第三章振荡器

第三章振荡器第1页，课件共73页，创作于2023年2月3.2载波产生模块制作与测试无线电设备中广泛使用各类频率源，比如发送设备中要采用振荡器产生高频正弦载波，而接收设备中要采用振荡器产生本地振荡信号用于混频。第2页，课件共73页，创作于2023年2月振荡器高频放大器倍频器高频功放及调制话筒调制信号放大器无线电发送设备的组成第3页，课件共73页，创作于2023年2月无线电接收机的组成框图

本机振荡器高频放大器混频器中频放大器振幅检波器低频放大器超外差式无线电接收机的框图第4页，课件共73页，创作于2023年2月第5页，课件共73页，创作于2023年2月3.2.1正弦波振荡器模块制作振荡:1.正弦波振荡器原理（1）反馈式正弦波振荡器的组成原理第6页，课件共73页，创作于2023年2月振荡器：指没有外加激励的情况下，凡是能够产生一定波形信号的装置或电路。因为不需要外加激励，产生的信号是“自激”的，因此常称为自激振荡器。振荡器的用途十分广泛，它是无线电发送设备的核心部分，也是超外差式接收机的主要部分。各种电子测试仪器，如信号发生器、数字式频率计等，其核心部分均离不开正弦波振荡器。第7页，课件共73页，创作于2023年2月振荡器的分类：１）按产生的波形可分为：正弦波振荡器（根据选频网络所采用的器件不同又可分为LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器等）非正弦波振荡器（如矩形脉冲、三角波、锯齿波等）２）按工作原理可分为：反馈式和负阻式反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。所谓产生振荡是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。这里主要研究反馈式正弦波振荡器的组成原理。重点：反馈式正弦波振荡器;以LC或晶体为选频网络的高频正弦波振荡器第8页，课件共73页，创作于2023年2月反馈概念的复习放大器反馈电路输入信号输出信号反馈信号净输入信号（+）（+）正反馈同相反馈式正弦波振荡器的工作原理（1）反馈式正弦波振荡器的组成原理第9页，课件共73页，创作于2023年2月1)、若|1-AF|>1，Af<A——负反馈2)、若|1-AF|<1，Af>A——正反馈3)、若|1-AF|=0，Af=∞——正反馈,自激振荡分析正反馈放大器:无须输入信号，有输出自激振荡时：振荡器框图图3.2.1反馈式正弦波振荡器的方框图第10页，课件共73页，创作于2023年2月振荡信号一般用电压信号表示为：反馈式正弦波的振荡条件：第11页，课件共73页，创作于2023年2月从结构上看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。选频网络决定了振荡器的振荡频率，它使电路只在该频率f0处才产生自激，其他频率都不满足自激条件，以产生某一特定频率f0的正弦信号。因此，反馈式正弦波振荡器由放大器、反馈网络和选频网络等部分组成，如图3.4所示。此外，为了使振荡的幅度稳定，振荡器还应含有稳幅环节，稳幅功能多由其他部分完成，故框图中未单独画出。LC振荡器RC石英晶体振荡器问题：无输入，振荡器的输出能量哪里来？图3.2.2反馈式正弦波振荡器的组成框图反馈式正弦波振荡器的组成框图第12页，课件共73页，创作于2023年2月LC振荡器分类变压器反馈式三点式振荡器电感三点式电容三点式第13页，课件共73页，创作于2023年2月三点式:abcL1L2abc三点式振荡器部分接入优点:Q高,选择性好.电源负载对回路影响小第14页，课件共73页，创作于2023年2月电感三点式振荡器电路由放大电路、选频电路和反馈电路三部分组成哈特莱振荡器优缺点：电感三点式振荡器容易起振，输出电压幅度较大，C采用可变电容后很容易实现振荡频率在较宽频段内调节，但由于反馈电压取自L2两端，故对LC回路中的高次谐波反馈较强，因而输出电压中谐波成分多，输出波形差。第15页，课件共73页，创作于2023年2月电容三点式振荡器结论：反馈式LC正弦波振荡电路

（能/不能）在无外加输入信号的情况下产生正弦波信号。从接通电源到振荡电路输出较稳定的正弦波振荡信号

（需要/不需要）经过一段时间，即LC正弦波振荡器的工作分为起振与平衡两个阶段。第16页，课件共73页，创作于2023年2月（b）起振现象（c）稳定振荡第17页，课件共73页，创作于2023年2月振荡器振荡过程的建立：起振平衡稳定（2）反馈式正弦波振荡器的振荡条件第18页，课件共73页，创作于2023年2月起振过程和起振条件起振过程：在刚接通电源时，电路中存在各种电子的扰动，比如接通电源瞬间引起的电流突变，电路中的热噪声等等，这些扰动均具有很宽的频谱，包含着各种频率分量。由于选频网络是由Q值极高的LC并联谐振回路组成带宽极窄，这些扰动中只有角频率为谐振角频率的分量才能通过反馈产生较大的反馈电压。第19页，课件共73页，创作于2023年2月若反馈电压与输入电压同相且具有更大的振幅，则经过线性放大和反馈的不断循环，振荡电压振幅就会不断增大。相位起振条件UF和Ui同相，（合拍）起振条件：振幅起振条件UF＞Ui，即AF＞1第20页，课件共73页，创作于2023年2月平衡条件振幅的增长到一定程度,放大器由放大区进入饱和区或截止区，工作于非线性的丙类状态，增益下降,当增益下降到反馈电压等于输入电压时增长过程将停止。振荡器达到平衡，进入等幅振荡状态。振荡器的平衡条件为：将模与相角分开，则有振幅平衡条件：A•F=1相位平衡条件：φA+φF=2nπ(n=0，1，2，3，…)Ｕf=Ui第21页，课件共73页，创作于2023年2月振荡器平衡状态的稳定条件---限幅上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平衡，但还不能说明这个平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持，还必须看平衡状态是否稳定。稳定平衡与不稳定平衡的概念

(a)不稳定平衡(b)稳定平衡图3.9两种平衡状态举例图(a)中的小球处于不稳定平衡状态。因为只要外力使它稍稍偏离平衡点B，小球即离开原来位置而落下，不可能再回到原状态。图(b)的小球则处于稳定平衡状态，因为外力可使它偏离平衡位置Q，外力一消除，它即自动回到原来的平衡位置。第22页，课件共73页，创作于2023年2月AuUomQUom1/FuQA0图3.10软自激的振荡特性当AF=1时即曲线Au和1/F相交于Q点，振荡器达到平衡，此平衡为稳定平衡；假定由于某种因素使振幅增大超过了UomQ，可见这时，即出现AF<1的情况，于是振幅就自动衰减而回到UomQ

当某种因素使振幅小于UomQ，这时，即出现AF>l的情况，于是振幅就自动增强，从而又回到UomQ

特点是不需外加激励，振荡便可以自激。稳幅方法:利用三极管放大的非线性实现内稳幅外加非线性元器件(RC电路)振荡器的稳定平衡所谓振荡器的稳定平衡，是指在外因作用下，振荡器在平衡点附近可重建新的平衡状态。一旦外因消失，它即能自动恢复到原来的平衡状态。

图3.2.3满足起振与平衡条件的AF特性第23页，课件共73页，创作于2023年2月（3）振荡器的性能指标由于正弦波振荡器产生一定频率和一定振幅的正弦信号，因此振荡频率f0和输出振幅Uom是其主要性能指标。此外，还要求输出正弦信号的频率和振幅和稳定性好，波形失真小，因此频率稳定度、振幅稳定度和波形失真系数也是振荡器的主要性能指标。作为能量转换的装置，还要考虑振荡器的效率和最大输出功率。由于波形失真系数与非线性失真系数类似，而效率和输出功率已为读者所熟悉，所以这里只讨论频率稳定度和振幅稳定度。第24页，课件共73页，创作于2023年2月频率准确度实际振荡频率与标称振荡频率之差，称为绝对频率准确度；f=f-fo相对频率准确度：f/fo=(f-fo)/fof0f∆f第25页，课件共73页，创作于2023年2月频率稳定度是指在规定时间间隔内和规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，相对频率准确度变化的最大值（绝对值）；LC频率稳定度10-3-10-4（普通函数信号发生器）中波广播电台发射机频率稳定度：10-5电视发射机频率稳定度：10-7第26页，课件共73页，创作于2023年2月振幅稳定度常用振幅的相对变化量S来表示；S=

Uom/Uom其中，Uom为输出电压振幅参考值；

Uom为实际值偏离参考值的部分；S与电源电压、元器件参数和温度变化有关；第27页，课件共73页，创作于2023年2月(1)检查电路是否含三个组成部分(2)检查电路静态工作点保证放大电路正常工作(3)分析是否满足自激振荡条件相位平衡条件起振条件和振幅平衡条件---易满足，若不满足可以调节放大倍数。φA+φF=2nπ(n=0，1，2，3，…)瞬时极性法相量图法三点式组成原则法（4）如何判断能否产生正弦波振荡?第28页，课件共73页，创作于2023年2月三点式振荡电路的判别法则Xce、Xbe电抗性质相同，Xcb与它们电抗性质相反。要想产生振荡，就必须满足下列条件：Xbe+Xce+Xbc=0XceXbeXbcbceIXbe,Xce同性,Xcb与它们电抗性质相反（射同ji反）证明参考：第29页，课件共73页，创作于2023年2月各种结构的振荡器第30页，课件共73页，创作于2023年2月

(a)(b)(c)图3.2.8例3.2.2的电路例3.2.2利用三点式振荡器的组成原则判断图3.2.8所示的振荡器能否产生振荡。第31页，课件共73页，创作于2023年2月例3.1振荡器电路如图3.15所示，图中C1=100pF，C2=0.0132

F，L1=100H，L2=300H。1)试画出交流等效电路；2)求振荡频率；3)是否满足相位平衡条件；4)求电压反馈系数F。第32页，课件共73页，创作于2023年2月解：(1)交流等效电路如图3.16所示。C1L1支路的谐振角频率为:(2)振荡器振荡角频率为(3)f0<f1L1C1支路呈容性,满足”射同ji异”,可以振荡第33页，课件共73页，创作于2023年2月4)电压反馈系数为所以

第34页，课件共73页，创作于2023年2月###电容三点式振荡器(考毕兹)带偏置放大器:分压式反馈网络:C2选频网络：L,C1,C2组成电路:相位平衡条件:射同ji异振荡频率C＝C1C2/(C1+C2)为回路的总电容第35页，课件共73页，创作于2023年2月F=C1/C2反馈系数:经验证明，F=C1/C2取1/2～1/8较为适宜。优点:1.电容三端振荡器的优点是输出波形较好，这是因为集电极和基极电流可通过对谐波为低阻抗的电容支路回到发射极，所以高次谐波的反馈减弱，输出的谐波分量减小，波形更加接近于正弦波。2.该电路中的不稳定电容(分布电容、器件的结电容等)都是与该电路并联的，因此适当加大回路电容量，就可以减弱不稳定因素对振荡频率的影响，从而提高了频率稳定度。最后．当工作频率较高时，甚至可以只利用器件的输入和输出电容作为回路电容。因而本电路适用于较高的工作频率，可达几百到上千兆赫。缺点：调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变，从而导致振荡器工作状态的变化，因此这个电路只适于作固频振荡器。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。另外，由于受管子输入和输出电容的影响，为保证振荡频率的稳定，振荡频率的提高将受到限制。第36页，课件共73页，创作于2023年2月P3M1:电容三点式振荡器（电容三点式）

---做一做第37页，课件共73页，创作于2023年2月项目：电容三点式振荡器基本特性的测试项目编号：SPC3-2任务要求：按测试程序要求完成所有测试内容，并撰写测试报告（格式要求见附录A）。测试设备：直流稳压电源1台，数字存储示波器1台。测试电路：如图3.1所示反馈式LC正弦波振荡电路（电容三点式振荡器），图中，VCC=12V，RW为100KΩ电位器，R1＝9.1KΩ，R2＝9.1KΩ，R3＝1KΩ，R4＝10Ω，R5＝1KΩ，C1＝510PF，C2＝910PF，C3＝1nF，L1＝3.9μH，L2＝4.7mH。图3.1反馈式LC正弦波振荡器测试电路102511第38页，课件共73页，创作于2023年2月四色环电感的认读：

第一环第二环第三环第四环

有效数字1

有效数字2

乘十的幂数

精度uH：无20%;银10%;金5%

例：棕黑棕银——>10X10=100μH，误差10%

橙橙金银——>33X0.1=3.3μH，误差10%棕、黑、金、金表示1uH（误差5%）的电感。

黑棕红橙黄绿蓝紫灰白金银无

0

1

2

3

4

5

6

7

8

90．

1第3道0．

01第3道

±5％第4道±10％第4道±20％电感、电容的认读第39页，课件共73页，创作于2023年2月电容的识别方法：：直标法、字母表示法和数标法

种。电容的基本单位用法拉（F）表示，其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。

其中：1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法

直标法:容量大的电容其容量值在电容上直接标明，如10uF/16V

容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示

字母表示法：1m=1000uF1P2=1.2PF1n=1000PF

数字表示法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是倍率。

如：102表示10×102PF=1000PF224表示22×104PF=0.22uF

电容容量误差表

符号FGJKLM

允许误差±1%±2%±5%±10%±15%±20%

如：一瓷片电容为104J表示容量为0.1uF、误差为±5%。

第40页，课件共73页，创作于2023年2月1521500p511510p3330.033u1021nF1030.01u电容的认读第41页，课件共73页，创作于2023年2月510p910p--102电容三点式电容三点式振荡器

（能/不能）在无外加输入信号的情况下产生正弦波信号。

第42页，课件共73页，创作于2023年2月C1C2C3C4输出510P910P实际电路102511第43页，课件共73页，创作于2023年2月###电容三点式振荡器(考毕兹)带偏置放大器:分压式反馈网络:C2选频网络：L,C1,C2组成电路:相位平衡条件:射同ji异振荡频率F=C1/C2反馈系数:第44页，课件共73页，创作于2023年2月电容三点式振荡器存在下述缺点：1.调节频率会改变反馈系数，2.管子的输入电容Ci和输出电容Co对振荡频率的影响限制了振荡频率的提高。为此，设计出了改进型电容三点式振荡器，它有串联型和并联型两种。串联改进型振荡器的基本特性(克拉泼电路)三步曲Ci第45页，课件共73页，创作于2023年2月图中C3<<C1,C3<<C2克拉泼电路振荡回路的总电容

C≈C3反馈系数：Fu=(C1+Co)/(C2+Ci)注意：C3不能太小，否则影响fo的调节范围。调节C3改变振荡频率时，不影响反馈系数；调节C1、C2改变反馈系数时，也不影响振荡频率；提高了频率的稳定度优点：适于作固频振荡器缺点：β正比于f03Uom反比于f03振荡频率稳定性好第46页，课件共73页，创作于2023年2月其中克拉泼振荡器的频率可调范围

(较小/较大)，适用作

(变频/固频)振荡器

第47页，课件共73页，创作于2023年2月为克服克拉泼振荡器的缺点，可采用图3.16（a）所示的并联改进型电容三点式振荡器。该振荡器又称为西勒（Seiler）振荡器，图3.16（b）为其交流通路。它与克拉泼振荡器不同之处仅在于回路电感L两端并联了一个可变电容C4，而C3为远小于C1、C2的固定电容。

并联改进型电容三点式振荡器(西勒（Seiler）振荡器)(a)电路(b)交流通路图3.16西勒振荡器第48页，课件共73页，创作于2023年2月西勒电路振荡回路的总电容C∑≈C3+C4

振荡频率

Ci和Co对fo几乎无影响；Fu=C1’/C2’=(C1+Co)/(C2+Ci)调节C4改变振荡频率时，不影响反馈系数和接入系数调节C1、C2改变反馈系数时，也不影响振荡频率；可作为高频时的可变频率振荡器；西勒电路的优点：频率稳定度高，振荡频率高，覆盖宽，振幅平稳，输出波形好。

第49页，课件共73页，创作于2023年2月西勒振荡器的频率可调范围

(较小/较大)，适用作

(变频/固频)振荡器。

西勒振荡器当改变振荡回路电容或电感大小调整振荡频率时，振荡器输出信号的振幅稳定度

（较好/较差）。

第50页，课件共73页，创作于2023年2月f3f0f3Xff0>f3判断振荡器能否振荡?振荡条件?改动第51页，课件共73页，创作于2023年2月f3f0f0<f3改动第52页，课件共73页，创作于2023年2月3.5利用相位平衡条件的判断准则，判断题图3.2所示的三点式振荡器交流等效电路，哪个是错误的(不可能振荡)，哪个是正确的(有可能振荡)，属于哪种类型的振荡电路，有些电路应说明在什么条件下才能振荡。(d)(a)(b)(c)√XXX第53页，课件共73页，创作于2023年2月(6)石英晶体振荡器前面所讨论的LC振荡器，它们的频率稳定度大约为10-2～10-3的数量级。即使采用了一系列稳频措施，一般也难以获得比10-4更高的频率稳定度。但是，实际情况往往需要更高的频率稳定度。将石英晶体作为振荡回路元件，可以获得很高的频率稳定度。石英晶体能使振荡器的频率稳定度大大提高是因为：a.石英晶体的物理和化学性能都十分稳定，因此，外界因素对其性能影响很小；b.它具有正、反压电效应，而且在谐振频率附近，晶体的等效参数Lq很大、Cq很小、rq也不高。因此，晶体的Q值可高达数百万数量级；c.石英晶体振荡器工作在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。第54页，课件共73页，创作于2023年2月

①晶体振荡器的基本特性根据晶体在振荡电路中的不同作用，振荡电路可分为两类：一类是石英晶体在电路中作为等效电感元件使用，这类振荡器称为并联谐振型晶体振荡器；另一类是把石英晶体作为串联谐振元件使用，使它工作于串联谐振频率上，称为串联谐振型晶体振荡器。下面就来分别讨论这两种振荡器电路。第55页，课件共73页，创作于2023年2月1.并联型晶体振荡器

(a)c-b型电路（b）b-e型电路图3.28并联谐振型晶体振荡器的两种基本形式

(a)相当于电容三点式(皮尔斯电路);(b)相当于电感三点式(密勒电路);第56页，课件共73页，创作于2023年2月皮尔斯电路振荡管的基极对高频接地，晶体接在集电极与基极之间，Cb为基极旁路电容，ZL为高频扼流圈，是典型的c-b型电路。C1与C2为回路的另外两个电抗元件。振荡器回路的等效电路如图(b)所示。由图可知，它类似于前面所学过的克拉泼电路。由于Cq非常小，因此，晶体振荡器的谐振回路与振荡管之间的耦合非常弱．从而使频率稳定性大为提高。（类似考比兹）第57页，课件共73页，创作于2023年2月皮尔斯电路的特点振荡频率几乎由晶振的参数决定，具有高度的稳定性。振荡频率

其中CL是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值，即产品要求的负载电容，CL＝C1//C2。Fu=C1/C2振荡频率一般调谐在标称频率fN上，位于晶振的感性区，电抗曲线陡，稳频性好；但改变C1和C2来满足CL的要求时，将使振幅发生变化；第58页，课件共73页，创作于2023年2月b-e型并联型晶体振荡器电路该电路是个双回路振荡器。根据图3.30(b)可知，L1C1回路应呈电感性，因此它的固有谐振频率f0应略高于振荡器的工作频率f，振荡器为电感三点式。由于管子的低输入阻抗与晶体并接，因此密勒电路的频率稳定度降低了。为此，可采用场效应管作为有源器件。必须指出，由于皮尔斯电路频率稳定度高，又无需外接线圈，故应用最为广泛。第59页，课件共73页，创作于2023年2月两种形式电路比较比较b-c型与b-e型两种振荡电路可知，b-e型电路的输出信号较大，L1C1回路还可以抑制其他谐波，但频率稳定度不如b-c型电路。因为在b-e型电路中，石英晶体接在输入阻抗低的b-e之间，降低了石英晶体的标准性。b-c型电路中的石英晶体则接在阻抗很高的b-c之间，石英晶体的标准性受影响很小。因此，在频率稳定度要求较高的电路中，几乎都采用b-c型电路。第60页，课件共73页，创作于2023年2月2.串联型晶体振荡器将晶体作为一个短路元件串接在正反馈支路中，工作在晶体的串联谐振频率上，称为串联型晶体振荡器。第61页，课件共73页，创作于2023年2月2.串联型晶体振荡器第62页，课件共73页，创作于2023年2月f0=fq此时晶体可看成短路，正反馈最强；回路振荡频率基本上等于fq而对于其他频率，晶体呈现很大的阻抗；因此电路的振荡频率和频率稳定度都由晶体决定；经过LC回路和晶体的两次选频，输出波形好；2.串联型晶体振荡器第63页，课件共73页，创作于2023年2月⒊泛音晶体振荡器石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器，或者是令晶体工作于它的泛音(overtone)频率上，构成泛音晶体振荡器。泛音?第64页，课件共73页，创作于2023年2月ω,3ω,5ω…..已知:f=3M,振荡器工作频率为15Mf1=10Mf0=15M3ω-5ω5次泛音可以振荡基频和３次泛音不可以振荡第65页，课件共73页，创作于2023年2月【设计案例】项目：晶体振荡器的设计项目编号：SPSA3-2设计指标：振荡频率fo＝10

0.01MHz；振幅Uom>1.5V;日频率稳定度优于10-5数量级；波形失真系数THD<5%。任务要求：完成原理图设计、元器件参数计算、元器件选型、电路装接与调试、电路性能检测、设计文档编写（设计报告格式见附录B，标准电路图纸格式见附录C）。第66页，课件共73页，创作于2023年2月项目：正弦波振荡器的设计（选讲）项目编号：SPSA3-1设计指标：①振荡器输出频率：f0=500kHz；②频率误差小于1.5kHz；③频率稳定度优于10－3；④振荡波幅度：U