振蕩器

簡介

　　振蕩器（英文：oscillator）是用來產(chǎn)生重復(fù)電子訊號（通常是正弦波或方波）的電子元件。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路。能將直流電轉(zhuǎn)換為具有一定頻率交流電信號輸出的電子電路或裝置。種類很多，按振蕩激勵方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器；按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等方面。

　　低頻振蕩器（low-frequency oscillator，或稱LFO）是指產(chǎn)生頻率在0.1赫茲到10赫茲之間交流訊號的振蕩器。這個詞通常用在音訊合成中，用來區(qū)別其他的音訊振蕩器。

　　振蕩器主要可以分成兩種：諧波振蕩器（harmonic oscillator）與弛張振蕩器（relaxation oscillator）。

　　主要適用于各大中院校、醫(yī)療、石油化工、衛(wèi)生防疫、環(huán)境監(jiān)測等科研部門作生物、生化、細(xì)胞、菌種等各種液態(tài)、固態(tài)化合物的振蕩培養(yǎng)。

　　自激多諧振蕩器也叫無穩(wěn)態(tài)電路。兩管的集電極各有一個電容分別接到另一管子的基極，起到交流耦合作用，形成正反饋電路，當(dāng)接通電源的瞬間，某個管子先通，另一只管子截止，這時，導(dǎo)通管子的集電集有輸出，集電極的電容將脈沖信號耦合到另一只管子的基極使另一只管子導(dǎo)通。這時原來導(dǎo)通的管子截止。這樣兩只管子輪流導(dǎo)通和截止，就產(chǎn)生了震蕩電流。

　　由于器件不可能參數(shù)完全一致，因此在上電的瞬間兩個三極管的狀態(tài)就發(fā)生了變化，這個變化由于正反饋的作用越來越強烈，導(dǎo)致到達(dá)一個暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)期間另一個三極管經(jīng)電容逐步充電后導(dǎo)通或者截止，狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，到達(dá)另一個暫穩(wěn)態(tài)。這樣周而復(fù)始形成振蕩。

　　正弦波振蕩器

　　能夠輸出正弦波的振蕩器稱作正弦波振蕩器。

　　正弦波振蕩器主要有LC振蕩器RC振蕩器兩種。

　　振蕩器最基本組成部分

　　1 三極管放大器；（起能量控制作用）

　　2 正反饋網(wǎng)絡(luò)；（將輸出信號反饋一部分至輸入端）

　　3 選頻網(wǎng)絡(luò)；（用以選取所需要的振蕩頻率，以使振蕩器能夠在單一頻率下振蕩，從而獲得需要的波形。

定義

　　振蕩器簡單地說就是一個頻率源，一般用在鎖相環(huán)中。詳細(xì)說就是一個不需要外信號激勵、自身就可以將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能的裝置。一般分為正反饋和負(fù)阻型兩種。所謂“振蕩”，其涵義就暗指交流，振蕩器包含了一個從不振蕩到振蕩的過程和功能。能夠完成從直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)化，這樣的裝置就可以稱為“振蕩器”。

單位

　　轉(zhuǎn)/分鐘（r/min或r/m）。

分類

　　振蕩器主要分為RC，LC振蕩器和晶體振蕩器

　　1．RC振蕩器采用RC網(wǎng)絡(luò)作為選頻移相網(wǎng)絡(luò)的振蕩器統(tǒng)稱為RC正弦振蕩器，屬音頻振蕩器。

　　2．LC振蕩器采用LC振蕩回路作為移相和選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋振蕩器稱為LC振蕩器。

　　LC振蕩器的分類：

　?、?span id="qm6ekyg" class="hrefStyle">變壓器耦合 ·單管LC正弦振蕩器 ·差分對管LC正弦振蕩器

　?、谌c式 ·電容三點式（考畢茲）振蕩器 ·電感三點式（哈特萊）振蕩器

　?、鄹倪M(jìn)三點式 ·克拉潑振蕩器 ·西勒振蕩器

　　④差分對管振蕩器

　　3．晶體振蕩器

　　振蕩器的振蕩頻率受石英晶體控制的振蕩器。

　　特性：

　　1．物理、化學(xué)性能非常穩(wěn)定。

　　2．具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)， 石英晶體諧振頻率ωs

　　△當(dāng)ω=ωs時，壓電效應(yīng)最強，稱ωs為基頻

　　△當(dāng)ω=nωs時，壓電效應(yīng)也較強，稱之為泛音頻率

　　溫度系數(shù)振蕩器

　　1.溫度系數(shù)振蕩器是指一種振蕩器，它的振蕩頻率與溫度之間有一個特定的關(guān)系，即不同的溫度對應(yīng)不同的振蕩頻率。反之，測量出振蕩器的輸出頻率，就可測量出溫度值。

　　2.高溫度系數(shù)振蕩器：它的振蕩頻率受溫度的影響很大，溫度稍有變化，頻率就會變化很多，即對溫度敏感，多用于溫度傳感器。

　　3.低溫度系數(shù)振蕩器：它的振蕩頻率受溫度的影響很小，即使溫度變化很大，它的頻率也基本不變。石英晶體振蕩器

　　石英晶體振蕩器分非溫度補償式晶體振蕩器、溫度補償晶體振蕩器（TCXO）、電壓控制晶體振蕩器（VCXO）、恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）和數(shù)字化/μp補償式晶體振蕩器（DCXO/MCXO）等幾種類型。其中，無溫度補償式晶體振蕩器是最簡單的一種，在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）中，稱其為標(biāo)準(zhǔn)封裝晶體振蕩器（SPXO）?，F(xiàn)以SPXO為例，簡要介紹一下石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)與工作原理。

　　石英晶體，有天然的也有人造的，是一種重要的壓電晶體材料。石英晶體本身并非振蕩器，它只有借助于有源激勵和無源電抗網(wǎng)絡(luò)方可產(chǎn)生振蕩。SPXO主要是由品質(zhì)因數(shù)（Q）很高的晶體諧振器（即晶體振子）與反饋式振蕩電路組成的。石英晶體振子是振蕩器中的重要元件，晶體的頻率（基頻或n次諧波頻率）及其溫度特性在很大程度上取決于其切割取向。石英晶體諧振器的基本結(jié)構(gòu)、（金屬殼）封裝及其等效電路如圖1所示。

　　只要在晶體振子板極上施加交變電壓，就會使晶片產(chǎn)生機械變形振動，此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應(yīng)。當(dāng)外加電壓頻率等于晶體諧振器的固有頻率時，就會發(fā)生壓電諧振，從而導(dǎo)致機械變形的振幅突然增大。與金屬板之間的靜電電容；L、C為壓電諧振的等效參量；R為振動磨擦損耗的等效電阻。石英晶體諧振器存在一個串聯(lián)諧振頻率fos（1/2π），同時也存在一個并聯(lián)諧振頻率fop（1/2π）。由于Co？C，fop與fos之間之差值很小，并且R？ωOL，R？1/ωOC，所以諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q非常高（可達(dá)數(shù)百萬），從而使石英晶體諧振器組成的振蕩器頻率穩(wěn)定度十分高，可達(dá)10－12/日。石英晶體振蕩器的振蕩頻率既可近似工作于fos處，也可工作在fop附近，因此石英晶體振蕩器可分串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。用石英晶體諧振器及其等效電路，取代LC振蕩器中構(gòu)成諧振回路的電感（L）和電容（C）元件，則很容易理解晶體振蕩器的工作原理。

　　SPXO的總精度（包括起始精度和隨溫度、電壓及負(fù)載產(chǎn)生的變化）可以達(dá)到±25ppm。SPXO既無溫度補償也無溫度控制措施，其頻率溫度特性幾乎完全由石英晶體振子的頻率溫度特性所決定。在0～70℃范圍內(nèi)，SPXO的頻率穩(wěn)定度通常為20～1000ppm，SPXO可以用作鐘頻振蕩器。

　　溫度補償晶體振蕩器（TCXO）

　　TCXO是通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化產(chǎn)生的振蕩頻率變化量削減的一種石英晶體振蕩器。

　　1TCXO的溫度補償方式

　　在TCXO中，對石英晶體振子頻率溫度漂移的補償方法主要有直接補償和間接補償兩種類型：

　?。?）直接補償型

　　直接補償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補償電路，在振蕩器中與石英晶體振子串聯(lián)而成的。在溫度變化時，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯(lián)電容容值相應(yīng)變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。該補償方式電路簡單，成本較低，節(jié)省印制電路板（PCB）尺寸和空間，適用于小型和低壓小電流場合。但當(dāng)要求晶體振蕩器精度小于±1pmm時，直接補償方式并不適宜。

　?。?）間接補償型

　　間接補償型又分模擬式和數(shù)字式兩種類型。模擬式間接溫度補償是利用熱敏電阻等溫度傳感元件組成溫度－電壓變換電路，并將該電壓施加到一支與晶體振子相串接的變?nèi)荻O管上，通過晶體振子串聯(lián)電容量的變化，對晶體振子的非線性頻率漂移進(jìn)行補償。該補償方式能實現(xiàn)±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。數(shù)字化間接溫度補償是在模擬式補償電路中的溫度—電壓變換電路之后再加一級模/數(shù)（A/D）變換器，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。該法可實現(xiàn)自動溫度補償，使晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度非常高，但具體的補償電路比較復(fù)雜，成本也較高，只適用于基地站和廣播電臺等要求高精度化的情況。

　　2.TCXO發(fā)展現(xiàn)狀

　　TCXO在近十幾年中得到長足發(fā)展，其中在精密TCXO的研究開發(fā)與生產(chǎn)方面，日本居領(lǐng)先和主宰地位。在70年代末汽車電話用TCXO的體積達(dá)20？以上，的主流產(chǎn)品降至0.4？，超小型化的TCXO器件體積僅為0.27？。在30年中，TCXO的體積縮小了50余倍乃至100倍。日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生產(chǎn)的表面貼裝TCXO厚度由4mm降至2mm，在振蕩啟動4ms后即可達(dá)到額定振蕩幅度的90%。金石（KSS）集團(tuán)生產(chǎn)的TCXO頻率范圍為2～80MHz，溫度從－10℃到60℃變化時的穩(wěn)定度為±1ppm或±2ppm；數(shù)字式TCXO的頻率覆蓋范圍為0.2～90MHz，頻率穩(wěn)定度為±0.1ppm（－30℃～+85℃）。日本東澤 通信 機生產(chǎn)的TCO－935/937型片式直接溫補型TCXO，頻率溫度特性（點頻15.36MHz）為±1ppm/－20～+70℃，在5V±5%的電源電壓下的頻率電壓特性為±0.3ppm，輸出正弦波波形（幅值為1VPP），電流損耗不足2mA，重量僅為1g。PiezoTechnology生產(chǎn)的X3080型TCXO采用表面貼裝和穿孔兩種封裝，正弦波或邏輯輸出，在－55℃～85℃范圍內(nèi)能達(dá)到±0.25～±1ppm的精度。國內(nèi)的產(chǎn)品水平也較高，如北京瑞華欣科技開發(fā)有限公司推出的TCXO（32～40MHz）在室溫下精度優(yōu)于±1ppm，第一年的頻率老化率為±1ppm，頻率（機械）微調(diào)≥±3ppm，電源功耗≤120mw。高穩(wěn)定度的TCXO器件，精度可達(dá)±0.05ppm。

　　高精度、低功耗和小型化，仍然是TCXO的研究課題。在小型化與片式化方面，面臨不少困難，其中主要的有兩點：一是小型化會使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補償更加困難；二是片式封裝后在其回流焊接作業(yè)中，由于焊接溫度遠(yuǎn)高于TCXO的最大允許溫度，會使晶體振子的頻率發(fā)生變化，若不采限局部散熱降溫措施，難以將TCXO的頻率變化量控制在±0.5×10－6以下。但是，TCXO的技術(shù)水平的提高并沒進(jìn)入到極限，創(chuàng)新的內(nèi)容和潛力仍較大。

　　3.TCXO的應(yīng)用

　　TCXO作為基準(zhǔn)振蕩器為發(fā)送信道提供頻率基準(zhǔn)，同時作為接收通道的第一級本機振蕩器；另一只TCXO作為第2級本機振蕩器，將其振蕩信號輸入到第2變頻器。移動電話要求的頻率穩(wěn)定度為0.1～2.5ppm（－30～+75℃），但出于成本上的考慮，通常選用的規(guī)格為1.5～2.5ppm。移動電話用12～20MHz的TCXO代表性產(chǎn)品之一是VC－TCXO－201C1，采用直接補償方式，外觀如圖2（b）所示，由日本金石（KSS）公司生產(chǎn)。

　　振蕩器相關(guān)專業(yè)術(shù)語

工作原理

　　主要有由電容器和電感器組成的LC回路，通過電場能和磁場能的相互轉(zhuǎn)換產(chǎn)程自由振蕩。要維持振蕩還要有具有正反饋的放大電路，LC振蕩器又分為變壓器耦合式和三點式振蕩器，很多應(yīng)用石英晶體的石英晶體振蕩器，還有用集成運放組成的LC振蕩器。

　　由于器件不可能參數(shù)完全一致，因此在上電的瞬間兩個三極管的狀態(tài)就發(fā)生了變化，這個變化由于正反饋的作用越來越強烈，導(dǎo)致到達(dá)一個暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)期間另一個三極管經(jīng)電容逐步充電后導(dǎo)通或者截止，狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，到達(dá)另一個暫穩(wěn)態(tài)。這樣周而復(fù)始形成振蕩。

使用流程

　　1、 裝入試驗瓶，并保持平衡，如是雙功能機型，設(shè)定振蕩方式。

　　2、 接通電源，根據(jù)機器表面刻度設(shè)定定時時間，如需長時間工作，將定時器調(diào)至“常開”位置。

　　3、 打開電源開關(guān)，設(shè)定恒溫溫度：

　　（1）將控制小開關(guān)置于“設(shè)定”段，此時顯示屏顯示的溫度為設(shè)定的溫度，調(diào)節(jié)旋鈕，設(shè)置到您工作所需溫度即可。（您設(shè)定的工作溫度應(yīng)高于環(huán)境溫度，此時機器開始加熱，黃色指示燈亮，否則機器不工作）

　　（2）將控制部分小開關(guān)置于“測量”端，此時顯示屏顯示的溫度為試驗箱內(nèi)空氣的實際溫度，隨著箱內(nèi)氣溫的變化，顯示的數(shù)字也會相應(yīng)變化。

　?。?）當(dāng)加熱到您所需的溫度時，加熱會自動停止，綠色指示燈亮；當(dāng)試驗箱內(nèi)的熱量散發(fā)，低于您所設(shè)定的溫度時，新的一輪加熱又會開始。

　　4、開啟振蕩裝置：

　?。?） 打開控制面板上的振蕩開關(guān)，指示燈亮。

　?。?） 調(diào)節(jié)振蕩速度旋鈕至所需的振蕩頻率。

　　5、工作完畢切斷電源，置調(diào)速旋鈕與控溫旋鈕至最低點。

　　6、清潔機器，保持干凈。

注意事項

　　1、 器具應(yīng)放置在較牢固的工作臺面上，環(huán)境應(yīng)清潔整齊，通風(fēng)良好。

　　2、 用戶提供的電源插座應(yīng)有良好的接地措施。

　　3、 嚴(yán)禁在正常工作的時候移動機器。

　　4、 嚴(yán)禁物體撞擊機器。

　　5、 嚴(yán)禁兒童接近機器，以防發(fā)生意外。

　　6、 更換熔斷器前應(yīng)先確保電源已切斷。

　　7、 使用結(jié)束后請清理機器，不能留有水滴、污物殘留。

發(fā)展?fàn)顩r

　　日本金石、始建于1948年的NibonDempaKogyo公司和美國摩托羅位、韓國的Sunny－Emi等公司，都是生產(chǎn)石英晶體器件較大的廠商。中國生產(chǎn)石英晶體振蕩器等元器件的單位有原電子工業(yè)部第十研究所、北京707廠、國營第875廠和一些合資企業(yè)等。中國對人造石英晶體及其元器件的研究開發(fā)起步較早，擁有的生產(chǎn)能力也較大。就石英晶體振蕩器而言，與國外先進(jìn)水平比較，主要是在片式化、小型化、高頻化和頻率溫度特性等方面還存在差距。盡快縮小這些差距，進(jìn)一步擴大生產(chǎn)規(guī)模，提高產(chǎn)品性價比，是提高在國際市場上競爭力的必由之路。與此同時，還要跟蹤該器件發(fā)展的新動向，如視頻發(fā)生器等振蕩器的研究與應(yīng)用。

起振條件

　　振蕩器的起振條件是指振蕩器開始正常振蕩所需要滿足的一系列條件。這些條件通常包括以下幾個方面：

一、正反饋條件

　　定義：反饋回路應(yīng)該提供足夠的增益，使得放大器輸出信號的幅度能夠補償振蕩器電路的損耗并提供正反饋。這樣才能在電路中維持振蕩。

　　物理意義：正反饋是振蕩器能夠產(chǎn)生持續(xù)振蕩的關(guān)鍵。當(dāng)輸出信號的一部分被反饋回輸入端，并與原始輸入信號相加時，如果反饋信號的相位和幅度滿足一定條件，就會形成正反饋，使得輸出信號不斷增強。

　　與電路參數(shù)的關(guān)系：正反饋條件與反饋網(wǎng)絡(luò)的增益、相位以及振蕩器電路中的損耗有關(guān)。反饋網(wǎng)絡(luò)的增益必須大于或等于1，并且相位關(guān)系必須滿足振蕩條件，以確保正反饋的形成。

二、相位條件

　　定義：反饋回路應(yīng)該確保輸出信號與輸入信號之間的相位差滿足特定條件。一般情況下，相位差的變化應(yīng)該是連續(xù)的且穩(wěn)定的，以達(dá)到持續(xù)的振蕩。

　　物理意義：相位條件是振蕩器能夠維持穩(wěn)定振蕩的重要條件之一。如果輸出信號與輸入信號之間的相位差不滿足特定條件，那么反饋信號可能會與原始輸入信號相抵消，導(dǎo)致振蕩無法維持。

　　與電路參數(shù)的關(guān)系：相位條件與反饋網(wǎng)絡(luò)的相位特性、振蕩器電路中的元件參數(shù)以及外部條件（如溫度、電源電壓等）有關(guān)。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以改變輸出信號與輸入信號之間的相位差，從而滿足相位條件。

三、放大器穩(wěn)定性

　　定義：振蕩器的放大器應(yīng)該能夠提供足夠的放大和幅度穩(wěn)定性，以保持振蕩信號的穩(wěn)定性，并防止信號衰減和失真。

　　物理意義：放大器是振蕩器的核心部分，其穩(wěn)定性直接影響振蕩信號的質(zhì)量。如果放大器不能提供足夠的放大或穩(wěn)定性不足，那么振蕩信號可能會衰減或失真，導(dǎo)致振蕩無法維持。

　　與電路參數(shù)的關(guān)系：放大器的穩(wěn)定性與其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)、增益控制、電源電壓以及工作環(huán)境等因素有關(guān)。通過優(yōu)化這些參數(shù)，可以提高放大器的穩(wěn)定性，從而確保振蕩信號的穩(wěn)定輸出。

四、資源供應(yīng)

　　定義：振蕩器需要適當(dāng)?shù)碾娫垂?yīng)來提供所需的電壓和電流，以保持電路的正常運行。

　　物理意義：電源供應(yīng)是振蕩器能夠正常工作的基礎(chǔ)。如果電源供應(yīng)不足或不穩(wěn)定，那么振蕩器可能無法正常工作或產(chǎn)生不穩(wěn)定的振蕩信號。

　　與電路參數(shù)的關(guān)系：電源供應(yīng)的穩(wěn)定性和質(zhì)量與電源電壓、電流以及電源濾波電路等因素有關(guān)。通過選擇合適的電源和濾波電路，可以確保電源供應(yīng)的穩(wěn)定性和質(zhì)量，從而滿足振蕩器的需求。

　　綜上所述，振蕩器的起振條件包括正反饋條件、相位條件、放大器穩(wěn)定性以及資源供應(yīng)等多個方面。這些條件相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同決定了振蕩器能否正常起振并產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩信號。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求和電路設(shè)計來選擇合適的元件和參數(shù)，以滿足這些起振條件。