振荡器与信号源

振荡器与信号源当前1页，总共50页。

振荡电路是通过自激方式把直流电压变换为按一定规律变化的电压（如正弦波、方波、锯齿波等）的一种电子电路，它不需外加信号的控制。本章介绍了正弦波、非正弦波振荡器以及集成波形发生器。当前2页，总共50页。7.1振荡电路的作用和分类能量的传递直流电能→振荡电路→交流电能信号的处理直流电压→振荡电路→各种波形电压电子钟：1.5V电池→振荡电路→微型电机→表针（使用的是1.5V直流电池提供电能，由振荡电路产生精确的方波频率信号，驱动步进电机，电机再带动表针转动）当前3页，总共50页。无线电技术中，超外差接收机中（如收音机）振荡电路可以接收无线电信号；在自动控制中，振荡电路用来完成监控、报警、无触点开关控制以及定时控制；在遥控技术中，振荡电路产生各种频率的振荡电压，接收后经过识别，达到遥控目的；在机械加工中可用振荡电路产生的超声波进行材料探伤。当前4页，总共50页。类别说明反馈振荡器正弦波振荡器需满足幅值、相位平衡条件非正弦波振荡器采用定时强行正反馈方式实现负阻振荡器正弦波振荡器用器件的负阻效应维持振荡非正弦波振荡器类别说明分立元件振荡器由R、L、C、三极管、变压器等分立元件构成集成振荡器由集成放大器和数字门电路构成晶体振荡器物理器件（石英晶体）按振荡器工作原理分类：按电路元件分类：当前5页，总共50页。按振荡器输出频率分类：类别说明超低频振荡器1Hz以下低频振荡器1Hz至3kHz高频振荡器3kHz至3MHz超高频振荡器3MHz以上按振荡器输出波形分类：正弦波振荡器和非正弦波振荡器（矩形波、锯齿波、尖脉冲、梯形波、阶梯波振荡器）。当前6页，总共50页。第一节振荡电路的作用和分类振荡电路一种不需外加信号激励而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的电子电路。。

当前7页，总共50页。一振荡电路的作用无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号。

超外差接收机用它产生本地振荡信号。

各种电子测量设备和计时仪表用它产生频率（或时间）基准信号。

工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等。当前8页，总共50页。二分类按波形分：正弦波振荡器和非正弦波振荡器（矩形波、锯齿波、尖脉冲、梯形波、阶梯波振荡器

）按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器

按选频网络所采用的原件分：

LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型当前9页，总共50页。类别说明分立元件振荡器由R、L、C、三极管、变压器等分立元件构成集成振荡器由集成放大器和数字门电路构成晶体振荡器物理器件（石英晶体）按电路元件分类：当前10页，总共50页。按振荡器输出频率分类：类别说明超低频振荡器1Hz以下低频振荡器1Hz至3kHz高频振荡器3kHz至3MHz超高频振荡器3MHz以上当前11页，总共50页。第二节正弦波振荡电路的基本原理Uf为反馈电压F为反馈系数，Uf=FUo，A为电压放大倍数，Uo=AUi，由于没有输入信号，所以Ui=Uf。当前12页，总共50页。问题：在没有外加信号的条件下，电路如何能有输出信号呢？这是因为在接通电源瞬间，放大电路中总存在着一定的噪声电压或瞬时干扰，尽管这些干扰信号的幅值十分微弱，但它们的频率分布很宽。当输出端产生一个幅值很小频率为f0的电压信号时，它将以正反馈方式送回到输入端，其余频率的信号逐渐衰减为零。这样频率为f0的Uo越来越大。当前13页，总共50页。由于放大电路固有的非线性特性以及放大管的非线性，当Uo增大到一定程度时，放大电路的工作范围将进入非线性区从而使Uo下降，因此，振幅增长是受到限制的。此时，Uo=AUi=AUf=AFUo。即AF=1为使电路通电后Uo能够有一个逐渐增大直至平衡于某一数值的过程，也就是说补充的能量大于消耗的能量，要求电路起振的幅值条件为，AF≥1。当前14页，总共50页。（1）控制能量转换的有源器件（如晶体管、场效应管、集成放大器等）：常以基本放大电路代替，其作用是保证电路从起振到有一定幅值的输出电压。（2）选频网络：由RC、LC、石英晶体等电路组成。它决定了振荡频率f0（3）正反馈网络：由变压器、R、L、C及其组合电路组成，保证Ui=Uf。在起振过程中使Uo从很小逐渐增大到稳定的幅值。（4）限幅环节正弦波振荡电路的组成当前15页，总共50页。振荡器的起振条件基本反馈环如右图：若在某种情况下1-=0时，此时即使没有输入信号(vi=0)时，放大器仍有输出电压放大器变为振荡器。要维持一定振幅的振荡，反馈系数F应设计得大一些。一般取这样就可以使得在＞1时的情况下起振。当前16页，总共50页。由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：>1

其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度vf要一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。当前17页，总共50页。振荡器的平衡条件所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位关系。振荡器的平衡条件为=1

在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大管维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平衡，使振荡器得以维持。当前18页，总共50页。振荡器的频率稳定问题频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。振荡器的频率稳定度则是指在一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度。绝对准确度相对准确度当前19页，总共50页。1、短期频率稳定度主要与温度变化、电源电压变化和电路参数不稳定性等因素有关。2、长期频率稳定度主要取决于有源器件和电路元件及石英晶体的老化特性，与频率的瞬间变化无关。3、瞬间频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的频率起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。当前20页，总共50页。一、影响频率稳定度的因素1.振荡回路参数对频率的影响2.回路品质因素Q值对频率的影响Q值越高，则相同的相角变化引起频率偏移越小。当前21页，总共50页。二、振荡器稳定频率的方法1.减小外因变化，根除“病因”减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；另使振荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的L、C，抵消L、C。减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采取单独供电。3)减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。4)减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。当前22页，总共50页。5)消除机械振动的影响通常可加橡皮垫圈作减振器。减小负载的影响，在振荡器和下级电路之间加缓冲器，提高回路Q值当前23页，总共50页。

2.提高回路的标准性

所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持其固有谐振频率不变的能力。要提高回路标准性即要减小，因此可采取优质材料的器件。

3.减小相角及其变化量

为使振荡器的频率稳定度高，则要求相角的数值小，且变化量小。

当前24页，总共50页。（一）RC正弦波振荡器的组成1．RC串并联电路的选频特性当R1=R2=R，C1=C2=C时

f0=1/2πRC得：相频特性：幅频特性：当前25页，总共50页。2．文氏电桥振荡器

振荡频率计算：当前26页，总共50页。RC型正弦波振荡器适合于产生几赫～几百千赫的低频正弦信号。要提高振荡频率，就要降低R和C的数值。但是R值取得过小会使放大电路负载加重，C值的降低，电路中的寄生电容的影响就不容忽视，它们会影响振荡频率的稳定性。所以超过1MHz的振荡频率常采用LC型正弦波振荡器。当前27页，总共50页。3.晶体振荡器压电和反压电效应：石英是一种具有晶体结构、外形呈角椎形六棱体的矿物质。当按某种方式将其切割成一定厚度的薄片时，可以发现它具有一种特殊的物理现象。当前28页，总共50页。石英晶体的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。

晶体振荡器突出的优点是可以产生频率稳定度和准确度很高的正弦波振荡。晶体振荡器则可以比较容易地实现10-4～10-6。对晶体施加恒温控制，还可提高到10-7～10-8数量级。目前晶体振荡器频率稳定度的极限是10-12～10-13。利用基音振动实现对频率控制的晶体称为基音晶体，其余称为泛音晶体。采用AT切割石英片的基频频率一般都限制在20MHz以下。因为此时石英片的厚度仅有0．041mm，频率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的强度。当前29页，总共50页。石英谐振器的基本特性1.石英谐振器的等效电路晶体其中：大体反映石英片的质量；几十~几百亨；反映其材料的刚性；；等效石英片产生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。当前30页，总共50页。晶体振荡电路当前31页，总共50页。第三节非正弦波振荡器的组成

非正弦波振荡电路包括矩形波振荡电路、三角波及锯齿波振荡电路、阶梯波振荡电路等。矩形波振荡器（多谐振荡器）应用最为广泛当前32页，总共50页。矩形波发生器获得矩形波方法有两种：一种是矩形波发生器，可以直接产生所需矩形波；另一种是利用已有的周期性波形，通过整形电路变换为所需的矩形波。矩形波振荡电路一般应具有下列几个环节：开关器件、反馈网络、延时环节

当前33页，总共50页。1、由集成放大器组成的矩形波发生器

原理：充放电周期当前34页，总共50页。参数的调整振荡周期：改变RC或R1/RF参数。输出电压的幅值：稳压管的稳压值。占空比：可利用二极管的单向导电性，使电容充电和放电回路时间常数不同。

当前35页，总共50页。矩形波发生器的特殊应用方波本身除包含基波之外，还有大量的高次谐波，其频谱极为丰富应用1.可检查低频、中频、甚至高频放大器的失真。方波中平坦的—段主要包含低频分量，而上升沿和下降沿主要是高频分量；只需用示波器观察放大后的波形中哪一部分失真了，即可判定该放大器有无失真以及属于低频失真还是高频失真。当前36页，总共50页。2.利用它还能迅速确定频率失真、相位失真、振幅失真。3.可用较低频率的方波信号来检查较宽的通频带，例如利用1kHz方波去检查0～20kHz的通频带，或用40kHz方波来检查0～800kHz的通频带。一般讲，如果被测放大器能将频率为f的方波不失真地放大，那么该放大器的频率响应便可达20f当前37页，总共50页。2．三角波和锯齿波发生器

原理第一级组成滞回比较器（起开关作用），第二级组成反相积分器（起延迟作用），两级之间由电阻R2构成反馈，形成振荡。

当前38页，总共50页。若uo1为+uZ，则给电容C充电，输出电压uo线性下降，当uo下降到零以后再下降到—R2UZ/R1值，使A1的同相输入端电位超过门限电压，uo1从+uZ跳变到—uZ。在uo1变为—uZ后，电容C放电，uo将线性上升，当uo上升到R2UZ/R1之后，，uo1从—uZ跳变到+uZ，如此周而复始，产生振荡。u+=u-时：

当前39页，总共50页。参数（1）三角波幅值（2）三角波周期当前40页，总共50页。锯齿波发生电路

在三角波电路的基础上，只要对电路稍加改动，即可构成锯齿波发生电路，其中电路的电容充、放电时间常数是不同的。

当前41页，总共50页。第四节

集成波形发生器

波形发生器除了可以采用集成放大器和门电路以及一些分立元件构成外，还可利用单片函数发生器8038，集成压控振荡器MC1648、LM566及集成时基电路555/556等灵活地组成各种波形发生电路，具有工作稳定、抗干扰性强以及工作可靠等一系列优点，在自动化控制和测量、通信等领域中得到了广泛的应用。当前42页，总共50页。1．集成函数发生器8038

8038不仅可以产生正弦波信号，而且可以产生方波信号，此外它还有三角波信号输出。当前43页，总共50页。2．集