振荡电路

振荡与调制在一个电子线路中，不加输入信号就有信号输出，这种现象称为自激振荡(oscillation)，实现振荡的电路称为振荡器(oscillator)。振荡器在医学中的应用非常广泛，如超声波诊断仪、各种电疗机等都应用了振荡器。利用振荡可以产生不同波形和不同频率的交变电压，常见的振荡器有两类，一类是正弦波振荡器，另一类是非正弦波振荡器。调制(modulation)是一种频率较高的波形携带低频信息的过程，而解调(demodulation)则是从已调波中恢复原低频信息的过程，它在生物医学上用于各种生理参数的检测和遥测。主要内容第一节RC正弦波振荡器第二节LC正弦波振荡器第三节晶体正弦波振荡器第四节调幅与检波第五节调频与鉴频第一节RC正弦波振荡器一.自激振荡的基本原理1.自激振荡的基本条件在前面提到，当放大电路中引入正反馈后，往往会产生自激，从而破坏了放大器的正常工作。这说明正反馈放大器有可能形成振荡。那么要满足什么条件，才能使正反馈放大器成为一个自激振荡器呢?自激振荡器包括两部分，一是基本放大器，放大倍数为K0；二是反馈电路，反馈系数为F。假设在基本放大器的输入端加输入信号ui，经过放大后的输出信号为uo=K0ui，然后经反馈电路，将输出信号uo的一部分即反馈信号uf=Fuo回送到输入端。如果反馈信号uf与输入信号ui同相位，则构成正反馈回路，结果将加强原输入信号。如果此反馈信号的幅度又足够大，即满足uf≥ui，那么即使将输入信号拿掉，电路也能维持有信号输出，这样就形成了振荡。由此可见，要产生自激振荡，必须具备两个基本条件：(1)相位条件反馈信号uf与输入信号ui同相位，即uf与ui的相位差为Φ=2nπ(n=0,1,2…)(2)幅度条件反馈信号uf应大于或等于输入信号ui，即ui≥uf。因uf=Fuo，而uo=K0ui，所以uf=FK0ui，故本条件可改写为：FK0≥1只有满足了以上两个基本条件，电路才能形成自激振荡。2.正弦波振荡器的基本组成虽然具备了上述两个条件的正反馈放大器能够产生自激振荡，但如果同时有许多频率的信号(而不是一种频率)都满足这些条件，那么输出端获得的振荡信号将不是单一频率的正弦波，而是一个包含有多种频率信号合成的非正弦波或矩形波。为了获得单一频率的正弦波，振荡电路还必须具有选频作用，具有这种特性的电路称选频电路。多频率的信号通过选频电路后，只有某一频率才满足振荡的两个基本条件，从而得到单一频率的正弦波信号。选频电路，可以由R、C元件组成，也可用L、C元件组成，还可以由石英晶体组成。在实际的振荡电路中，选频电路可以作为一个独立的部分，也可以包含在反馈电路中或基本放大器中。从原理上讲，一个自激正弦波振荡器必须由以下三部分组成：基本放大器、正反馈电路、选频电路。3.振荡的建立和稳定如上所述，反馈振荡器是把反馈电压uf作为输入电压，以维持一定的输出电压。这里就有一个问题，既然输出电压是由输入电压放大得到的，而输入电压又是通过反馈电路由输出电压供给的，那么最初的输入电压又是怎样得到的呢?在振荡电路中不可避免地含有微小的电扰动，如接通直流电源的一瞬间所产生的电脉冲，以及电路的热噪声等。由于振荡电路是一个闭合的正反馈系统，因此不管电扰动发生在电路的哪一部分，最终总要传送到基本放大器的输入端，成为最初的输入电压。这些电扰动一般都包含有丰富的频率成分，但在选频电路的作用下，只有某一频率分量可以顺利的通过，其余频率成分均被抑制。被选出的频率分量放大后，经反馈电路又回送到基本放大器的输入端，形成一个循环。在第一循环结束时，第二循环即开始，如此循环往复继续下去。如果在每次循环中，被选频率分量的反馈电压与循环开始时的输入电压相比较，不仅相位相同，而且振幅也增大，那么经过上述放大—正反馈—再放大—再正反馈的循环过程，被选频率分量的振荡将迅速增大，这样自激振荡就建立起来了。上述的振荡信号会不会无止境地增长下去呢?不会。因为随着振荡的增长，反馈信号愈来愈大，必将导致晶体三极管进入非线性工作状态，放大器的放大倍数反而降低，使信号幅度有减少的趋势。因此正反馈使整个电路的振幅不断增长，而放大器的非线性则使之减小，最后达到一个相对稳定的幅度，从而获得一定幅度的等幅振荡。二.RC串并联选频电路RC串并联选频电路由一个R1C1串联电路与一个R2C2并联电路连接而成。当输入电压ui的频率很低时，C1的容抗远大于电阻R1，而C2的容抗远大于R2，这时在R2C2并联电路两端的输出电压uo幅度很小，且uo比ui超前的相位接近90°。R1C1R2C2ouiu当输入电压ui的频率很高时，C1的容抗远小于R1，C2的容抗远小于R2，这时R2C2并联电路两端的输出电压uo幅度很小，且uo比ui落后的相位接近90°。因此，在一个适当的中间频率f0处，输出电压uo与输入电压ui同相位，而且这时的输出电压幅度最大。RC串并联电路的电压传输系数T以及uo与ui之间的相位差Φ随输入信号的频率而变化。右图为其电压传输系数T随频率变化的曲线，称为幅频特性，及Φ随频率变化的曲线，称为相频特性。在实际的电路中，通常取R1=R2=R，C1=C2=C。理论和实践证明，当输入信号频率f0：f0=1/2πRC时，电压传输系数T最大，且等于1/3，即输出电压uo获得最大值，并与输入电压同相位。可见，RC串并联电路对不同频率的输入信号有不同的响应特性，所以它具有选频作用。fioUU31+90–90f0f0三.文氏桥式RC振荡器运算放大器与RC串并联选频电路组成的文氏桥式振荡器。运放的输出电压uo分两路反馈，一路加于RC串并联选频电路，其输出端A与运放的同相端(+)连接；另一路经电阻R3、R4分压，反馈到运放的反相端(-)。这种电路相当于一个电桥，串联RC、并联RC、R3、R4为四个桥臂，A、B为电桥的两个输出端点，运放的输出电压uo为电桥的电源，故这种电路称为RC桥式振荡器。_++R3R1C1R2C2R4uoABRC串并联选频电路在f=f0=1/2πRC时，其输出电压与输入电压同相位，而运放输出电压与其同相端输入电压同相位。这样，当f=f0时，RC选频电路构成一个正反馈支路，满足振荡的相位条件。这时RC选频电路的反馈系数最大，为1/3，因此要维持振荡就要求运放的电压放大倍数K≥3。R3、R4组成深度负反馈支路，只要适当调节R3、R4的阻值，使(R3+R4)/R4≥3，就可达到K≥3，从而满足振荡的幅度条件。为了获得不失真的正弦波及幅度稳定的输出，图中负反馈支路的R3采用热敏电阻，它是一种负温度系数的元件，阻值随温度的升高而变小。当振荡器输出幅度增加时，通过R3的电流必然增大，热敏电阻的功耗增加，温度升高，R3的阻值降低，负反馈增强，运放的放大倍数K降低，振荡减弱，从而限制了输出幅度的上升。反之，如果输出电压幅度减小，则热敏电阻的功耗降低，温度降低，R3的阻值增大，负反馈减弱，放大倍数K上升，限制了输出幅度的下降。可见，R3用热敏电阻起到自动稳定振荡幅度的作用。RC桥式振荡器的振荡频率和输出幅度比较稳定，波形失真小，可产生几千赫到0.001Hz的低频正弦波信号，而且频率调节方便。RC选频电路的体积小，价格低，便于整个电路的微型化，因而在医学中有着广泛的应用。第二节LC正弦波振荡器LC并联谐振回路具有选频特性。如果将它与放大环节、正反馈电路结合起来，就可以组成LC正弦波振荡器。一.简单调谐放大器如果用LC并联谐振回路代替一般交流放大器的集电极电阻RC，可以组成调谐放大器。从LC并联谐振回路的特性可知，当输入信号的频率等于回路的谐振频率f0时，回路的等效阻抗最大；当信号频率偏离f0时，阻抗变小，偏离越多，阻抗降低就越多。放大器的放大倍数随集电极负载阻抗增大而增大。当f=f0时，调谐放大器负载阻抗最大，放大倍数最高；当离开这个频率时，负载阻抗急剧下降，放大倍数也随之变小；当被放大的信号频率离f0很远时，放大器对它就没有什么放大作用了。若适当选择LC回路的参数，使其谐振频率f0等于需要放大的信号频率，那么放大器对该信号有良好的放大作用，而对不需要放大的其他频率的信号放大作用很小。因此，这种放大器对频率等于f0的输入信号或在f0两边很窄的频率范围内的信号有选频作用，而对其他频率的信号则有抑制作用，故该放大电路又被称为为LC选频放大器。该放大器的通频带宽度fH-fL很窄，所以具有很好的抗干扰能力，在超声诊断仪、广播电视等高频放大电路中获得了广泛应用。二.变压器反馈式振荡器变压器反馈式LC振荡电路是LC选频放大器与正反馈电路组合而成的。图中反馈电压uf通过线圈L2引出，再经CB送回到放大器的输入端，加于基极与发射极之间，三极管将L2反馈的信号放大，加于LC并联谐振回路。同名端+-++当直流电源Ec接通时，在LC振荡回路内会产生一个电冲击，出现一个不大的信号，经过多次放大、正反馈、选频后，幅度将不断增大，在集电极负载LC回路上得到一个较大的输出信号电压；其频率由LC并联谐振回路的参数决定，即为f0。最后受晶体三极管非线性的限制，幅度自动稳定在某一水平上，这时在负载LC回路上就有一等幅的正弦波振荡电压，经线圈L1输出。这种振荡器适用于频率较低(几十千赫到几兆赫)的情况，由于采用变压器耦合方式，容易做到匹配，故输出振荡电压较大，且电路比较稳定。三.电感反馈式振荡器电感反馈式振荡电路及其交流等效电路。它是一种以LC并联谐振回路作为集电极负载的振荡器。由于该电路的振荡线圈分成上L1和L2两段，有三个线头(两个端头1、3和一个抽头2)，故常称为电感三点式振荡器，又称为哈特莱振荡器。+-++只要放大器有足够的放大倍数，并适当地选取L1与L2的比值，电路就可满足振荡的幅度条件，产生自激振荡。在选取L1与L2之比时，一方面要考虑有足够的反馈量，以利于起振和获得较大的输出幅度；另一方面也要考虑到，为了使波形失真小一些，反馈量又不能太强。根据实践，取L1:L2=3:1时，可基本上兼顾以上两点要。理论上可以证明，该电路的振荡频率近似为：式中M是线圈L1和L2之间的互感系数。该电路振荡频率中等，一般可达到几十兆赫，如果谐振电容C换成可变电容器，则振荡频率可连续调节；电路比变压器反馈式振荡器简单，只用一个线圈，且容易起振，但输出的正弦波信号中高次谐波较多，波形欠佳。四.电容反馈式振荡器图中L和C1、C2组成LC并联谐振回路，“1”端接三极管的集电极，“2”端通过旁路电容CE接发射极，“3”端经电容CB接基极，振荡电容有三个引线点，所以这种电路常称为电容三点式振荡器，又叫考毕兹振荡器。+-+-若适当选取C1和C2的比值，放大器有足够的放大倍数，就可满足振荡的幅度条件，产生正弦波振荡信号。其振荡频率近似为：式中C为C1与C2的串联等效电容。这种电路振荡频率较高，一般可达到100MHz以上。由于电路是通过电容器分压反馈，对高频呈现较小的阻抗，振荡时高次谐波的反馈量弱，其输出波形失真小，更接近正弦，但频率调节不方便。第三节晶体正弦波振荡器前述的LC振荡器的品质因素Q值不可能做得很高，一般在200以下，即使采取各种措施，振荡频率的稳定度也很难超过10-5数量级。为了进一步提高振荡频率的稳定性，常用石英晶体代替LC振荡器中的LC并联谐振回路，构成石英晶体振荡器。在超声诊断仪、各种遥测和病房监护等医用设备中常采用这种振荡电路。Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。频率稳定问题频率稳定度一般由来衡量0ff——频率偏移量。f0f——振荡频率。LC振荡电路Q—数百石英晶体振荡电路Q—10,000500,000一.石英晶体的结构和电特性天然石英是一种六棱柱晶体，其化学成分是SiO2。将这种石英晶体按一定的方位角切割下来的薄片称为晶片，在晶片的两个对应表面喷涂金属作为极板，引出两根引线，就构成了石英谐振器，又称为石英晶体，右图是它的结构示意图。若在石英晶体的某一轴向加一压力或拉力，则在受力面的两侧会出现异号电荷，这叫做晶体的正压电效应。相反，若在晶体上加一电场，晶体将会产生机械变形，晶体的厚薄会发生变化，这叫做晶体的逆压电效应。若