāng)前第6頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)第一節(jié)振蕩電路的作用和分類振蕩電路一種不需外加信號(hào)激勵(lì)而能自動(dòng)將直流能量變換為周期性交變能量的電子電路。。

當(dāng)前第7頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)一振蕩電路的作用無(wú)線電發(fā)射機(jī)用它產(chǎn)生載荷信息的載波信號(hào)。

超外差接收機(jī)用它產(chǎn)生本地振蕩信號(hào)。

各種電子測(cè)量設(shè)備和計(jì)時(shí)儀表用它產(chǎn)生頻率（或時(shí)間）基準(zhǔn)信號(hào)。

工業(yè)生產(chǎn)部門廣泛應(yīng)用的高頻電加熱設(shè)備等。當(dāng)前第8頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)二分類按波形分：正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器（矩形波、鋸齒波、尖脈沖、梯形波、階梯波振蕩器

）按工作方式：負(fù)阻型振蕩器和反饋型振蕩器

按選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的原件分：

LC振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型當(dāng)前第9頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)類別說(shuō)明分立元件振蕩器由R、L、C、三極管、變壓器等分立元件構(gòu)成集成振蕩器由集成放大器和數(shù)字門電路構(gòu)成晶體振蕩器物理器件（石英晶體）按電路元件分類：當(dāng)前第10頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)按振蕩器輸出頻率分類：類別說(shuō)明超低頻振蕩器1Hz以下低頻振蕩器1Hz至3kHz高頻振蕩器3kHz至3MHz超高頻振蕩器3MHz以上當(dāng)前第11頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)第二節(jié)正弦波振蕩電路的基本原理Uf為反饋電壓F為反饋系數(shù)，Uf=FUo，A為電壓放大倍數(shù)，Uo=AUi，由于沒(méi)有輸入信號(hào)，所以Ui=Uf。當(dāng)前第12頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)問(wèn)題：在沒(méi)有外加信號(hào)的條件下，電路如何能有輸出信號(hào)呢？這是因?yàn)樵诮油娫此查g，放大電路中總存在著一定的噪聲電壓或瞬時(shí)干擾，盡管這些干擾信號(hào)的幅值十分微弱，但它們的頻率分布很寬。當(dāng)輸出端產(chǎn)生一個(gè)幅值很小頻率為f0的電壓信號(hào)時(shí)，它將以正反饋方式送回到輸入端，其余頻率的信號(hào)逐漸衰減為零。這樣頻率為f0的Uo越來(lái)越大。當(dāng)前第13頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)由于放大電路固有的非線性特性以及放大管的非線性，當(dāng)Uo增大到一定程度時(shí)，放大電路的工作范圍將進(jìn)入非線性區(qū)從而使Uo下降，因此，振幅增長(zhǎng)是受到限制的。此時(shí)，Uo=AUi=AUf=AFUo。即AF=1為使電路通電后Uo能夠有一個(gè)逐漸增大直至平衡于某一數(shù)值的過(guò)程，也就是說(shuō)補(bǔ)充的能量大于消耗的能量，要求電路起振的幅值條件為，AF≥1。當(dāng)前第14頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)（1）控制能量轉(zhuǎn)換的有源器件（如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、集成放大器等）：常以基本放大電路代替，其作用是保證電路從起振到有一定幅值的輸出電壓。（2）選頻網(wǎng)絡(luò)：由RC、LC、石英晶體等電路組成。它決定了振蕩頻率f0（3）正反饋網(wǎng)絡(luò)：由變壓器、R、L、C及其組合電路組成，保證Ui=Uf。在起振過(guò)程中使Uo從很小逐漸增大到穩(wěn)定的幅值。（4）限幅環(huán)節(jié)正弦波振蕩電路的組成當(dāng)前第15頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)振蕩器的起振條件基本反饋環(huán)如右圖：若在某種情況下1-=0時(shí)，此時(shí)即使沒(méi)有輸入信號(hào)(vi=0)時(shí)，放大器仍有輸出電壓放大器變?yōu)檎袷幤?。要維持一定振幅的振蕩，反饋系數(shù)F應(yīng)設(shè)計(jì)得大一些。一般取這樣就可以使得在＞1時(shí)的情況下起振。當(dāng)前第16頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)由上分析知，反饋型正弦波振蕩器的起振條件是：>1

其物理意義是：振幅起振條件要求反饋電壓幅度vf要一次比一次大，而相位起振條件則要求環(huán)路保持正反饋。當(dāng)前第17頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)振蕩器的平衡條件所謂平衡條件是指振蕩已經(jīng)建立，為了維持自激振蕩必須滿足的幅度與相位關(guān)系。振蕩器的平衡條件為=1

在平衡條件下，反饋到放大管的輸入信號(hào)正好等于放大管維持及所需要的輸入電壓，從而保持反饋環(huán)路各點(diǎn)電壓的平衡，使振蕩器得以維持。當(dāng)前第18頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題頻率穩(wěn)定，就是在各種外界條件發(fā)生變化的情況下，要求振蕩器的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差及偏差的變化最小。振蕩器的頻率穩(wěn)定度則是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，由于各種因素變化，引起的振蕩頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率變化的程度。絕對(duì)準(zhǔn)確度相對(duì)準(zhǔn)確度當(dāng)前第19頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)1、短期頻率穩(wěn)定度主要與溫度變化、電源電壓變化和電路參數(shù)不穩(wěn)定性等因素有關(guān)。2、長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度主要取決于有源器件和電路元件及石英晶體的老化特性，與頻率的瞬間變化無(wú)關(guān)。3、瞬間頻率穩(wěn)定度主要是由于頻率源內(nèi)部噪聲而引起的頻率起伏，它與外界條件和長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度無(wú)關(guān)。當(dāng)前第20頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)一、影響頻率穩(wěn)定度的因素1.振蕩回路參數(shù)對(duì)頻率的影響2.回路品質(zhì)因素Q值對(duì)頻率的影響Q值越高，則相同的相角變化引起頻率偏移越小。當(dāng)前第21頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)二、振蕩器穩(wěn)定頻率的方法1.減小外因變化，根除“病因”減小溫度的變化，可將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)；另使振蕩器遠(yuǎn)離熱源，如采用正、負(fù)溫度系數(shù)不同的L、C，抵消L、C。減小電源的變化，采用二次穩(wěn)壓電源供電；或者振蕩器采取單獨(dú)供電。3)減小濕度和大氣壓力的影響，通常將振蕩器密封起來(lái)。4)減小磁場(chǎng)感應(yīng)對(duì)頻率的影響，對(duì)振蕩器進(jìn)行屏蔽。當(dāng)前第22頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)5)消除機(jī)械振動(dòng)的影響通?？杉酉鹌|圈作減振器。減小負(fù)載的影響，在振蕩器和下級(jí)電路之間加緩沖器，提高回路Q值當(dāng)前第23頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)

2.提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性

所謂回路的標(biāo)準(zhǔn)性即指振蕩回路在外界因素變化時(shí)保持其固有諧振頻率不變的能力。要提高回路標(biāo)準(zhǔn)性即要減小，因此可采取優(yōu)質(zhì)材料的器件。

3.減小相角及其變化量

為使振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，則要求相角的數(shù)值小，且變化量小。

當(dāng)前第24頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)（一）RC正弦波振蕩器的組成1．RC串并聯(lián)電路的選頻特性當(dāng)R1=R2=R，C1=C2=C時(shí)

f0=1/2πRC得：相頻特性：幅頻特性：當(dāng)前第25頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)2．文氏電橋振蕩器

振蕩頻率計(jì)算：當(dāng)前第26頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)RC型正弦波振蕩器適合于產(chǎn)生幾赫～幾百千赫的低頻正弦信號(hào)。要提高振蕩頻率，就要降低R和C的數(shù)值。但是R值取得過(guò)小會(huì)使放大電路負(fù)載加重，C值的降低，電路中的寄生電容的影響就不容忽視，它們會(huì)影響振蕩頻率的穩(wěn)定性。所以超過(guò)1MHz的振蕩頻率常采用LC型正弦波振蕩器。當(dāng)前第27頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)3.晶體振蕩器壓電和反壓電效應(yīng)：石英是一種具有晶體結(jié)構(gòu)、外形呈角椎形六棱體的礦物質(zhì)。當(dāng)按某種方式將其切割成一定厚度的薄片時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)它具有一種特殊的物理現(xiàn)象。當(dāng)前第28頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)石英晶體的物理性能和化學(xué)性能十分穩(wěn)定，對(duì)周圍環(huán)境條件（如溫度、濕度、大氣壓力）的變化不敏感。

晶體振蕩器突出的優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度很高的正弦波振蕩。晶體振蕩器則可以比較容易地實(shí)現(xiàn)10-4～10-6。對(duì)晶體施加恒溫控制，還可提高到10-7～10-8數(shù)量級(jí)。目前晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度的極限是10-12～10-13。利用基音振動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率控制的晶體稱為基音晶體，其余稱為泛音晶體。采用AT切割石英片的基頻頻率一般都限制在20MHz以下。因?yàn)榇藭r(shí)石英片的厚度僅有0．041mm，頻率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的強(qiáng)度。當(dāng)前第29頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)石英諧振器的基本特性1.石英諧振器的等效電路晶體其中：大體反映石英片的質(zhì)量；幾十~幾百亨；反映其材料的剛性；；等效石英片產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)材料的能耗；幾百歐；稱為石英諧振器的并聯(lián)電容，它相當(dāng)于以石英片為介質(zhì)、以兩電極為極板的平板電容器的電容量和支架電容、引線電容的總和。幾~幾十。當(dāng)前第30頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)晶體振蕩電路當(dāng)前第31頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)第三節(jié)非正弦波振蕩器的組成

非正弦波振蕩電路包括矩形波振蕩電路、三角波及鋸齒波振蕩電路、階梯波振蕩電路等。矩形波振蕩器（多諧振蕩器）應(yīng)用最為廣泛當(dāng)前第32頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)矩形波發(fā)生器獲得矩形波方法有兩種：一種是矩形波發(fā)生器，可以直接產(chǎn)生所需矩形波；另一種是利用已有的周期性波形，通過(guò)整形電路變換為所需的矩形波。矩形波振蕩電路一般應(yīng)具有下列幾個(gè)環(huán)節(jié)：開(kāi)關(guān)器件、反饋網(wǎng)絡(luò)、延時(shí)環(huán)節(jié)

當(dāng)前第33頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)1、由集成放大器組成的矩形波發(fā)生器

原理：充放電周期當(dāng)前第34頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)參數(shù)的調(diào)整振蕩周期：改變RC或R1/RF參數(shù)。輸出電壓的幅值：穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。占空比：可利用二極管的單向?qū)щ娦?，使電容充電和放電回路時(shí)間常數(shù)不同。

當(dāng)前第35頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)矩形波發(fā)生器的特殊應(yīng)用方波本身除包含基波之外，還有大量的高次諧波，其頻譜極為豐富應(yīng)用1.可檢查低頻、中頻、甚至高頻放大器的失真。方波中平坦的—段主要包含低頻分量，而上升沿和下降沿主要是高頻分量；只需用示波器觀察放大后的波形中哪一部分失真了，即可判定該放大器有無(wú)失真以及屬于低頻失真還是高頻失真。當(dāng)前第36頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)2.利用它還能迅速確定頻率失真、相位失真、振幅失真。3.可用較低頻率的方波信號(hào)來(lái)檢查較寬的通頻帶，例如利用1kHz方波去檢查0～20kHz的通頻帶，或用40kHz方波來(lái)檢查0～800kHz的通頻帶。一般講，如果被測(cè)放大器能將頻率為f的方波不失真地放大，那么該放大器的頻率響應(yīng)便可達(dá)20f當(dāng)前第37頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)2．三角波和鋸齒波發(fā)生器

原理第一級(jí)組成滯回比較器（起開(kāi)關(guān)作用），第二級(jí)組成反相積分器（起延遲作用），兩級(jí)之間由電阻R2構(gòu)成反饋，形成振蕩。

當(dāng)前第38頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)若uo1為+uZ，則給電容C充電，輸出電壓uo線性下降，當(dāng)uo下降到零以后再下降到—R2UZ/R1值，使A1的同相輸入端電位超過(guò)門限電壓，uo1從+uZ跳變到—uZ。在uo1變?yōu)椤猽Z后，電容C放電，uo將線性上升，當(dāng)uo上升到R2UZ/R1之后，，uo1從—uZ跳變到+uZ，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。u+=u-時(shí)：

當(dāng)前第39頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)參數(shù)（1）三角波幅值（2）三角波周期當(dāng)前第40頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)鋸齒波發(fā)生電路

在三角波電路的基礎(chǔ)上，只要對(duì)電路稍加改動(dòng)，即可構(gòu)成鋸齒波發(fā)生電路，其中電路的電容充、放電時(shí)間常數(shù)是不同的。

當(dāng)前第41頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)第四節(jié)

集成波形發(fā)生器

波形發(fā)生器除了可以采用集成放大器和門電路以及一些分立元件構(gòu)成外，還可利用單片函數(shù)發(fā)生器8038，集成壓控振蕩器MC1648、LM566及集成時(shí)基電路555/556等靈活地組成各種波形發(fā)生電路，具有工作穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)以及工作可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化控制和測(cè)量、通信等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前第42頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)1．集成函數(shù)發(fā)生器8038

8038不僅可以產(chǎn)生正弦波信號(hào)，而且可以產(chǎn)生方波信號(hào)，此外它還有三角波信號(hào)輸出。當(dāng)前第43頁(yè)\共有50頁(yè)\編于星期二\7點(diǎn)2．集成壓控振蕩器它由積分器和同相滯回比