振荡器频率稳定问题晶体振荡器等.ppt
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1、笫笫5 5章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 5.1 引 言5.2 LC 振荡器的基本工作原理5.3 LC 振荡器的电路分析5.4 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 5.4.1 频率稳定度的计量频率稳定度的计量 5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因导致振荡频率不稳定的原因 5.4.3 主要稳频措施主要稳频措施5.5 晶体振荡器晶体振荡器 5.5.1 石英谐振器的基本特性石英谐振器的基本特性 5.5.2 晶体振荡电路晶体振荡电路5.6 负阻振荡器(*)5.7 RC 振荡器与开关电容振荡器(*)5.8 特殊振荡现象(*)2001年9月-12月15.4 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度5.4.1
2、 频率稳定度的计量频率稳定度的计量对振荡器频率性能的要求,通常用频率准确度和频率稳定度对振荡器频率性能的要求,通常用频率准确度和频率稳定度来衡量。来衡量。频率准确度又称频率精度频率准确度又称频率精度 绝对频率准确度绝对频率准确度 f:它表示振荡频率它表示振荡频率 f 偏离标称频率偏离标称频率的程度。的程度。相对频率准确度:相对频率准确度:为了合理评价不同标称频率振荡器的频率偏差,频率准确度也可用其相对值频率准确度也可用其相对值 来表示。来表示。2001年9月-12月25.4.1 5.4.1 频率稳定度的计量(续频率稳定度的计量(续频率稳定度的计量(续频率稳定度的计量(续1 1)频率稳定度频率稳
3、定度则是指在一定一定观测时间内观测时间内,由于各种因素由于各种因素变化,引起振荡频率相对于变化,引起振荡频率相对于标称频率变化的程度。标称频率变化的程度。(1)长期频率稳定度(长稳)长期频率稳定度(长稳)观测时间为一天以上的稳定度称为长期频率稳定度观测时间为一天以上的稳定度称为长期频率稳定度。一般高精度的频率基准、时间基准(如天文观测台、国家计时台等)均采用长期频率稳定度来计量频率源的特性。(2)短期频率稳定度(短稳)短期频率稳定度(短稳)观测时间在一天以内如以小时计量的频率稳定度。大多数电子观测时间在一天以内如以小时计量的频率稳定度。大多数电子设备和仪器均采用短稳来衡量。设备和仪器均采用短稳
4、来衡量。(3)瞬时频率稳定度(秒级频率稳定度)瞬时频率稳定度(秒级频率稳定度)瞬时频率稳定度用于衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化。瞬时频率稳定度用于衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化。这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰所引起。这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰所引起。2001年9月-12月35.4.1 5.4.1 频率稳定度的计量(续频率稳定度的计量(续频率稳定度的计量(续频率稳定度的计量(续2 2)举例:举例:LC 普通信号普通信号 中波中波 短波短波 电视电视 标准信号标准信号 原子钟原子钟 振荡器振荡器 发生器发生器 广播台广播台 通信机通信机 发射台发射台 发生器发生器 频率
5、标准频率标准2001年9月-12月45.4.2 5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因导致振荡频率不稳定的原因导致振荡频率不稳定的原因导致振荡频率不稳定的原因 能使环路相位平衡条件得以满足的能使环路相位平衡条件得以满足的频率即为该振荡器的振荡频率频率即为该振荡器的振荡频率与回路自然振荡频率与回路自然振荡频率 、回路有、回路有效效 Q 值以及环路附加相移值以及环路附加相移 的关的关系可写成:系可写成:外因:温度变化外因:温度变化 、电压变化、电压变化 、负载变化、负载变化 。内因:相位平衡条件。内因:相位平衡条件。2001年9月-12月55.4.2 5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因(续导致振荡
6、频率不稳定的原因(续导致振荡频率不稳定的原因(续导致振荡频率不稳定的原因(续1 1)1.影响影响 (或(或 )的主要因素)的主要因素 各种环境因素如温度、湿度、大气各种环境因素如温度、湿度、大气压力、振动等因素对回路电感压力、振动等因素对回路电感L和电和电容容C的影响。的影响。晶体管或其它器件的输入、输出阻晶体管或其它器件的输入、输出阻抗的变化。抗的变化。电路元件间分布电容的变化。电路元件间分布电容的变化。负载电抗参数的变化。负载电抗参数的变化。2001年9月-12月65.4.2 5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因(续导致振荡频率不稳定的原因(续导致振荡频率不稳定的原因(续导致振荡频率不稳定
7、的原因(续2 2)2.影响环路影响环路 Q 值的因素值的因素 器件输入、输出阻抗中的有功器件输入、输出阻抗中的有功部分。部分。负载电阻的变化。负载电阻的变化。回路损耗电阻尤其是电抗元件回路损耗电阻尤其是电抗元件的高频损耗,环路元器件的高频的高频损耗,环路元器件的高频响应等。响应等。2001年9月-12月75.4.2 5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因(续导致振荡频率不稳定的原因(续导致振荡频率不稳定的原因(续导致振荡频率不稳定的原因(续3 3)3.影响影响 的因素的因素事实上,还有许多其它原因,通事实上,还有许多其它原因,通过上述三途径对振荡频率的稳定过上述三途径对振荡频率的稳定性起着不良影
8、响。性起着不良影响。反馈变压器的非理想电抗因素。反馈变压器的非理想电抗因素。晶体管的输入阻抗和输出阻抗。晶体管的输入阻抗和输出阻抗。晶体管的晶体管的 值可为复数。值可为复数。环路内各种噪声源引起的相差环路内各种噪声源引起的相差抖动等。抖动等。2001年9月-12月85.4.3 5.4.3 主要稳频措施主要稳频措施主要稳频措施主要稳频措施1.提高谐振回路的标准性提高谐振回路的标准性 回路的标准性是指在外界因素如温度、湿度、大气压力等变化回路的标准性是指在外界因素如温度、湿度、大气压力等变化时,谐振回路保持其谐振频率固定不变的能力。标准性越高,时,谐振回路保持其谐振频率固定不变的能力。标准性越高,
9、回路自然谐振频率随环境条件变化的可能性就越小。回路自然谐振频率随环境条件变化的可能性就越小。提高回路标准性的主要措施是提高回路标准性的主要措施是选用高品质因数、高稳定性和选用高品质因数、高稳定性和低温度系数、低吸水性的电容器与电感器。低温度系数、低吸水性的电容器与电感器。等号右边的负号表示频率变化的方向与电抗变化的方向刚好等号右边的负号表示频率变化的方向与电抗变化的方向刚好相反。如电感量加大,振荡频率将降低。相反。如电感量加大,振荡频率将降低。2001年9月-12月95.4.3 5.4.3 主要稳频措施(续主要稳频措施(续主要稳频措施(续主要稳频措施(续1 1)温度补偿法和温度隔离法温度补偿法
10、和温度隔离法:引起电抗元件电感量和电容量:引起电抗元件电感量和电容量变化最明显的环境因素是温度的变化。变化最明显的环境因素是温度的变化。温度补偿法:用具有负温度系数的瓷介电容器,接入由普温度补偿法:用具有负温度系数的瓷介电容器,接入由普通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路。通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路。温度隔离法:将关键电抗元件置于特制的恒温槽内,使槽内的温度隔离法:将关键电抗元件置于特制的恒温槽内,使槽内的温度基本上不随外界环境温度的变化。温度基本上不随外界环境温度的变化。利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成的电利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容
11、构成的电磁谐振系统磁谐振系统,它是高稳频率源的一个重要形式。,它是高稳频率源的一个重要形式。由于这种谐振系统构成的振荡器,不但频率稳定性、频率准确由于这种谐振系统构成的振荡器,不但频率稳定性、频率准确度高,而且体积、耗电均很小,因此,在许多领域已被广泛地度高,而且体积、耗电均很小,因此,在许多领域已被广泛地采用。采用。2001年9月-12月105.4.3 5.4.3 主要稳频措施(续主要稳频措施(续主要稳频措施(续主要稳频措施(续2 2)2.削弱不稳定因素对谐振特性的影响削弱不稳定因素对谐振特性的影响 晶体管的参数稳定晶体管的参数稳定:晶体管的参数(输入输出阻抗等)受:晶体管的参数(输入输出阻
12、抗等)受工作点的影响较大,因此注意工作点的影响较大,因此注意选择工作点稳定电路与良好的选择工作点稳定电路与良好的稳压电路。稳压电路。选择回路与器件间的接入系数:晶体管的输入输出阻抗、选择回路与器件间的接入系数:晶体管的输入输出阻抗、外接负载阻抗、各种分布电容和引线电感都是影响回路标准外接负载阻抗、各种分布电容和引线电感都是影响回路标准性的重要因素。因此性的重要因素。因此选择回路与器件间的接入系数,选择合选择回路与器件间的接入系数,选择合适的回路与负载间的耦合系数,适的回路与负载间的耦合系数,尽可能减小不稳定的分布电尽可能减小不稳定的分布电容和引线电感的影响,对于提高频率稳定性是十分重要的。容和
13、引线电感的影响,对于提高频率稳定性是十分重要的。外接负载阻抗:为了减小负载对振荡器的影响,外接负载阻抗:为了减小负载对振荡器的影响,振荡器后振荡器后一一般都般都接有缓冲级接有缓冲级例如高输入阻抗的例如高输入阻抗的跟随器跟随器(发射极输出器)。(发射极输出器)。如必须直接连接时,也应采用变比较大的如必须直接连接时,也应采用变比较大的降压变压器,或分压降压变压器,或分压比很小的电容分压网络再与其它负载相联接比很小的电容分压网络再与其它负载相联接。2001年9月-12月115.4.3 5.4.3 主要稳频措施(续主要稳频措施(续主要稳频措施(续主要稳频措施(续3 3)采用改进型的电路(克拉泼和西勒电
14、路)采用改进型的电路(克拉泼和西勒电路):减小振荡管自:减小振荡管自身的输入、输出阻抗对回路性能即振荡频率的影响。身的输入、输出阻抗对回路性能即振荡频率的影响。特别是在三点式振荡电路中,器件三个端口的等效阻抗特别是在三点式振荡电路中,器件三个端口的等效阻抗 、直接与回路三个电抗元件相连接,由于器件直接与回路三个电抗元件相连接,由于器件端口等效阻抗的稳定性很差,且随工作状态改变而改变,其端口等效阻抗的稳定性很差,且随工作状态改变而改变,其频率稳定度的提高受到严重的影响。频率稳定度的提高受到严重的影响。谐振回路的选择:谐振回路的选择:选择高品质因数的谐振回路(石英谐振选择高品质因数的谐振回路(石英
15、谐振器)。器)。2001年9月-12月125.5 晶体振荡器晶体振荡器 压电和反压电效应压电和反压电效应:石英是一种具有晶体结构、外形呈角椎:石英是一种具有晶体结构、外形呈角椎形六棱体的矿物质。按某种方式将其切割成薄片,对薄片某两形六棱体的矿物质。按某种方式将其切割成薄片,对薄片某两侧面施加外力使其产生形变(压缩或伸长)则薄片另两侧将出现侧面施加外力使其产生形变(压缩或伸长)则薄片另两侧将出现正、负电荷的集聚,该正负电荷的电荷量相等,并与石英的形变正、负电荷的集聚,该正负电荷的电荷量相等,并与石英的形变量成正比。反之,在晶片两侧加一电压使之形成电场,则石英量成正比。反之,在晶片两侧加一电压使之
16、形成电场,则石英片晶格中偶极子由于电场力的作用,将使薄片产生机械形变。片晶格中偶极子由于电场力的作用,将使薄片产生机械形变。晶体振荡器晶体振荡器晶体振荡器晶体振荡器:利用石英晶体的压电和反压电效应对正弦振荡频:利用石英晶体的压电和反压电效应对正弦振荡频:利用石英晶体的压电和反压电效应对正弦振荡频:利用石英晶体的压电和反压电效应对正弦振荡频率进行控制的振荡器。率进行控制的振荡器。率进行控制的振荡器。率进行控制的振荡器。石英谐振器石英谐振器(晶体)晶体):利用石英晶体压电效应制成的谐振器件。:利用石英晶体压电效应制成的谐振器件。在石英片两侧形成两个与外电路连接的电极,并把电极固定在支在石英片两侧形
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