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1、,單擊此處編輯母版標題樣式,*,通信電路原理-北航07年,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,1,笫,5,章,正弦波振蕩器,5.1 引 言,5,.2,LC,振蕩器的基本工作原理,5.3,LC,振蕩器的電路分析,5.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度,5.5 晶體振蕩器,2,5.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度,5.4.1 頻率穩(wěn)定度的計量,5.4.,2,相位噪聲,5.4.,3,導致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因,5.4.,4,主要穩(wěn)頻措施,5.5 晶體振蕩器,5.5.1 石英諧振器的基本特性,5.5.2 晶體振蕩電路,提高諧振回路的標準性,削弱不穩(wěn)定因素對諧振特性的影響,方法之一：選用石英諧振器等固
2、體諧振系統(tǒng)代替由電感、電容構(gòu)成的電磁諧振系統(tǒng),并聯(lián)型晶體振蕩電路,串,聯(lián),型晶體振蕩電路,泛音晶,體振蕩電路,振蕩器小結(jié),例題,3,5.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度,5.4.1 頻率穩(wěn)定度的計量,頻率準確度,頻率穩(wěn)定度,頻率準確度,又稱頻率精度：,表示振蕩頻率,f,偏離標稱頻率,f,0,的程度。,相對頻率準確度,：為了合理評價不同標稱頻率振蕩器的,頻率偏差，頻率準確度也可用其相對值,表示,。,4,5.4.1 頻率穩(wěn)定度的計量（續(xù)1）,頻率穩(wěn)定度,則是指在,一定,觀測時間,內(nèi)，由于各種因素變化，引起振蕩頻率相對于標稱頻率的變化程度。,（1）長期頻率穩(wěn)定度（,長穩(wěn),）：觀測時間為,一天以上,的穩(wěn)定度稱為
3、長期頻率穩(wěn)定度。一般高精度的頻率基準、時間基準（如天文觀測臺、國家計時臺等）均采用長期頻率穩(wěn)定度來計量頻率源的特性。,（2）短期頻率穩(wěn)定度（,短穩(wěn),）：觀測時間在一天以內(nèi)如,以小時計量,的頻率穩(wěn)定度。大多數(shù)電子設(shè)備和儀器均采用短穩(wěn)來衡量。,（3）瞬時頻率穩(wěn)定度（,秒級頻率穩(wěn)定度,）：瞬時頻率穩(wěn)定度用于衡量,秒或毫秒,時間內(nèi)頻率的隨機變化。這些變化均由設(shè)備內(nèi)部噪聲或各種突發(fā)性干擾所引起。,5,5.4.1 頻率穩(wěn)定度的計量（續(xù),2,）,頻率穩(wěn)定度：,是指在,一定觀測時間,內(nèi)，由于各種因素變化，引起振蕩頻率相對于標稱頻率的變化程度。,6,5.4.1 頻率穩(wěn)定度的計量（續(xù),3,）,RC,振蕩器,10,
4、-3,LC,振蕩器,10,-3,10,-4,普通信號發(fā)生器,10,-3,10,-4,中波廣播臺,2,10,-5,短波通信機,10,-4,10,-5,電視發(fā)射臺,5,10,-7,標準信號發(fā)生器,10,-7,10,-9,時間標準,10,-11,10,-13,7,相位噪聲：實際,振蕩器的,輸出不只是一根譜線，還有,兩個,邊,帶，這就是相位噪聲,；,5.4.,2,相位噪聲,f,fc,t,相位噪聲的影響：,頻譜不純的發(fā)射信號會對鄰道信號產(chǎn)生干擾；,接收機中的本振信號不純降低了中頻信號的信噪比；,本振的相位噪聲也干擾數(shù)字通信，將增大誤碼率。,8,單位是,dBc/Hz,，,dBc,表示相對于平均載波功率的大
5、小。單邊相位噪聲功率可用頻譜分析儀來測量。,相位噪聲的,計量,：在頻域是用,單邊,相位噪聲功率來表示，,單邊,相位噪聲是,指,偏離,載頻,一定,量,處,，單位頻,帶內(nèi)的噪聲功率相對于平均載波功率的分貝數(shù)。,5.4.,2,相位噪聲（續(xù)一）,無線通信系統(tǒng)中，一般對相位噪聲的要求，,偏離載頻,10KHz,時為：,-80 to-110 dBc/Hz,。,5.4.,3,導致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因,能使環(huán)路相位平衡條件得以滿足的頻率，即為該振蕩器的振蕩頻率,f,01,其與回路自然振蕩頻率,f,0,、,回路有效,Q,值以及環(huán)路附加相移,h,的關(guān)系可寫成,：,外因,：環(huán)境因素變化、負載變化等。,內(nèi)因,：相位平衡
6、條件。,三途徑,10,5.4.,3,導致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因,（,續(xù)1）,1.影響 （或 ）的主要因素,各種環(huán)境因素如溫度、濕度、大氣壓力、振動等因素對回路電感和電容的影響；,晶體管或其它器件的輸入、輸出阻抗的變化；,電路元件間分布電容的變化；,負載電抗參數(shù)的變化。,11,5.4.,3,導致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因,（,續(xù)2）,2.影響環(huán)路,Q,值的因素,器件輸入、輸出阻抗中的有功部分；,負載電阻的變化；,回路損耗電阻尤其是電抗元件的高頻損耗，環(huán)路元器件的高頻響應等。,12,5.4.,3,導致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因,（,續(xù)3）,3.影響 的因素,反饋變壓器的非理想電抗因素中環(huán)境因素；,晶體管的輸入阻
7、抗和輸出阻抗或其它器件的輸入、輸出阻抗；,晶體管的,值可為復數(shù)；,環(huán)路內(nèi)各種噪聲源引起的相差抖動等。,事實上，還有許多其它原因，通過上述,三途徑,對振蕩頻率的穩(wěn)定性起著不良影響。,13,5.4.,4,主要穩(wěn)頻措施,1.提高諧振回路的標準性,回路的標準性,是指在外界因素如溫度、濕度、大氣壓力等變化時，諧振回路保持其諧振頻率固定不變的能力。,提高回路標準性的主要措施是選用高品質(zhì)因數(shù)、高穩(wěn)定性和低溫度系數(shù)、低吸水性的電容器與電感器。,負號表示頻率變化的方向與電抗變化的方向相反。,所以有,:,14,5.4.,4,主要穩(wěn)頻措施（續(xù)1）,引起電抗元件電感量和電容量變化最明顯的環(huán)境因素是溫度的變化，因此常采
8、用溫度補償法和溫度隔離法。,溫度補償法,：用具有負溫度系數(shù)的瓷介電容器，接入由普通的具有正溫度系數(shù)的電感和電容組成的諧振回路。,溫度隔離法,：將電抗元件置于特制的恒溫槽內(nèi)，使槽內(nèi)的溫度基本上不隨外界環(huán)境溫度的變化。,選用石英諧振器等固體諧振系統(tǒng)代替由電感、電容構(gòu)成的電磁諧振系統(tǒng)。,由于這類諧振系統(tǒng)構(gòu)成的振蕩器，不但頻率穩(wěn)定性、頻率準確度高，而且體積、耗電均很小，因此，在許多領(lǐng)域已被廣泛地采用。,1.提高諧振回路的標準性,（續(xù)1）,5.4.,4,主要穩(wěn)頻措施（續(xù)2）,2.削弱不穩(wěn)定因素對諧振特性的影響,晶體管的參數(shù)穩(wěn)定,：晶體管參數(shù)（輸入輸出阻抗等）受工作點的影響較大，注意選擇工作點穩(wěn)定的電路與
9、良好的穩(wěn)壓電路。,選擇回路與器件間的,接入系數(shù),：晶體管的輸入輸出阻抗、外接負載阻抗、分布電容和引線電感都是影響回路標準性的重要因素。因此選擇合適的回路與器件間的接入系數(shù)，選擇合適的回路與負載間的耦合系數(shù)，對提高頻率穩(wěn)定性是十分重要的。,例：,為了阻止負載對振蕩器的影響，振蕩器一般都是通過具有高輸入阻抗的跟隨器輸出。如必須直接連接時，也常采用變比較大的降壓變壓器，或分壓比很小的電容分壓網(wǎng)絡再與其它負載相聯(lián)接。,16,5.4.,4,主要穩(wěn)頻措施（續(xù)3）,改進電路,：減小振蕩管的輸入、輸出阻抗對回路振蕩頻率的影響，是提高振蕩頻率穩(wěn)定性的一個非常重要的課題。,在三點式振蕩電路中，器件三個端口的等效阻
10、抗 直接與回路三個電抗元件相連接，由于器件端口等效阻抗隨工作狀態(tài)改變而改變，由它構(gòu)成的振蕩器其頻率穩(wěn)定度的提高也必然會受到嚴重的影響。為了改善普通三點振蕩電路的頻率穩(wěn)定性而提出的,兩種改進型的電路,（,克拉潑振蕩器,和,西勒振蕩器,）,。,2.削弱不穩(wěn)定因素對諧振特性的影響,（續(xù)1）,17,舉例,:,（,1,）,考畢茨,電路，求 ，若,求由此引起的 及 。,（,2,）,克拉潑,電路，已選,C=60pF,，求,若仍取 ，求由此引起的 及 。,給定電容反饋三點式振蕩電路：,若選,F=1/5,，對以下兩種電路分別,計算并比較。,即比較同樣的,輸入電容變化,給兩,種電路帶來的頻率變化。,18,舉例,(
11、,續(xù),1),解：（,1,）計算考畢茨電路 的元件值和參數(shù),19,舉例,(,續(xù),2),（,2,）計算克拉潑電路 的元件值和參數(shù),20,5.5 晶體振蕩器,利用石英晶體的壓電和反壓電效應對正弦振蕩頻率進行控制的振蕩器稱為晶體振蕩器。,石英晶體的物理性能和化學性能十分穩(wěn)定，對周圍環(huán)境條件（如溫度、濕度、大氣壓力）的變化不敏感。,晶體振蕩器突出的優(yōu)點是可以組成頻率穩(wěn)定度和準確度很高的正弦波振蕩器：,10,-4,10,-6,；,10,-7,10,-8,（加恒溫控制）；,10,-12,10,-13,（極限）。,21,壓電和反壓電效應,：石英是一種具有晶體結(jié)構(gòu)、外形呈角椎形六棱體的礦物質(zhì)。當按某種方式將其切
12、割成一定厚度的薄片時，可以發(fā)現(xiàn)它具有一種特殊的物理現(xiàn)象：當石英晶體沿某一電軸受到交變電場作用時，就能沿機械軸產(chǎn)生機械振動，反過來，當機械軸受力時，就能在電軸方向產(chǎn)生電場。我們稱之為壓電和反壓電效應。,石英晶體和其他彈性體一樣，具有慣性和彈性，因而存在著固有振動頻率，并與其物理特性、幾何尺寸和外形有關(guān)。,在諧振頻率處，換能效率最高。,石英晶體實際上是一個能把機械能轉(zhuǎn)換為電場能，又能把電場能轉(zhuǎn)換為機械能的可逆換能器，,5.5.1 石英諧振器的基本特性,1.石英諧振器的等效電路,石英諧振器還存在各種奇次泛音振動模式，用基音振動實現(xiàn)對頻率控制的晶體稱為基音晶體，其余稱為泛音晶體。采用,AT,切割石英片
13、的基頻頻率一般都限制在20,MHz,以下。因為此時石英片的厚度僅有0,.041mm，,頻率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的強度。,5.5.1 石英諧振器的基本特性,（,續(xù)1,）,2.石英諧振器的諧振頻率,24,5.5.1 石英諧振器的基本特性,（,續(xù)2,）,0,2.石英諧振器的諧振頻率,25,3.石英諧振器的基本特性,很高的等效品質(zhì)因數(shù)（,10,4,10,6,）,：,石英諧振器最大的特點是具有很大的等效電感量和很小,的損耗電阻,。,很小的接入系數(shù),P,（,10,-3,10,-4,）,：,當外界電抗元件與之相連接時，對石英諧振器的固有諧,振特性的影響是十分微弱的。,具有兩個諧振頻率，,且
14、,兩個諧振頻率十分接近：,5.5.1 石英諧振器的基本特性,（,續(xù)3,）,書上例題，,52.5Hz/2.5MHz,26,5.5.2 晶體振蕩電路,三種反饋振蕩器,：,晶體在電路中作為等效電感元件用，為,并聯(lián)型晶體振蕩,電路。晶體在振蕩環(huán)路中起著,高,Q,電感器,的作用。,電路中當串聯(lián)諧振元件用，為,串聯(lián)型晶體振蕩電路,。晶體則起著具有,高,Q,短路器,作用。,泛音晶體振蕩器：利用石英諧振器的泛音特性的振蕩器稱為,泛音晶體振蕩器。,晶體在振蕩環(huán)路中起著,高,Q,電感器,的作用。,石英諧振器構(gòu)成振蕩器可以有兩種工作方式,：,高,Q,短路線（,f=f,q,）：,串聯(lián)型晶體振蕩器；,等效,L,（,f,
15、q,ff,p,）：,并聯(lián)型晶體振蕩器。,0,1.并聯(lián)型晶體振蕩電路,（1）皮爾斯電路,RFC,C,B,E,如令 ，是 和（+）的串聯(lián)。,C,E,B,28,1.并聯(lián)型晶體振蕩電路,（,續(xù)1,）,石英晶體參數(shù)具有高度穩(wěn)定性，,q,穩(wěn)定，,0,也很穩(wěn)定；,由于,C,q,q,，石英諧振器是等效為電感,L,用；,回路振蕩頻率近似等于,q,，可通過,C,L,微調(diào)，但范圍很小。,29,1.并聯(lián)型晶體振蕩電路,（,續(xù)2,）,注意三種頻率：,石英諧振器的振蕩頻率；,振蕩回路的振蕩頻率；,并聯(lián)型晶體振蕩電路的振蕩頻率,（考慮,h,的影響）。,（2）密勒（,Miller）,電路,石英晶體,J,T,被晶體管輸入阻抗所
16、并聯(lián)，降低了,有,載品質(zhì)因數(shù),Q,，,降低了頻率穩(wěn)定度，故密勒電路使用不多。,30,2.串聯(lián)型晶體振蕩器,串聯(lián)諧振型，晶體為高,Q,短路器作用。,L,0,作用：,去除,C,0,的影響。,31,3.泛音晶體振蕩器,要求較高的工作頻率時，一般均是泛音晶體，其泛音次數(shù)通常選為37次泛音。泛音次數(shù)太高，晶體的性能也將顯著下降。,石英晶體中的機械諧波（,泛音,）和電路中諧波的區(qū)別：,電路中諧波是基波的,整數(shù)倍,，是同時,并存,。,泛音是基波的,奇數(shù)倍,，,不能同時并存,。,泛音晶體振蕩器的振蕩環(huán)路中，必須包含兩個振蕩回路：,振蕩器的振蕩回路,泛音,選擇回路,泛音,選擇,頻率,處,能夠滿足相位平衡條件和幅度平衡條件,。,泛音選擇頻率設(shè)計在,n,次泛音和（,n-2）,次泛音之間。,32,3.泛音晶體振蕩器,（,續(xù)1,）,泛音選擇電路：,設(shè)石英晶體泛音為,5,次泛音晶體，,f,為晶體的基音頻率。,泛音選擇電路在振蕩頻率處等效為電容。,33,5-15：某廣播發(fā)射機的主振器實際電路如圖所示。試畫出該電路的交流等效電路，并分析該電路采用了哪幾種穩(wěn)頻措施。,舉例1：,習題5-15,（晶體當?shù)刃щ姼性茫?穩(wěn)
通信電路原理5_3
