12M晶体振荡器-课程设计1.doc

第一章 振荡器的概述 第一节 振荡器的定义 在高频电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有在没有激励信号的情况下产生周期性振荡信号的电子线路，这种电子线路就是振荡器。 振荡器是一种能量转换器，它不需要外部激励就能自动地将直流电源共给的功率转换为制定频率和振幅的交流信号功率输出，凡是能完成这一功能的装置都可以作为振荡器。振荡器一般由晶体管等有源器件和某种具有选频能力的无源网络组成。 振荡器的种类很多，根据工作原理可分为反馈型振荡器和负阻型振荡器，根据所产生的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器；根据选频网络可分为LC振荡器﹑晶体振荡器﹑RC振荡器等。本次设计主要是探讨晶体振荡器的设计。 振荡器的基本原理 一．振荡具备条件 构成一个振荡器必须具备下列三个条件： （一）. 一套振荡回路，包含两个（两个以上）储能元件。 （二）. 一个能量来源，可以补充有振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡其中，这能源就是直流电源Vcc. (三).一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。 一个振荡器的无需外加激励就能产生特定波形的交流输出信号，这种振荡电路称为自激振荡器。自激振荡器产生的波形可能是正弦波，也可能是非正弦波。其中正弦波自激振荡器在广播通讯、自动控制、仪器仪表、高频加热、超声探伤等领域有着广泛的应用；而非正弦振荡器能产生出矩形波（方波）、三角波、锯齿波等信号，这些信号可以用于测量设备、数字系统、自动控制及计算机设备中。 二 振荡产生条件 若振荡器中要维持等幅的自激振荡，基本放大器输入端的反馈信号必须和原输人信号幅度必须相等，同时相位也应相同。AF=1就是产生自激振荡时A、F应满足的基本数学条件。其中A和F是频率的函数，一般也可以表示为复数形式。复数乘积AF=1的涵义就是振荡器电路的环路放大倍数等于l , 同时复数的相位值等于2nπ，其中n=0,士1, 士2，士3，…。总之，产生自激振荡既要满足幅度条件，也要满足相位条件。假若AF1,则Xf＜Xi，则振荡幅度越来越小，最终将导致振荡电路停振。这也从反面说明了，只有AF≥1，电路才能起振并能维持振荡。 根据振荡条件，信号由图一中的输人端开始，沿环路绕行一周，必须保证其振幅与相位不变。一个振荡器必须同时满足这两个条件，才有可能产生自激振荡。 图一 自激振荡器方框图 振荡器中的反馈支路常常采用电抗元件构成振荡信号频率确定后，这些电抗元件和信号的频率就共同决定了此信号相移的大小。电路的起振如果是由频率成分丰富的噪声引起的，那么总会有其中的一个频率满足相位平衡条件。有了噪声作为起始信号，电路不需要另外送人信号，就能产生输出信号。 第三节 起振和稳幅 一 起振过程 在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压Xi?的产生原因有两种：一是在电路接通电源时取得。因为接通电源时，电路各处都存在瞬变过程，在输人端的瞬变电压即可作为起始输人电压；二是放大器中存在各种微小的电扰动和噪声电压。这两种原因所取得的起始电压包含着极为丰富的各种频率分量）它们中总会有符合相位条件的某个频率成分，最终成为自激信号的最初来源。至于振幅条件更容易满足，由于开环放大倍数A是无穷大，很容易满足起振条件AF≥l的要求。 为了保证电路在指定的频率上振荡起来，常常为这种自激振荡器安排一个谐振在指定频率上的选频回路，使电路更容易在指定的频率上满足产生自激振荡的条件。放大器获得起始瞬时榆入电压了Xi?后，接着产生输出信号电压和正反馈电压，并且经过放大器的选频后，指定频率的输出电压幅度增大了，反馈电压的幅度也增大，经过电路的正反馈、放大、再反溃、再放大的循环过程，使振荡电压由小到大逐渐建立起来。 二 振幅的稳定 振荡器接通电源开始起振时，起始信号可能很弱。此时放大器工作在线性放大区，信号被放大，其振幅逐渐增加，反馈信号的振幅也随之增加。促使它们不断增大的因素是放大作用和正反馈。当振幅增大到某种程度后，由于二极管特性的非线性，晶体三极管工作范围将超出放大区．进人饱和区或截止区。放大器的放大倍数将显著下降，因而使输出信号振幅的增大程度变缓。另一方面，能量的损耗也会使输出信号振幅的增大程度变缓。因为振荡器所消耗的能量来自电源，故电路中所能取得的能量总是有限的。当振荡器输出信号的幅度加大时，其电路各部分的能量消耗也加大了（包括负载的功率输出），由于能量的供给有限，使电路的输出振幅不可能无限增大。所以振荡器的振幅只能增大到某种程度，此后形成等幅振荡波形输出。 第四节 正弦波振荡器 图 二 正弦波振荡器（sin-wave oscillator）可以输出单一颗率的正弦波，是应用最为广泛的振荡器。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器。图（a）