振荡器基础知识

在大多数测量和仪器仪表系统、测试装置、电子故障排除设备和其他电子系统中，信号发生器是必不可少的设备，用于产生特定频率和振幅的不同波形(或信号)。

这些信号由信号发生器提供，用于激励各种电子测量装置和处理电路，以便将各种换能器的输出转换为有用的信息。

信号发生器的激励可以是稳定的交流信号或恒定的直流信号，在某些情况下还需要改变激励的幅度和频率。

信号发生器产生的一些波形包括正弦波形、矩形波形、三角形波形、正方形波形和脉冲波形。在某些应用中，这些波形要求在音频和射频频率。

因此，产生这种具有一定幅度和频率的波形的电子电路称为振荡器。有不同类型的振荡器可以产生高达千兆赫的高频输出。

在学习几种振荡器之前，让我们先了解振荡器电路的基本知识。

振荡器是什么?

用来产生具有恒定振幅和恒定期望频率的输出信号的电子电路称为振荡器。它也被称为波形发生器，它包含有源和无源两种元件。

振荡器的主要功能是将直流功率转换成频率很高的周期信号或交流信号。振荡器不需要任何外部输入信号在输出处产生期望的幅度和频率的正弦或其他重复波形，甚至不使用任何机械运动部件。

对于放大器，只要输入信号出现在输入端，能量转换就开始了，即放大器产生的输出信号的频率或波形与输入信号相似，但幅值或功率级别一般较高。如果在输入端没有输入信号，输出信号将会缺席。

相反，振荡器启动或维持转换过程不需要任何输入信号如图所示。直流电源只要连接到振荡器电路上，就会不断产生输出信号，其频率由其中的元件决定。

上图是振荡器的框图。振荡器电路使用真空管或晶体管产生交流输出。

输出振荡由槽电路元件R和C或L和C产生。为了连续产生输出而不需要任何前一级的输入，使用了反馈电路。

从上面的框图，振荡器电路产生的振荡被放大器进一步放大。反馈网络得到放大器输出的一部分，并以正确的相位和幅度反馈给振荡器电路。

因此，无阻尼电子振荡产生，不断供应损失发生在水箱电路。

振子理论

振荡器的主要陈述是通过正反馈产生输出信号而没有输入信号来实现振荡。同时，放大器的电压增益随着正反馈量的增加而增加。

为了理解这一概念，让我们考虑电压增益为a的非逆变放大器和反馈增益为β的正反馈网络，如图所示。

让我们假设在输入端施加一个正弦输入信号v。由于放大器是非反相的，输出信号Vo与Vs.反馈网络将Vo的一部分反馈给输入，Vo的反馈量取决于反馈网络的增益β。

该反馈网络不引入相移，因此反馈电压或信号Vf与Vs. A相同时，当反馈信号与输入信号相同时，反馈电压或信号Vf为正。

放大器的开环增益A是输出电压与输入电压的比值，即:

一个=签证官/ Vi

通过考虑反馈的影响，将净输出电压Vo与输入电源v之比称为一个闭环Af(反馈增益)。

房颤=签证官/ Vs

由于反馈是正的，放大器的输入是通过将Vf加到v上产生的，

Vi = Vs + Vf

反馈电压的值随反馈增益β的变化而变化，即

Vf = β Vo

代入上式，

Vi = Vs + β Vo

v = Vi - β Vo

那么收益就变成

Af = Vo/ (Vi - β Vo)

分子分母同时除以Vi，就得到

Af = (Vo / Vi)/ (1 - β) (Vo / Vi)

Af = A/ (1- A β)，因为A = Vo/Vi

其中Aβ为环路增益，如果Aβ = 1，则Af变为无穷大。由上式可知，即使没有外部输入(Vs = 0)，电路只要将一部分输出作为自己的输入就可以产生输出。

闭环增益也随着正反馈增益的增加而增加。振荡速率或频率取决于放大器或反馈网络或两者兼而有之。

振荡的巴克豪森准则或条件

当满足两个条件，即巴克豪森准则时，电路就会振荡。这两个条件是

1.环路增益必须是整数或更大

2.反馈信号反馈到输入必须相移360度(等于0度)。在大多数电路中，采用反相放大器产生180度相移，反馈网络提供额外的180度相移。

在只有一个特定的频率，调谐电感电容(LC电路)电路提供这个180度相移。

让我们知道如何才能实现这些条件。

考虑我们在振荡器理论中所采用的相同电路。放大器是一个基本的反相放大器，它在输入和输出之间产生180度的相移。

放大器的输入由反馈网络的输出Vo导出。因为输出与Vi的相位不一致。

因此，反馈网络必须保证在将输出输入输入时相移180度。这只是为了确保积极的反馈。

让我们考虑一个虚构的电压，Vi被施加在放大器的输入，那么

Vo = A Vi

反馈电压的大小由反馈网络增益决定，则

Vf = - β Vo

这个负号表示180度相移。

将Vo代入上式，得到

Vf = - A

在振荡器中，反馈输出必须驱动放大器，因此Vf必须充当Vi。为了实现这一项，上述表达式中的A β应为1，即

当- A β = 1时Vf = Vs。

这个条件被称为振荡的巴克豪森判据。

因此，A β = -1 + j0。这意味着A β的大小(A β的模量)等于1。除了幅值，v的相位必须与Vi相同。为了实现这一点，反馈网络除了放大器引入的相移(180度)外，还应该引入180度的相移。

所以整个环的相移是360度。因此，在这些条件下，振荡器可以振荡或产生波形，而不应用任何输入(这就是为什么我们认为虚拟电压)。

重要的是要知道振荡器在没有输入信号的情况下是如何开始振荡的?振荡器通过放大噪声电压开始产生振荡。噪声电压是自由电子在室温影响下运动的结果。

由于实际电路的饱和状态，噪声电压并不完全是正弦波。然而，当A β值接近1时，鼻信号将是正弦的。

在实际应用中，首先使A β模量大于1，以放大较小的噪声电压。随后，电路自身进行调整，使A β的模量等于1，相移为360度。

振荡的性质

持续振荡

持续振荡就是振幅和频率恒定的振荡。根据巴克豪森判据，当环路增益或A β模量的大小等于1，环上的总相移为0度或360度，确保正反馈时，产生持续的振荡。

增长型振荡

如果A β的模量或环路增益的幅值大于一，且环路的总相移为0或360度，则振荡器产生的振荡为生长型。下图显示了振荡器输出随着振荡幅度的增加。

指数衰减振荡:如果A β的模量或环路增益的大小小于一，环周围的总相移为0或360度，那么振荡的振幅将指数衰减，最终这些振荡将停止。

振子分类

振荡器根据各种因素，如波形的性质，频率范围，所使用的参数等分为几种类型。下面是振荡器的一个广泛分类。

根据生成的波形

根据输出波形的不同，振荡器分为正弦振荡器和非正弦振荡器。

正弦振荡器

这种振荡器产生正弦电流或电压。

非正弦振荡器

这种类型的振荡器产生输出，有三角形，正方形，矩形，锯齿波形或脉冲形状。

根据电路元件

根据电路中元件的使用情况，振荡器分为LC、RC和晶体振荡器。采用电感和电容组成的振荡器称为LC振荡器而振荡器采用电阻和电容组成称为RC振荡器．此外，晶体也用于一些被称为晶体振荡器的振荡器中。

根据产生的频率

振荡器可以用来产生频率从低到高的波形。低频或音频振荡器用于产生20赫兹至100-200 KHz的振荡，这是一个音频频率范围。

高频或射频振荡器用于频率超过200-300千赫至千兆赫的场合。LC振荡器用于高频范围，而RC振荡器用于低频范围。

基于反馈的使用

满足振荡所需条件的反馈网络构成的振子称为反馈振子。而没有反馈网络的振子被称为无反馈振子。

的UJT放松振荡器是无反馈振荡器的一个例子，它使用负电阻区域的特性的器件。

在上述类别下的一些正弦振子是

• 调谐电路或LC反馈振荡器，如Hartley, Colpitts和Clapp等。
• RC相移振荡器，如Wein-bridge振荡器．
• 负阻振荡器如隧道二极管振荡器。
• 晶体振荡器如皮尔斯振荡器。
• 外差或拍频振荡器(BFO)。

振荡器的频率稳定性

在振荡器中，振荡的频率在很长一段时间内保持恒定。频率稳定性是对所需频率达到的程度的度量。如果频率稳定性较好，闭合将输出到一个恒定的频率。

振荡频率取决于电路的各种特性，如各种元件、电源电压、杂散元件、有源器件的特性参数等。

频率不稳定或期望输出频率的变化可能由外部的变化引起电路元素或通过设备特性。在晶体管振荡器中，如a哈特利振荡器或Colpitts振荡器，在长时间的工作中，振荡的频率不稳定。

这是因为在高频情况下，反偏情况下基极集电极结上的电容占主导地位，从而影响槽电路中的电容。

此外，由于温度的变化，频率主导元件如晶体管、电感、电阻和电容的值也会发生变化。

频率随温度的变化由

S wo T = (Δw / wr) (ΔT / Tr)

式中wr、Tr分别为期望频率、工作温度。Δw和ΔT分别为频率变化和温度变化。

频率稳定度可以给出为

Sw = dθ/ dw

在期望频率上的小频率变化会引起相移，相移记为dθ。因此，如果电路给出较大的dθ/dw值，振荡器将更稳定。

将振荡电路封装在恒温室中，并在电路中使用齐纳二极管来保持恒压，可以提高频率稳定性。

通过将振荡电路松散地耦合到负载上，或者使用具有低输出阻抗和高输入阻抗的电路，可以降低负载效应。

振荡器的振幅稳定性

振幅稳定性测量振荡器中实际输出振幅与期望输出振幅之间的变化量。随着放大器增益的增加，波形的幅值也随之变化。

增益值也会由于振荡电路元件的变化而变化，从而引起振幅的变化。为了保持增益不变，使用了各种增益控制技术，以保持振幅的稳定性。

另一个影响振幅变化的因素是电源电压。波形的振幅随着电源电压的变化而变化。为了保持良好的振幅稳定性，采用了稳压器。

影响振荡器稳定性的因素

振荡器的稳定性包括振幅稳定性和频率稳定性，这取决于各种因素。通过考虑上述列出的表格中讨论的要点，我们得到以下因素。

操作点

对于晶体管振荡器，器件或晶体管参数的变化(随非线性部分的运行而变化)影响振荡器的稳定性。由于晶体管的选择使其工作在其特性的线性区域。

电路元件

电路元件如电感、电容和电阻的值取决于温度。如果这些分量的值发生变化，振荡的频率就会发生漂移。

Inter-Element功放

晶体管由元件间电容，即集电极到发射极电容组成。如果这个电容的值改变，振荡频率也会改变，因此振荡器的稳定性也会改变。这种影响可以通过在违规元素上放置淹没电容器来抵消。

电力供应

直流电源电压的变化会影响振荡器的频率。这可以通过使用稳压电源来避免。

输出负载

槽电路的q因数取决于输出负载，因此负载的任何变化都会引起振荡频率的变化。对于调谐振荡器，频率稳定性与调谐电路的Q成正比。