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1、第三章高频电子线路正弦波振荡器第1页，此课件共27页哦概概 述述1.与与功放的比较功放的比较(从能量角度从能量角度)(1)功率放大器：功率放大器：在在输入信号控制下输入信号控制下，把直流电源提供的，把直流电源提供的直流能量直流能量转换为按信号规律变化的转换为按信号规律变化的交变能量交变能量。(2)正弦波振荡器正弦波振荡器(Sinewave Oscillator)：不需要输入信不需要输入信号控制，号控制，自动地自动地将将直流能量直流能量转换为频率和振幅特定的转换为频率和振幅特定的正弦正弦交变能量交变能量。2.正弦波振荡器的应用正弦波振荡器的应用 (1)无线发射机中的无线发射机中的载波信号源载波信
2、号源，超外差接收机中的，超外差接收机中的本本振信号源振信号源，电子测量仪器中的，电子测量仪器中的正弦波信号源正弦波信号源，数字系统中的，数字系统中的时时钟信号源钟信号源。第2页，此课件共27页哦 要求：要求：振荡频率和振幅振荡频率和振幅尤其是振荡频率的尤其是振荡频率的准确性和稳准确性和稳定性。定性。(2)高频加热设备和医用电疗仪器中的高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源正弦交变能源。要求：要求：高效产生足够大的高效产生足够大的正弦交变功率正弦交变功率，对振荡频率的，对振荡频率的准确性和稳定性不作过高要求。准确性和稳定性不作过高要求。本章只讨论本章只讨论前一类用途的振荡器前一类用途的振荡器
3、3.分类分类(按组成原理按组成原理)反馈振荡器：反馈振荡器：利用正反馈原理构成，应用广泛。利用正反馈原理构成，应用广泛。第3页，此课件共27页哦 负阻振荡器：负阻振荡器：利用负电阻效应抵消回路中的损耗，以利用负电阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。产生等幅自由振荡。3.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理1.组成组成由由主网络主网络和和反馈网络反馈网络构成的构成的闭合环路闭合环路。第4页，此课件共27页哦例：例：变压器耦合反馈变压器耦合反馈振荡器振荡器(交流通路交流通路)(1)主网络主网络负载为谐振回路的负载为谐振回路的谐振放大器谐振放大器(2)反馈网络反馈网络与与 L 相耦合
4、的线圈相耦合的线圈 Lf。第5页，此课件共27页哦2.工作原理工作原理 讨论该闭合环路产生等幅持续振荡的讨论该闭合环路产生等幅持续振荡的条件条件。(1)刚通电时，须经历一段刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长振荡电压从无到有逐步增长的过程的过程；(2)进入平衡状态时，振荡电压的进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持在相振幅和频率要能维持在相应的平衡值上应的平衡值上。(3)当外界不稳时，振幅和频率当外界不稳时，振幅和频率仍应稳定仍应稳定，而，而不会产生不会产生突变突变或或停止振荡停止振荡。第6页，此课件共27页哦 闭合环路闭合环路成为成为反馈振荡器反馈振荡器(Feedback Os
5、cillator)的的三个三个条件条件：(1)起振条件起振条件保证接通电源后从无到有地建立起振荡。保证接通电源后从无到有地建立起振荡。(2)平衡条件平衡条件保证进入平衡状态后能输出等幅持续保证进入平衡状态后能输出等幅持续振荡。振荡。(3)稳定条件稳定条件保证平衡状态不因外界不稳定因素影响保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏。而受到破坏。第7页，此课件共27页哦3.1.1 平衡和起振条件平衡和起振条件一、平衡条件一、平衡条件 将闭合环路在将闭合环路在处拆开，处拆开，并按所标极性定义它的并按所标极性定义它的环路增环路增益益为为 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，
6、与与，或，或 平衡条件平衡条件 第8页，此课件共27页哦说明：当说明：当环路闭合环路闭合后：后：，角，角频频率率为为(1)主网主网络络将将输输出正弦振出正弦振荡电压荡电压。(2)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，无需提供，无需外加外加输输入入电压电压。则则平衡条件平衡条件改写为：改写为：(1)振幅平衡条件：振幅平衡条件：环路增益的模环路增益的模(2)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(n=0，1，2，)正反馈正反馈第9页，此课件共27页哦 (1)在刚接通电源时，电路中的各部分存在着各种电的扰在刚接通电源时，电路中的各部分存在着各种电的扰动，动，这
7、些扰动这些扰动(噪声噪声)具有具有很宽的频谱很宽的频谱。(2)谐振回路具有谐振回路具有选频功能选频功能，只有角频率为，只有角频率为 osc 的分量的分量(osc 0)才能在谐振回路两端产生较大的电压。才能在谐振回路两端产生较大的电压。(3)变压器绕向正确，可保证反馈信号变压器绕向正确，可保证反馈信号 与与输输入信入信号号 同相，同相，经经放大和反放大和反馈馈的循的循环环，振，振荡电压荡电压的振幅不的振幅不断增断增长长。二、起振原理和条件二、起振原理和条件振荡建立之初的信号哪里来的？振荡建立之初的信号哪里来的？第10页，此课件共27页哦 可见，振荡器接通电源后，能够从小到大地建立起可见，振荡器接
8、通电源后，能够从小到大地建立起振荡振荡的条件的条件是：是：(1)振幅起振条件：振幅起振条件：(2)相位起振条件：相位起振条件：或或 (n=0，1，2，)这就是反馈振荡器的这就是反馈振荡器的起振条件起振条件。第11页，此课件共27页哦三、讨论平衡条件和起振条件同时满足三、讨论平衡条件和起振条件同时满足1.环路增益特性曲线环路增益特性曲线 作为作为反馈振荡器反馈振荡器，要满足，要满足起振条件起振条件，又要满足，又要满足平衡条件平衡条件。(1)起振起振时时，迅速增迅速增长长；下降，下降，(2)而后而后的增的增长长速度速度变变慢；慢；时时，(3)到到停止增停止增长长，振，振荡荡器器进进入平衡状入平衡状
9、态态，在相在相应应的平衡振幅的平衡振幅 ViA 上上维维持持等等幅振幅振荡荡。第12页，此课件共27页哦即即电电源接通后，源接通后，环环路增益的模路增益的模值值 必必须须具有随振具有随振荡电压荡电压振幅振幅 增大而下降的特性增大而下降的特性(如如图图)。而而环环路增益的路增益的相角相角 则则必必须维须维持在持在上。上。2.实现方法实现方法 环路中必须包含环路中必须包含非线性环节非线性环节，多由，多由主网络放大器的非主网络放大器的非线性放大特性线性放大特性实现的。实现的。例如：例如：变压变压器耦合反器耦合反馈馈振振荡荡器，器，刚刚通通电电时时，Vi 很小，很小，放大器小信号工作，增益放大器小信号
10、工作，增益较较大，相大，相应应的的 为为大于大于 1 的水平线。的水平线。第13页，此课件共27页哦的增大而下降。符合的增大而下降。符合对对当当 增大到一定数增大到一定数值值后，放大器后，放大器进进入大信号工作，入大信号工作，由于放大特性非由于放大特性非线线性，放大器的增益将随性，放大器的增益将随 增大而减增大而减小，相小，相应应地地也就随着也就随着的要求。的要求。第14页，此课件共27页哦3.1.2 稳定条件稳定条件 一、问题的提出一、问题的提出1.振荡电路中存在干扰振荡电路中存在干扰 (1)外部：外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回路参数的
11、变化。路参数的变化。(2)内部：内部：振荡电路内部存在固有噪声振荡电路内部存在固有噪声(起振时的原始输起振时的原始输入电压入电压,进入平衡后与输入电压叠加引起波动进入平衡后与输入电压叠加引起波动)。均造成均造成和和 的的变变化，破坏已化，破坏已维维持的持的平衡条件平衡条件。第15页，此课件共27页哦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 (1)通过放大和反馈的反复循环，振荡器离开原平衡状通过放大和反馈的反复循环，振荡器离开原平衡状态，导致态，导致停振停振或或突变突变到到新的平衡状态新的平衡状态。原平衡状态是不稳定原平衡状态是不稳定的的。(2)通过放大和反馈的反复循环，振荡器能够产
12、生回到通过放大和反馈的反复循环，振荡器能够产生回到平衡状态的平衡状态的趋势趋势。当干扰消失后，能回到平衡状态。原。当干扰消失后，能回到平衡状态。原平平衡状态是稳定的衡状态是稳定的。第16页，此课件共27页哦二、振幅稳定条件二、振幅稳定条件 图示图示增益特性环路，不仅满足增益特性环路，不仅满足起振和振幅平衡条件起振和振幅平衡条件，而且还满足而且还满足振幅振幅稳定条件稳定条件。1.稳定过程稳定过程 第17页，此课件共27页哦情况情况1：受到干扰使受到干扰使Vi 增大增大 回路增益下降回路增益下降 信号沿环信号沿环路传递一周后的信号（路传递一周后的信号（Vi）减小减小 输入信号的增大将受输入信号的增
13、大将受到抑制到抑制（当干扰消失的时候将回到原平衡点）（当干扰消失的时候将回到原平衡点）处在平衡点处在平衡点A第18页，此课件共27页哦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 如如右图所示右图所示，振荡器存在着两个，振荡器存在着两个平衡点平衡点 A 和和 B，其中，其中 A 是稳定的，是稳定的，B 点点是不稳定是不稳定分析：分析：若使若使，则则随之增大，随之增大，导导致致进进一步增大，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，这这种振种振荡荡器不器不满满足振幅足振幅起振条件，起振条
14、件，须须加大的加大的电电冲冲击击，产产生生大于大于的起始的起始扰动电压扰动电压，第19页，此课件共27页哦才能进入才能进入平衡点平衡点 A，产生持续，产生持续等幅振荡等幅振荡。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 要使平衡点要使平衡点稳稳定，定，必必须须在在 附近具有附近具有负负斜斜率率变变化，即随化，即随增大而下降的增大而下降的特性：特性：0 斜率越陡，斜率越陡，则则的的变变化而化而产产生的生的 变变化越大，化越大，系系统统回到回到稳态稳态的的时间时间越短，越短
15、，调节调节能力越能力越强强。第20页，此课件共27页哦三、三、相位相位(频率频率)稳定条件稳定条件1的偏移的偏移对对振振荡频荡频率的影响率的影响(1)相位平衡条件相位平衡条件 (n=0，1，2，)，表明每次放大和，表明每次放大和反反馈馈的的电压电压与原与原输输入入电压电压同相。同相。(2)分析回路相移受到的影响分析回路相移受到的影响第21页，此课件共27页哦2.相位相位(频率频率)稳定的讨论稳定的讨论 如果如果 具有随具有随 增加而减增加而减小的特性小的特性(如右如右图图)，则则必将阻止由必将阻止由外界因素引起的外界因素引起的频频率率变变化。化。由于由于(1)若某种原因使若某种原因使 0，导致
16、导致振荡频率振荡频率 原振荡频率原振荡频率 osc，随之减小，随之减小，的超前的超前势势必受到阻止，必受到阻止，第22页，此课件共27页哦 两种情况都通两种情况都通过过不断的放大和反不断的放大和反馈馈，最后都在原振，最后都在原振荡频荡频率率附近附近达到新的平衡，使达到新的平衡，使 。(2)若某种原因使若某种原因使 ，导致导致振荡频率振荡频率 随之随之增大增大，滞后滞后势势必受阻必受阻。原振荡频率原振荡频率 osc，第23页，此课件共27页哦3.平衡过程：平衡过程：4.相位稳定条件相位稳定条件 相角相角在在附近有附近有负负斜率斜率变变化，斜率越陡，化，斜率越陡，说明很小的振荡频率变化就可抵消干扰
17、引起的说明很小的振荡频率变化就可抵消干扰引起的=0，0，反复循环，反复循环，=0 0 达新的平达新的平衡衡。干。干扰扰消失后消失后=0，复原。，复原。第24页，此课件共27页哦的变化，干扰引起的频率波动就越小。的变化，干扰引起的频率波动就越小。5.例：说明例：说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件的相移的相移(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(2)反馈网络反馈电压反馈网络反馈电压 对对 由由两部分两部分组组成：成：第25页，此课件共27页哦即即 除放大管相移外，主要是并除放大管相移外，主要是并联谐联谐振回路的相振回路的相移移
18、 ，它在，它在谐谐振振频频率附近随率附近随 的的变变化化较较快，相比快，相比之下，之下，随随 的的变变化十分化十分缓缓慢，可慢，可认为认为它与它与 无关。无关。故故随随 变变化的特性可代表化的特性可代表 随随 变变化的化的特性。并特性。并联谐联谐振回路，其相振回路，其相频频特性：特性：谐谐振振频频率率 有有载载品品质质因数因数 第26页，此课件共27页哦 可见在实际振荡电路中，是依靠具有可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性负斜率相频特性的的谐振回路来谐振回路来满足相位稳定条件满足相位稳定条件的，的，且且，随随 的的变变化斜率越大，化斜率越大，频频率率稳稳定度越高。定度越高。3.1.3 基本组成及其分析方法基本组成及其分析方法 总之，要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足总之，要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足起振条件、平衡条件起振条件、平衡条件和和稳定条件稳定条件，缺一不可。，缺一不可。1.闭合环路组成闭合环路组成 (1)可变增益放大器可变增益放大器提供足够的增益，且其增益随提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。输入电压增大而减小。第27页，此课件共27页哦