振荡

 

　　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，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，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,即振荡幅度终将达到稳定值。称为起振条件,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。

　　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u_i，放大后的输出电压为u_o,由β反馈回来的电压为u_f。如果u_f和u_i大小相等，相位相同，那么，用u_f替代u_i,输出u_o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u_o。

　　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u_f和u_i的幅度相同。后者称为相位平衡条件,它保证u_f和u_i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：

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,Wave Generation and Shaping,2nd ed.,McGraw-Hill,New York,1970。

 

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