《正弦波振荡器 》PPT课件.ppt

第第 3 章章正弦波振荡器正弦波振荡器概述概述3.1反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理3.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度3.4晶体振荡器晶体振荡器3.5RC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.6负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器3.7寄生振荡、间歇振荡和频率占据寄生振荡、间歇振荡和频率占据 正弦波振荡器的振荡原理（振荡三条件），正弦波振荡器的振荡原理（振荡三条件），LC三三点式振荡电路的组成原则，三点式振荡电路起振条件的点式振荡电路的组成原则，三点式振荡电路起振条件的工程估算法。工程估算法。1.1.基本要求与基本知识点基本要求与基本知识点 正弦波振荡器的振荡原理（振荡三条件）及正弦波振荡器的振荡原理（振荡三条件）及LC三点三点式振荡电路的组成原则，三点式振荡电路起振条件的分式振荡电路的组成原则，三点式振荡电路起振条件的分析方法。析方法。2 2掌握的基本理论和方法：掌握的基本理论和方法：概述概述一、与功放比较一、与功放比较(从能量角度从能量角度)1功率放大器功率放大器将将直直流流电电源源提提供供的的直直流流能能量量转转换换为为按按信信号号规规律律变变化化的的交交变能量。变能量。特点：被动地，需输入信号控制特点：被动地，需输入信号控制2正弦波振荡器正弦波振荡器(Sinewave Oscillator)将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。特点：特点：自动地自动地，无需输入信号控制。，无需输入信号控制。二、正弦波振荡器的应用二、正弦波振荡器的应用1作信号源作信号源(本章将讨论本章将讨论)要求：要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。振荡频率和振幅的准确性和稳定性。2正弦交变能源正弦交变能源(本章不讨论本章不讨论)要求：要求：功率足够大，高效。功率足够大，高效。有源器件特性和振荡原理：反馈振荡器，负阻振荡器有源器件特性和振荡原理：反馈振荡器，负阻振荡器波形：正弦波振荡器；非正弦波振荡器波形：正弦波振荡器；非正弦波振荡器选频网络：选频网络：LC振荡器，晶体振荡器，振荡器，晶体振荡器，RC振荡器振荡器三、分类三、分类四、振荡的基本原理四、振荡的基本原理LCR 回路的自由振荡回路的自由振荡R=0 时时，有：有：振荡器的振荡频率等于选频回路的中心频率。振荡器的振荡频率等于选频回路的中心频率。获得等幅持续振荡的条件：获得等幅持续振荡的条件：1、引入一个负电阻，以抵消引入一个负电阻，以抵消LC 回路中固有的正电阻；回路中固有的正电阻；2、引入正反馈；引入正反馈；LC 正反馈振荡器必须具备的三个条件：正反馈振荡器必须具备的三个条件：1、一套振荡回路，包含两个（或两个以上的）异性、一套振荡回路，包含两个（或两个以上的）异性质储能元件。能量在储能元件间交换，每秒钟能量交换质储能元件。能量在储能元件间交换，每秒钟能量交换的次数即为振荡器的振荡频率。该频率值取决于的次数即为振荡器的振荡频率。该频率值取决于LC的值，的值，即该回路决定即该回路决定 f0;2、一个能量来源，即直流电源；、一个能量来源，即直流电源；3、一个控制元件（设备），由有源器件和正反馈电路、一个控制元件（设备），由有源器件和正反馈电路组成。组成。1组成组成主网络与反馈网络构成主网络与反馈网络构成闭合环路闭合环路。图图 3-1-1反馈振荡器的组成方框及相应电路反馈振荡器的组成方框及相应电路例：变压器耦合反馈例：变压器耦合反馈振荡器振荡器(交流通路交流通路)。3.1反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理2等幅持续振荡的条件等幅持续振荡的条件 刚刚通通电电时时，须须经经历历一一段段振振荡荡电电压压从从无无到到有有逐逐步步增增长长的的过程。过程。进进入入平平衡衡状状态态时时，振振荡荡电电压压的的振振幅幅和和频频率率要要能能维维持持在在相应的平衡值上。相应的平衡值上。当当外外界界条条件件不不稳稳时时，振振幅幅和和频频率率仍仍应应稳稳定定，而而不不会会产产生突变或停止振荡。生突变或停止振荡。闭合环路成为反馈振荡器的闭合环路成为反馈振荡器的三个条件三个条件：起振条件起振条件接通电源后可从无到有建立起振荡。接通电源后可从无到有建立起振荡。平衡条件平衡条件进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。稳稳定定条条件件平平衡衡状状态态不不因因外外界界不不稳稳定定因因素素的的影影响响而受到破坏。而受到破坏。平衡和起振条件平衡和起振条件一、起振条件一、起振条件 1分析分析 刚通电时刚通电时 谐振回路的选频功能谐振回路的选频功能 变压器绕向正确变压器绕向正确2 2起振条件起振条件(1)振幅起振条件振幅起振条件，或或环路增益环路增益(2)相位起振条件相位起振条件 T(osc)=A(osc)+f(osc)=2n(n=0，1，2，)二、平衡条件二、平衡条件1分析分析同相又等幅，即同相又等幅，即若在某一若在某一频频率率 上，上，与与当当环路闭合环路闭合后：后：主网主网络络将将输输出正弦振出正弦振荡电压荡电压 ，角，角频频率率为为 。所需所需输输入入电压电压 全部由反全部由反馈电压馈电压 提供，无需外提供，无需外加加输输入入电压电压。2平衡条件平衡条件由由则：则：振幅平衡条件：振幅平衡条件：环路增益的模环路增益的模 T(osc)=1 相位平衡条件：相位平衡条件：环路增益的相角环路增益的相角 T(osc)=2n(n=0，1，2，)3讨论讨论反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：起振起振时时，T(osc)1，Vi 迅速增迅速增长长；随随后后，T(osc)下降，下降，Vi 的增的增长长速度速度变变慢；慢；图图 3-1-2 环环路路增增益益的的相相角角 T(osc)则则必必须维须维持在持在 2n 上。上。例例变压变压器耦合反器耦合反馈馈振振荡荡器器 符合符合起振与平衡条起振与平衡条件件对对 T(osc)的要求。的要求。到到 T(osc)=1 时时，Vi 停止停止增增长长，振，振荡荡器器进进入平衡状入平衡状态态，在，在相相应应的平衡振幅的平衡振幅 ViA 上上维维持等幅振持等幅振荡荡。稳定条件稳定条件一、问题的提出一、问题的提出 稳定条件：保证平衡状态不因外界不稳定因素的稳定条件：保证平衡状态不因外界不稳定因素的影响受到破坏的条件。影响受到破坏的条件。平衡状态平衡状态稳定平衡状态稳定平衡状态不稳定平衡状态不稳定平衡状态1振荡电路中存在干扰振荡电路中存在干扰 外外部部：电电源源电电压压、温温度度、湿湿度度的的变变化化，引引起起管管子子和和回路参数的变化。回路参数的变化。内部：内部：存在固有噪声存在固有噪声。均造成均造成 T(osc)和和 T(osc)的的变变化，破坏平衡条件。化，破坏平衡条件。2干扰对平衡状态的影响干扰对平衡状态的影响(两种两种)通过放大和反馈的反复循环：通过放大和反馈的反复循环：振振荡荡器器离离开开原原平平衡衡状状态态，导导致致停停振振或或突突变变到到新新的的平平衡状态衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免。原平衡状态是不稳定的，应避免。振振荡荡器器有有回回到到平平衡衡状状态态的的趋趋势势。当当干干扰扰消消失失后后，能能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。二、振幅稳定条件二、振幅稳定条件 1稳定过程稳定过程 若若，干扰使：，干扰使：最后在新的最后在新的 上重新上重新满满足平衡条件足平衡条件 T(osc)=1最后达到新的平衡。最后达到新的平衡。2环路增益存在两个平衡点的情况环路增益存在两个平衡点的情况图图 3-1-3分分析析：若若使使 Vi ViB，则则 T(osc)随随之之增增大大，导导致致 Vi 进进一步增大，从而更一步增大，从而更远远离离平衡点平衡点 B。最后到达。最后到达平衡点平衡点 A。反之反之，若，若，直到停止振直到停止振荡荡。可可见见，这这种种振振荡荡器器不不满满足足振振幅幅起起振振条条件件，必必须须加加大大的的电电冲冲击击，产产生生大大于于ViB 的的起起始始扰扰动动电电压压，才才能能进进入入平平衡衡点点 A，产生持续等幅振荡。，产生持续等幅振荡。硬激励：硬激励：靠外加冲击而产生振荡。靠外加冲击而产生振荡。软激励：软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。接通电源后自动进入稳定平衡状态。3振幅稳定条件振幅稳定条件 要要使使平平衡衡点点稳稳定定，T(osc)必必须须在在 ViA 附附近近具具有有随随 Vi 增增大而下降大而下降(负斜率变化负斜率变化)的的特性特性，即，即斜斜率率越越陡陡，则则 Vi 的的变变化化而而产产生生的的 T(osc)变变化化越越大大，系系统统回到回到稳态稳态的的时间时间越短，越短，调节调节能力越能力越强强。三、相位三、相位(频率频率)稳定条件稳定条件1 T(osc)的偏移对振荡频率的影响的偏移对振荡频率的影响 由由相位平衡条件相位平衡条件 T(osc)=2n(n =0，1，2，)，表表明明每每次次放放大大和和反反馈馈后后的的电压电压与原与原输输入入电压电压同相。同相。若某种原因使若某种原因使 T(osc)0 若某种原因使若某种原因使 T(osc)0(即即 osc)，由由特特性性，T()0，Vi 的的超超前前势势必必受受到到阻止阻止。若若某某种种原原因因使使 T(osc)0(即即 0，Vi 滞后滞后必受阻必受阻。3相位稳定条件相位稳定条件图图 3-1-4 4举举例例说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。T()由由两部分两部分组组成：成：(1)放大器放大器输输出出电压电压 对输对输入入电压电压 的相移的相移 A()(2)反馈网络反馈电压反馈网络反馈电压 对对 的相移的相移 f()即即 T()=A()+f()T()=A()+f()A()放大管放大管(可略可略)并联谐振回路相移并联谐振回路相移 Z()f()，可，可认为认为它与它与 无关。无关。故故 Z()随随 变变化的特性可代表化的特性可代表 T()随随 变变化的特性。化的特性。(a)并联谐振回路并联谐振回路图图 3-1-5谐振回路的相频特性曲线谐振回路的相频特性曲线并并联谐联谐振回路，其相振回路，其相频频特性特性 0 谐谐振振频频率率 Qe 有有载载品品质质因数因数 基本组成及其分析方法基本组成及其分析方法 要要产产生生稳稳定定的的正正弦弦振振荡荡，振振荡荡器器必必须须满满足足起起振振、平平衡衡、稳定稳定三项条件三项条件。1组成组成 可可变变增增益益放放大大器器提提供供足足够够的的增增益益，且且其其增增益益随随输入电压增大而减小。输入电压增大而减小。相相移移网网络络具具有有负负斜斜率率变变化化的的相相频频特特性性，为为环环路路提供合适的相移，保提供合适的相移，保证证在在谐谐振振频频率上的相移率上的相移为为 2n。或：四个环节或：四个环节2种类种类 根据可变增益放大器和相移网络的不同：根据可变增益放大器和相移网络的不同：(1)可变增益放大器可变增益放大器 按放大管按放大管 按实现可变增益的方法按实现可变增益的方法内稳幅内稳幅：利用放大管固有的非线性利用放大管固有的非线性 外外稳稳幅幅：放放大大器器线线性性工工作作，另另外外插插入入非非线线性性环环节节，共共同组成。同组成。(2)相移网络相移网络具有负斜率变化的相移具有负斜率变化的相移 LC 谐振回路谐振回路 RC 相移和选频网络相移和选频网络 石英晶体谐振器石英晶体谐振器2工程分析方法工程分析方法 首首先先，检检查查环环路路是是否否包包含含可可变变增增益益放放大大器器和和相相频频特特性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。其其次次，分分析析起起振振条条件件。起起振振时时，放放大大器器小小信信号号工工作作，可可用用小小信信号号等等效效电电路路分分析析方方法法导导出出 T(j)，并并由由此此求求出出起起振振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。若若振振荡荡电电路路合合理理，又又满满足足起起振振条条件件，就就能能进进入入稳稳定定的的平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。最后，最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。