振蕩器

簡介

　　振蕩器（英文：oscillator）是用來產(chǎn)生重復(fù)電子訊號(hào)（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(hào)輸出的電子電路或裝置。種類很多，按振蕩激勵(lì)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(hào)的振蕩器。這個(gè)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(cè)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(gè)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(gè)管子先通，另一只管子截止，這時(shí)，導(dǎo)通管子的集電集有輸出，集電極的電容將脈沖信號(hào)耦合到另一只管子的基極使另一只管子導(dǎo)通。這時(shí)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(gè)三極管的狀態(tài)就發(fā)生了變化，這個(gè)變化由于正反饋的作用越來越強(qiáng)烈，導(dǎo)致到達(dá)一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)期間另一個(gè)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(gè)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(hào)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(gè)頻率源，一般用在鎖相環(huán)中。詳細(xì)說就是一個(gè)不需要外信號(hào)激勵(lì)、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(gè)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="kbtwyor" class='hrefStyle'>變壓器耦合 ·單管LC正弦振蕩器 ·差分對(duì)管LC正弦振蕩器

　?、谌c(diǎn)式 ·電容三點(diǎn)式（考畢茲）振蕩器 ·電感三點(diǎn)式（哈特萊）振蕩器

　?、鄹倪M(jìn)三點(diǎn)式 ·克拉潑振蕩器 ·西勒振蕩器

　?、懿罘謱?duì)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(shí)，壓電效應(yīng)最強(qiáng)，稱ωs為基頻

　　△當(dāng)ω=nωs時(shí)，壓電效應(yīng)也較強(qiáng)，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(gè)特定的關(guān)系，即不同的溫度對(duì)應(yīng)不同的振蕩頻率。反之，測(cè)量出振蕩器的輸出頻率，就可測(cè)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(huì)變化很多，即對(duì)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(bǔ)償式晶體振蕩器、溫度補(bǔ)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(bǔ)償式晶體振蕩器（DCXO/MCXO）等幾種類型。其中，無溫度補(bǔ)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(lì)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(huì)使晶片產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)，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(shí)，就會(huì)發(fā)生壓電諧振，從而導(dǎo)致機(jī)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(dòng)磨擦損耗的等效電阻。石英晶體諧振器存在一個(gè)串聯(lián)諧振頻率fos（1/2π），同時(shí)也存在一個(gè)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(bǔ)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(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）

　　TCXO是通過附加的溫度補(bǔ)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(bǔ)償方式

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

　?。?）直接補(bǔ)償型

　　直接補(bǔ)償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補(bǔ)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(shí)，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(bǔ)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(chǎng)合。但當(dāng)要求晶體振蕩器精度小于±1pmm時(shí)，直接補(bǔ)償方式并不適宜。

　?。?）間接補(bǔ)償型

　　間接補(bǔ)償型又分模擬式和數(shù)字式兩種類型。模擬式間接溫度補(bǔ)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(duì)晶體振子的非線性頻率漂移進(jìn)行補(bǔ)償。該補(bǔ)償方式能實(shí)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(bǔ)償是在模擬式補(bǔ)償電路中的溫度—電壓變換電路之后再加一級(jí)模/數(shù)（A/D）變換器，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。該法可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度補(bǔ)償，使晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度非常高，但具體的補(bǔ)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(tái)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(dòng)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(shí)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(jī)生產(chǎn)的TCO－935/937型片式直接溫補(bǔ)型TCXO，頻率溫度特性（點(diǎn)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(jī)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(diǎn)：一是小型化會(huì)使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補(bǔ)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(huì)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(shí)作為接收通道的第一級(jí)本機(jī)振蕩器；另一只TCXO作為第2級(jí)本機(jī)振蕩器，將其振蕩信號(hào)輸入到第2變頻器。移動(dòng)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(dòng)電話用12～20MHz的TCXO代表性產(chǎn)品之一是VC－TCXO－201C1，采用直接補(bǔ)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(chǎng)能和磁場(chǎng)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(diǎn)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(yùn)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(gè)三極管的狀態(tài)就發(fā)生了變化，這個(gè)變化由于正反饋的作用越來越強(qiáng)烈，導(dǎo)致到達(dá)一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)期間另一個(gè)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(gè)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(yàn)瓶，并保持平衡，如是雙功能機(jī)型，設(shè)定振蕩方式。

　　2、 接通電源，根據(jù)機(jī)器表面刻度設(shè)定定時(shí)時(shí)間，如需長時(shí)間工作，將定時(shí)器調(diào)至“常開”位置。

　　3、 打開電源開關(guān)，設(shè)定恒溫溫度：

　?。?）將控制小開關(guān)置于“設(shè)定”段，此時(shí)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(shí)機(jī)器開始加熱，黃色指示燈亮，否則機(jī)器不工作）

　?。?）將控制部分小開關(guān)置于“測(cè)量”端，此時(shí)顯示屏顯示的溫度為試驗(yàn)箱內(nèi)空氣的實(shí)際溫度，隨著箱內(nèi)氣溫的變化，顯示的數(shù)字也會(huì)相應(yīng)變化。

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

　　4、開啟振蕩裝置：

　　（1） 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(diǎn)。

　　6、清潔機(jī)器，保持干凈。

注意事項(xiàng)

　　1、 器具應(yīng)放置在較牢固的工作臺(tái)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(shí)候移動(dòng)機(jī)器。

　　4、 嚴(yán)禁物體撞擊機(jī)器。

　　5、 嚴(yán)禁兒童接近機(jī)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(qǐng)清理機(jī)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(duì)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(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，提高產(chǎn)品性價(jià)比，是提高在國際市場(chǎng)上競爭力的必由之路。與此同時(shí)，還要跟蹤該器件發(fā)展的新動(dòng)向，如視頻發(fā)生器等振蕩器的研究與應(yīng)用。