振荡

  zhoucljob ·  2010-05-22 09:06  ·  25688 次点击
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电压、电流或其他电量的幅度随时间而反复变化的物理现象。这种变化通常是周期性的。在振荡过程中,如果能量不断损失,则其振荡将逐渐减小,称衰减振荡;如果能量没有损失,或由外部补充的能量恰能抵消所失能量,则其振荡将维持不变,称等幅振荡;如果外部补充的能量大于耗去的能量,则其振幅将逐渐增大,称增幅振荡。最早用来传递信息的电信号是由火花放电器产生的一种衰减振荡波。以后又用电弧电路产生等幅振荡波。1913年人们第一次用真空三极管产生高频等幅振荡波。随着真空电子器件、固态电子器件的发展,已不难获得各种波形的振荡信号,其功率和频率范围也大为扩展,并已广泛用于通信、广播、雷达、电子计算机和测量仪器等方面。
自由振荡由电感线圈L、电容器C构成的振荡回路,如在接通前L中储有磁能或C上储有电能,那么在回路闭合后,这些存储的能量将在L和C之间相互交换,产生振荡电压或振荡电流。这种现象称为自由振荡。没有损耗的LC回路的振荡波形为正弦形,振荡频率data/attachment/portal/201111/06/1454298k1cvrwp8p5rii30.gif,振荡取决于LC回路闭合前所存储的能量。实际的LC回路总是要消耗能量的,所以自由振荡总是衰减振荡。
自激振荡无须外加激励而自行产生的恒稳而持续的振荡。含有储能元件(如电容器C和电感器L)和有源器件的电路,在一定条件下能产生自激振荡。实现这种功能的电路叫作(自激)振荡器。振荡器依振荡波形的不同,可分为正弦振荡器和非正弦振荡器两类;依工作原理可分为负阻振荡器和反馈型振荡器(见LC振荡器)两种。
图1是负阻振荡器的原理图。G-是负阻器件的增量负电导,G是振荡回路的损耗电导。如果data/attachment/portal/201111/06/145429chw0x3hdhv0rhx0w.gif,则振荡幅度逐渐增大。但负阻器件的非线性特性会使│G-│随振荡幅度的增大而减小,所以终将使data/attachment/portal/201111/06/145429r2be6brntuxzzl2e.gif,即振荡幅度终将达到稳定值。data/attachment/portal/201111/06/145429chw0x3hdhv0rhx0w.gif称为起振条件,data/attachment/portal/201111/06/145429r2be6brntuxzzl2e.gif称为振幅平衡条件。负阻振荡器既能产生正弦波,也能产生非正弦波。
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图2是反馈型振荡器原理图。其中,A代表主要由有源器件构成的放大器,β代表由选频网络或移相网络构成的反馈电路。先设想电路在S点断开,在A的输入端加入频率为f的正弦电压ui,放大后的输出电压为uo,由β反馈回来的电压为uf。如果uf和ui大小相等,相位相同,那么,用uf替代ui,输出uo将保持不变。实际上,S点是接通的,所以在一定条件下,即使电路没有输入激励仍能得到输出电压uo。
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使反馈型振荡器维持自激振荡的条件是Aβ=1。这个方程称为巴克豪森判据。它包含Aβ的模值|Aβ|为1和相位为零两个条件。前者称为振幅平衡条件,它保证uf和ui的幅度相同。后者称为相位平衡条件,它保证uf和ui的相位相同。振幅平衡条件和振幅u0的大小,取决于放大电路的非线性特性。相位平衡条件和振荡频率f的数值取决于选频网络的频率特性。
非线性振荡方程自激振荡的工作情况可用非线性微分方程来描述。1920年前后,范德堡等人就导出了描述电子管振荡器的非线性微分方程:
data/attachment/portal/201111/06/145430zh3yhb2cbshbdcc2.gif这就是著名的范德堡方程。式中x是时间t的函数,代表自激振荡的电压或电流;ε是与振荡回路和电子管特性有关的常数。解范德堡方程即可求出x(t)。当data/attachment/portal/201111/06/145433wq4dy3qn66dd2q7u.gif时,x(t)的波形接近正弦波。随着ε的增大,其波形与正弦波将越差越远;当data/attachment/portal/201111/06/1454334qicbhm1piciimme.gif时,则接近方波。
同步或占据当激励源的频率与自激振荡频率十分接近时,原有自振频率消失而为外加的频率所占据的现象。同步后的自振频率与外加激励源频率相等。外加频率在一定范围内变化时,振荡频率亦随之而变。在一定条件下,振荡频率也可以是激励频率的分谐波或高次谐波;前者称为同步分频,后者称为同步倍频。
参考书目
常迵编:《无线电信号与线路原理》,高等教育出版社,北京,1965。
管致中等:《无线电技术基础》,人民教育出版社,北京,1983。
L.Strauss,WaveGenerationandShaping,2nded.,McGraw-Hill,NewYork,1970。
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