第5章 正弦波振荡器 本章主要内容 5.1、振荡器概述 5.2、LC振荡器的基本工作原理 ■LC振荡器的基本构成 ■振荡的三大条件 5.3LC振荡器的电路分析 5.3.1互感耦合振荡器 5.3.2三点式振荡器电路（考毕兹、哈特莱、改进型） 5.4、振荡器的频率稳定度 5.4.1频率稳定度的计量 5.4.2导致振荡频率不稳定的原因 5.4.3主要稳频措施 5.4.4晶体振荡器 口石英谐振器的基本特性 口晶体振荡器电路 ,5其他振荡器与特殊振荡现象 Tsinghua University
1 笫5章 正弦波振荡器 本章主要内容 5.1、振荡器 概述 5.2、LC 振荡器的基本工作原理 ◼ LC振荡器的基本构成 ◼ 振荡的三大条件 5.3 LC 振荡器的电路分析 5.3.1 互感耦合振荡器 5.3.2 三点式振荡器电路（考毕兹、哈特莱、改进型） 5.4、振荡器的频率稳定度 5.4.1频率稳定度的计量 5.4.2导致振荡频率不稳定的原因 5.4.3主要稳频措施 5.4.4晶体振荡器 石英谐振器的基本特性 晶体振荡器电路 5.5其他振荡器与特殊振荡现象
5.4振荡器的频率稳定度 频率稳定度指振荡器实际振荡频率偏离其标称值变化的程度。 5.4.1频率稳定度的计量 对振荡器频率性能的要求，通常用频率准确度和频率稳定度 来衡量。 ■频率准确度又称频率精度 口绝对频率准确度△f：它表示振荡频率f偏离标称频率0 的程度。△f=f-f 口相对频率准确度：为了合理评价不同标称频率振荡器的 频率偏差，频率准确度也可用其相对值△f/f来表示。 Mff-f fo Tsinghua University
2 5.4.1 频率稳定度的计量 对振荡器频率性能的要求，通常用频率准确度和频率稳定度 来衡量。 ◼ 频率准确度又称频率精度 绝对频率准确度 f ：它表示振荡频率 f 偏离标称频率 的程度。 0 f 相对频率准确度：为了合理评价不同标称频率振荡器的 频率偏差，频率准确度也可用其相对值 f / f 0 来表示。 0 0 0 f f f f f − = 频率稳定度指振荡器实际振荡频率偏离其标称值变化的程度。 0 f = f − f 5.4振荡器的频率稳定度
频率稳定度的计量-均方误差来表示 口频率稳定度则是指在一定观测时间内，由于各种因素 变化，引起振荡频率相对于标称频率变化的程度。 o=(△f)/f0 由于频率的变化是随机的，所以不同的观测时段，测 出的频率稳定度往往是不同的。上式表征频率稳定度 并不十分合理。目前多用其均方误差来表示频率稳定 度： =m 为观测时间内的测量次数，1,2，.…为观测序号； ()为第次测得的最大频率相对偏移；次频率偏移的 平均值为 singhua University 3
3 频率稳定度则是指在一定观测时间内，由于各种因素 变化，引起振荡频率相对于标称频率变化的程度。 0 ( f ) / f = t 由于频率的变化是随机的，所以不同的观测时段，测 出的频率稳定度往往是不同的。上式表征频率稳定度 并不十分合理。目前多用其均方误差来表示频率稳定 度： → = − = n i i n f f f f n 1 2 0 0 1 lim n为观测时间内的测量次数，i=1，2，…为观测序号； 为第i次测得的最大频率相对偏移；n次频率偏移的 平均值为 i f f 0 i n n i f f f n f = 0 → =1 0 1 lim 频率稳定度的计量--均方误差来表示
频率稳定度的分类 口根据观测时间的长短，将频率稳定度分为： (1)长期频率稳定度（长稳） 观测时间为一天以上的稳定度称为长期频率稳定度。一般高精度的频 率基准、时间基准（如天文观测台、国家计时台等）均采用长期频率 稳定度来计量频率源的特性。 一主要由元件老化、元件参数的慢变化引起的频漂。 (2)短期频率稳定度（短稳） 观测时间在一天以内如以小时计量的频率稳定度。 大多数电子设备和仪器均采用短稳来衡量。 (3)瞬时频率稳定度（秒级频率稳定度） 瞬时频率稳定度用于衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化。 这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰引起。频域：相位噪声 Tsinghua University
4 （1）长期频率稳定度（长稳） 观测时间为一天以上的稳定度称为长期频率稳定度。一般高精度的频 率基准、时间基准（如天文观测台、国家计时台等）均采用长期频率 稳定度来计量频率源的特性。 --主要由元件老化、元件参数的慢变化引起的频漂。 （2）短期频率稳定度（短稳） 观测时间在一天以内如以小时计量的频率稳定度。 大多数电子设备和仪器均采用短稳来衡量。 （3）瞬时频率稳定度（秒级频率稳定度） 瞬时频率稳定度用于衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化。 这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰引起。-频域：相位噪声 根据观测时间的长短，将频率稳定度分为： 频率稳定度的分类
瞬时频率稳定度的计量-阿仑方差 口瞬时频率稳定度是高速通信设备、雷达设备以及以相 位信息为主要传输对象的电子设备的重要指标。用阿仑 方差来描述这种频率的起伏。 。2()=lim2f合 n→00 f为振荡器标称频率；为测量次数；℃为每次测量的取样时间； =1,2,3,,n为测量次数的序号；和f.1为第2i次和第2i1次 测得的频率值。每两次观测时间的中间可以有间歇，而且间 隔时间可长可短。这样在测量和进行数据处理时，采用阿仑 方差表示式就带来很大的方便。 Tsinghua University
5 瞬时频率稳定度是高速通信设备、雷达设备以及以相 位信息为主要传输对象的电子设备的重要指标。用阿仑 方差来描述这种频率的起伏。 = − → − = n i i i n f f n f 1 2 2 2 2 1 0 2 ( ) 2 1 1 ( ) lim 为振荡器标称频率；n为测量次数； 为每次测量的取样时间； i=1,2,3,…,n为测量次数的序号； 和f2i-1 为 第2i次和第2i-1次 测得的频率值。每两次观测时间的中间可以有间歇，而且间 隔时间可长可短。这样在测量和进行数据处理时，采用阿仑 方差表示式就带来很大的方便。 0 f i f 2 瞬时频率稳定度的计量-阿仑方差
频率稳定度的计量（续4） 举例： LC振荡器 10-3-10-4 普通信号发生器 10-3-104 中波广播台 2×10-5 短波通信机 10-4-10-5 电视发射台 5×10-7 标准信号发生器 10-7-10-9 原子钟（频率标准） 10-11-10-13 singhua University 6
6 LC振荡器 10-3 – 10-4 普通信号发生器 10-3 – 10-4 中波广播台 210-5 短波通信机 10-4 – 10-5 电视发射台 510-7 标准信号发生器 10-7 – 10-9 原子钟（频率标准） 10-11 – 10-13 举例： 频率稳定度的计量（续4）
5.4.2导致振荡频率不稳定的原因 能使环路相位平衡条件得以满足的频 率即为该振荡器的振荡频率∫。 2 口它与回路自然振荡频率f。、回路有 效Q值以及环路附加相移p的关系 可写成： 0,=-=-g[0(2-刃 0 Q f1 tg(2nπ+ph) π fo f1 Ph fQ 不稳定都会导致振荡频率∫1不稳定。 ▣ 当pn增加，Q下降时，f01会提高。 Tsinghua University
7 5.4.2导致振荡频率不稳定的原因 0 f h 01 f 能使环路相位平衡条件得以满足的频 率即为该振荡器的振荡频率 它与回路自然振荡频率 、回路有 效 Q 值以及环路附加相移 的关系 可写成： 01 f 0 f h [ ( )] 0 0 1 = − = − − − o h tg Q (2 ) 1 01 0 0 01 n h t g f Q f f f − = + Q 不稳定都会导致振荡频率 不稳定。 f 0 增加，Q下降时， 会提高。 01 f 当 h 2 − 2 0 f 01 f o h f
影响振荡器频率稳定度的三方面因素 口谐振回路中心频率，不稳定 口回路Q值的变化 ▣环路附加相移相位P的变化 Tsinghua University
8 影响振荡器频率稳定度的三方面因素 谐振回路中心频率 不稳定 回路Q值的变化 环路附加相移相位 的变化 0 f h
◆影响。的主要因素 ◆影响 f(或 o)的主要因素 Po ■各种环境因素如温度、湿度、 大气压力、振动等因素对回路 2 电感L和电容C的影响。 ■ 晶体管或其它器件的输入、输 出阻抗的变化。 电路元件间分布电容的变化。 ■ 负载电抗参数的变化。 2 singhua University 9
9 ◆影响 f （或 0 0 ）的主要因素 ◼ 各种环境因素如温度、湿度、 大气压力、振动等因素对回路 电感L和电容C的影响。 ◼ 晶体管或其它器件的输入、输 出阻抗的变化。 ◼ 电路元件间分布电容的变化。 ◼ 负载电抗参数的变化。 ◆影响 f 0 的主要因素 2 − 2 0 f 01 f o 02 f
◆影响环路Q值的因素 ◆影响环路Q值的因素 1Pf),9 0>Q ■器件输入、输出阻抗中的有 功部分。 Q值提高 ■负载电阻的变化。 o1f01 ■ 回路损耗电阻尤其是电抗元 件的高频损耗，回路元器件 的高频响应等。 回路Q与振荡频率的关系 Tsinghua University 10
10 ◆影响环路 Q 值的因素 ◼ 器件输入、输出阻抗中的有 功部分。 ◼ 负载电阻的变化。 ◼ 回路损耗电阻尤其是电抗元 件的高频损耗，回路元器件 的高频响应等。 回路Q与振荡频率的关系 ◆影响环路 Q 值的因素