振荡电路的设计与应用
第2节 振荡电路的基础
更新于2008-08-28 11:15:10

本书从第2章开始介绍各种振荡电路的设计,这里将在设计前对一些常识性的基本知识进行介绍。


1.2.1数字电路中的时钟发生器

作为振荡频率经常为恒定用途的振荡电路,称为数字电路或微机系统等的时钟发生器。一般输出是方波,重要的是振荡周期不变(照片1.9)。
 


照片1.9数字电路中时钟波形实例
(这是MOS逻辑电路的波形。对于数字电路形成“1”或“0”即可,很少关注波形本身。然而,需要注意振铃或过冲的问题)


数字电路的时钟发生器用于使整个系统的定时保持一致,但频率的精度与稳定度不那么重要。
进行时间测量(准确的定时)或用于计时的场合,需要数十ppm(pert per million,百万分之一)以下稳定度的良好时钟发生器。其中,经常使用的必定是晶体振荡器。
晶体振荡器是高精度振荡器的代名词。例如,电子手表就使用晶体振荡器,其中使用振荡频率为32.768kHz(即周期为1/215s)的晶体。


1.2.2电视机与收音机等中使用的振荡电路

收音机、电视机、无线电收发两用机等无线通信设备中要使用频率可变的振荡器,无线或电视广播的发射机经常需要用恒定频率发射信号,因此,也要使用晶体振荡器。
图1.3示出无线广播等接收机中使用的本机振荡器,简称本振。它是在将接收到的无线信号变换为容易处理的频段的信号时使用。例如,将10.7MHz的FM中频信号变换为455kHz频率信号时,需要使用10.7-0.455=10.245(MHz)的固定振荡器。这种固定振荡器也有的使用称为晶体振荡器的低成本类型陶瓷振荡器。


图1.3无线接收机等中使用的本振实例


相当普及的电视机、VTR(磁带录像机)、音频设备等的无线遥控器中也采用振荡电路。通常使用38kHz(455kHz的12分频)作为红外线的载波频率,这主要也是使用陶瓷振子构成的振荡电路。
频闪较少的高频点灯方式的荧光灯也使用数十千赫的振荡器。由于要求电路简单和低功率化,使用称为LC间歇方式的振荡电路。当然,频率稳定度要求不高。
一般家庭中普及的加湿器用数百千赫至数兆赫的超声波能量将水雾化,但振荡频率要根据超声波振子及负载的状态做相应的变化(自动跟踪)。
此外,还有很多不注意的地方也要使用振荡器,但要求的电气性能随目的与用途不同而异。


1.2.3高稳定度振荡的晶体与陶瓷

振荡电路设计时非常重要的部分是振荡频率(或范围)及其频率精度(包括稳定度)。
振荡频率根据需要确定(确定的场合很多),但电路方式的确定要兼顾到频率精度,因此,不能简单确定。
各种振荡电路中频率精度最高的首先是晶体振荡电路。晶体振荡电路中有内含温度补偿电路、稳定度为数ppm的高稳定型电路,以及微机等数字电路基板上使用的数十ppm数量级的晶体时钟模块,它们的输出波形一般为方波。
高频电路中需要高稳定度的正弦波时,多采用晶体振子及外围电路构成的振荡电路。这种晶体振荡电路与晶体时钟模块使用的频率为500kHz~100MHz。
实际中也有精度要求不像晶体振荡器那样高的用途,这些用途希望价格较低,因此,多采用陶瓷振子构成的振荡电路。作为振荡电路大体上与晶体振子同样处理,但Q值(表示容易振荡的值)低,振荡频率容易随振子的负载电容发生变化,这是它的缺点。
陶瓷振子的振荡频率精度与稳定度为100~50ppm/℃。村田制作所的CSA型4MHz陶瓷振子,实测的频率精度与稳定度约为+40ppm/℃。


1.2.4精度要求不高的RC与LC振荡器

制作电路时,很多情况下频率的精度与稳定度未必要求很高,即使出现百分之几至百分之十几的误差,能够产生振荡就是一种良好的状态。这时,经常使用RC或LC振荡电路,RC振荡电路的振荡周期/定时由电容C与电阻R决定,而LC振荡电路由电感L与电容C决定。
RC和LC振荡电路有多种方式,但在频率设定时利用R与C的时间常数RC,以及L与C构成的谐振电路这点上,这些方案都是相同的。振荡频率精度与稳定度超出使用的RC或LC的稳定性一般不会太好,详细情况在各章中进行介绍,如图1.4所示振荡电路分类实例。
若将RC振荡电路与LC振荡电路进行比较的话,L的成品较难得到,LC振荡电路设计也比较麻烦。为此,现状是在低频范围内使用设计容易的RC振荡电路,在高频振荡电路中不得以使用LC振荡器。


图1.4振荡电路分类实例


1.2.5振荡频率可变技术

频率可变振荡器主要用于计测与通信等一些特殊设备中。为了使振荡频率可变,主要采用图1.5所示的三种方法。


图1.5频率可变方法


第一种是最简单的方法,它是用机械方式改变图1.4所示的RC振荡电路,或LC振荡电路各自的振荡常数。对于RC振荡电路,采用可调电阻R就可以简单地改变振荡频率。
对于LC振荡电路,可根据各自的不同用途,通过改变L或改变C来改变振荡频率。通信设备中通过调谐电感,调谐电容改变振荡频率。LC振荡电路不能像RC振荡电路那样用可调电阻简单地改变C或L来改变振荡频率,实际上调整起来较困难。
不太容易直接改变C或L的值,若通过电压与电流,就能使用可调电阻简单改变C或L的值。这里,可以通过电容C的值随所加的电压而改变的压控电容来达到此目的,这称为变容二极管,它基本上是一种二极管。
利用变容二极管就较容易实现压控振荡器(VCO:Voltage Controlled Osillator),用电压控制来改变振荡频率这是第二种方法。然而,第二种方法的频率可变范围不太宽,为此,需要采用后面介绍的与锁相环(PLL:Phase Locked Loop)电路的组合方式。
第三种方法也是PLL技术的一种发展,采用晶体振子等的原始精确的振荡频率,然后通过纯正的数字处理生成新的频率信号的技术。作为这些新技术关注的是数字频率合成器。原理早已经弄明白,但由于最近的超大规模集成电路技术以及高速运算技术的发展,才使其实用化。


1.2.6方波与正弦波的不同处理方式

数字电路中使用的方波振荡一般较简单。例如市售的晶振模块,接上电源就能工作,可获得非常高的频率输出。
晶体振荡电路的输出频率通常大多是数兆赫数量级,需要更低频率时可将分频IC(计数器IC)进行级联,这样,可得到超低频率的方波。
另外,占空比即方波的高低电平的时间宽度之比改变较难时,以2倍原始振荡频率进行振荡,再通过二进制计数器将其进行二分频,就可得到占空比为1∶1(50%)的方波。
数字电路振荡难以处理之处在于:产生数十兆赫的高频时钟信号时,需要采用抑制波形过冲与振铃技术,确保上升(下降)时间等技术,即处理高速脉冲技术。今后对于更加高速化的CPU时钟,也需要掌握有关模拟脉冲技术方面的知识。另一方面,正弦波的振荡本来应该要求波形失真(高次谐波失真)较小,因此,需要着手设计极低失真的振荡电路。
正弦波振荡与输出方波的晶振模块不同,进行正弦波振荡采用晶体、陶瓷振子构成的振荡电路,有众多的模拟要素需要处理,即电路常数的确定、工作点的设定、负载阻抗选用等。
对于LC振荡电路,为了求得振荡的可靠性,波形会变坏,要想得到失真少的波形,则当电源电压降低或环境温度下降时电路有时会停止振荡。
对于RC构成的正弦波振荡电路,若使用自动增益控制(AGC:Automatic Gain Control)电路,进行最佳失真调整与设定控制范围,则可得到纯度非常高的振荡波形。
直接产生正弦波的数字频率合成器也较容易制作,但振幅轴与时间轴的分辨率(位数)决定着波形的失真,若要得到纯度更高的波形,则受到存储器的容量与最高振荡频率的限制。
总之,振荡电路如何与现实中的电路相对应的经验有助于电路的设计,同时也成为掌握模拟技术教材的最佳内容。本书各章都配有实验照片,并对照片进行了说明,请务必有效地利用这些条件学会振荡电路的有关知识。
 

 

网友留言