基本介紹
- 中文名：振盪器
- 外文名：oscillator
- 學科：信息工程
- 領域：工程技術
簡介,定義,單位,分類,工作原理,使用流程,注意事項,振盪器與諧振器,發展狀況,
簡介
振盪器（英文：oscillator）是用來產生重複電子訊號（通常是正弦波或方波）的電子元件。其構成的電路叫振盪電路。能將直流電轉換為具有一定頻率交流電信號輸出的電子電路或裝置。種類很多，按振盪激勵方式可分為自激振盪器、他激振盪器；按電路結構可分為阻容振盪器、電感電容振盪器、晶體振盪器、音叉振盪器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振盪器。廣泛用於電子工業、醫療、科學研究等方面。
振盪器主要可以分成兩種：諧波振盪器（harmonic oscillator）與弛張振盪器（relaxation oscillator）。
自激多諧振盪器也叫無穩態電路。兩管的集電極各有一個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，當接通電源的瞬間，某個管子先通，另一隻管子截止，這時，導通管子的集電集有輸出，集電極的電容將脈衝信號耦合到另一隻管子的基極使另一隻管子導通。這時原來導通的管子截止，這樣兩隻管子輪流導通和截止，就產生了震盪電流。
由於器件不可能參數完全一致，因此在上電的瞬間兩個三極體的狀態就發生了變化，這個變化由於正反饋的作用越來越強烈，導致到達一個暫穩態。暫穩態期間另一個三極體經電容逐步充電後導通或者截止，狀態發生翻轉,到達另一個暫穩態.這樣周而復始形成振盪。
正弦波振盪器
能夠輸出正弦波的振盪器稱作正弦波振盪器。
正弦波振盪器主要有LC振盪器RC振盪器兩種。
振盪器最基本組成部分
2 正反饋網路；（將輸出信號反饋一部分至輸入端）
3 選頻網路；（用以選取所需要的振盪頻率，以使振盪器能夠在單一頻率下振盪，從而獲得需要的波形。
定義
振盪器簡單地說就是一個頻率源，一般用在鎖相環中。詳細說就是一個不需要外信號激勵、自身就可以將直流電能轉化為交流電能的裝置。一般分為正反饋和負阻型兩種。所謂“振盪”，其涵義就暗指交流，振盪器包含了一個從不振盪到振盪的過程和功能。能夠完成從直流電能到交流電能的轉化，這樣的裝置就可以稱為“振盪器”。
單位
轉/分鐘（r/min或r/m）。
大容量振盪器
大容量振盪器分類
振盪器主要分為RC，LC振盪器和晶體振盪器
1、RC振盪器採用RC網路作為選頻移相網路的振盪器統稱為RC正弦振盪器，屬音頻振盪器。
2、LC振盪器採用LC振盪迴路作為移相和選頻網路的正反饋振盪器稱為LC振盪器。
LC振盪器的分類：
①變壓器耦合 ·單管LC正弦振盪器 ·差分對管LC正弦振盪器
③改進三點式 ·克拉潑振盪器 ·西勒振盪器
④差分對管振盪器
3、晶體振盪器
振盪器的振盪頻率受石英晶體控制的振盪器。
特性：
1、物理、化學性能非常穩定。
2、具有正壓電效應和逆壓電效應, 石英晶體諧振頻率ωs
△當ω=ωs時，壓電效應最強,稱ωs為基頻
△當ω=nωs時，壓電效應也較強，稱之為泛音頻率
溫度係數振盪器
1、溫度係數振盪器是指一種振盪器，它的振盪頻率與溫度之間有一個特定的關係，即不同的溫度對應不同的振盪頻率。反之，測量出振盪器的輸出頻率，就可測量出溫度值。
石英晶體振盪器分非溫度補償式晶體振盪器、溫度補償晶體振盪器（TCXO）、電壓控制晶體振盪器（VCXO）、恆溫控制式晶體振盪器（OCXO）和數位化/μp補償式晶體振盪器（DCXO/MCXO）等幾種類型。其中，無溫度補償式晶體振盪器是最簡單的一種，在日本工業標準(JIS)中，稱其為標準封裝晶體振盪器（SPXO）。現以SPXO為例，簡要介紹一下石英晶體振盪器的結構與工作原理。
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。石英晶體本身並非振盪器，它只有藉助於有源激勵和無源電抗網路方可產生振盪。SPXO主要是由品質因數（Q）很高的晶體諧振器（即晶體振子）與反饋式振盪電路組成的。石英晶體振子是振盪器中的重要元件，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於其切割取向。
只要在晶體振子板極上施加交變電壓，就會使晶片產生機械變形振動，此現象即所謂逆壓電效應。當外加電壓頻率等於晶體諧振器的固有頻率時，就會發生壓電諧振，從而導致機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為振動磨擦損耗的等效電阻。石英晶體諧振器存在一個串聯諧振頻率fos（1/2π），同時也存在一個並聯諧振頻率fop（1/2π)。由於Co?C，fop與fos之間之差值很小，並且R?ωOL，R?1/ωOC，所以諧振電路的品質因數Q非常高（可達數百萬），從而使石英晶體諧振器組成的振盪器頻率穩定度十分高，可達10－12/日。石英晶體振盪器的振盪頻率既可近似工作於fos處，也可工作在fop附近，因此石英晶體振盪器可分串聯型和並聯型兩種。用石英晶體諧振器及其等效電路，取代LC振盪器中構成諧振迴路的電感（L）和電容（C）元件，則很容易理解晶體振盪器的工作原理。
SPXO的總精度（包括起始精度和隨溫度、電壓及負載產生的變化）可以達到±25ppm。SPXO既無溫度補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℃範圍內，SPXO的頻率穩定度通常為20～1000ppm，SPXO可以用作鐘頻振盪器。
溫度補償晶體振盪器（TCXO）
TCXO是通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化產生的振盪頻率變化量削減的一種石英晶體振盪器。
1、TCXO的溫度補償方式
在TCXO中，對石英晶體振子頻率溫度漂移的補償方法主要有直接補償和間接補償兩種類型：
（1）直接補償型
直接補償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補償電路，在振盪器中與石英晶體振子串聯而成的。在溫度變化時，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯電容容值相應變化，從而抵消或削減振盪頻率的溫度漂移。該補償方式電路簡單，成本較低，節省印製電路板（PCB）尺寸和空間，適用於小型和低壓小電流場合。但當要求晶體振盪器精度小於±1pmm時，直接補償方式並不適宜。 （2）間接補償型
間接補償型又分模擬式和數字式兩種類型。模擬式間接溫度補償是利用熱敏電阻等溫度感測元件組成溫度－電壓變換電路，並將該電壓施加到一支與晶體振子相串接的變容二極體上，通過晶體振子串聯電容量的變化，對晶體振子的非線性頻率漂移進行補償。該補償方式能實現±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。數位化間接溫度補償是在模擬式補償電路中的溫度—電壓變換電路之後再加一級模/數（A/D）變換器，將模擬量轉換成數字量。該法可實現自動溫度補償，使晶體振盪器頻率穩定度非常高，但具體的補償電路比較複雜，成本也較高，只適用於基地站和廣播電台等要求高精度化的情況。
2、TCXO發展現狀
TCXO在近十幾年中得到長足發展，其中在精密TCXO的研究開發與生產方面，日本居領先和主宰地位。在70年代末汽車電話用TCXO的體積達20?以上，的主流產品降至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餘倍乃至100倍。日本京陶瓷公司採用回流焊接方法生產的表面貼裝TCXO厚度由4mm降至2mm，在振盪啟動4ms後即可達到額定振盪幅度的90%。金石（KSS）集團生產的TCXO頻率範圍為2～80MHz，溫度從－10℃到60℃變化時的穩定度為±1ppm或±2ppm；數字式TCXO的頻率覆蓋範圍為0.2～90MHz，頻率穩定度為±0.1ppm（－30℃～+85℃）。日本東澤通信機生產的TCO－935/937型片式直接溫補型TCXO，頻率溫度特性（點頻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生產的X3080型TCXO採用表面貼裝和穿孔兩種封裝，正弦波或邏輯輸出，在－55℃～85℃範圍內能達到±0.25～±1ppm的精度。國內的產品水平也較高，如北京瑞華欣科技開發有限公司推出的TCXO（32～40MHz）在室溫下精度優於±1ppm，第一年的頻率老化率為±1ppm，頻率（機械）微調≥±3ppm，電源功耗≤120mw。高穩定度的TCXO器件，精度可達±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：一是小型化會使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補償更加困難；二是片式封裝後在其回流焊接作業中，由於焊接溫度遠高於TCXO的最大允許溫度，會使晶體振子的頻率發生變化，若不採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的技術水平的提高並沒進入到極限，創新的內容和潛力仍較大。
3、TCXO的套用
TCXO作為基準振盪器為傳送信道提供頻率基準，同時作為接收通道的第一級本機振盪器；另一隻TCXO作為第2級本機振盪器，將其振盪信號輸入到第2變頻器。行動電話要求的頻率穩定度為0.1～2.5ppm（－30～+75℃），但出於成本上的考慮，通常選用的規格為1.5～2.5ppm。行動電話用12～20MHz的TCXO代表性產品之一是VC－TCXO－201C1，採用直接補償方式，由日本金石（KSS）公司生產。
振盪器相關專業術語
1. | Hartley oscillator 哈特利振盪器 |
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5. | clock oscillator 時鐘振盪器 |
6. | collector tuning oscillator 集電極調諧振盪器 |
7. | crystal-controlled oscillator 晶體控制振盪器 |
8. | dielectric resonator oscillator (DRO) 介質諧振振盪器 |
9. | numerically controlled oscillator (NCO) 數控振盪器 |
10. | oscillator, voltage controlled (VCO) 電壓控制振盪器 |
11. | oscillator, relaxation 張弛振盪器 |
12. | oscillator, phase shift 相位位移振盪器 |
13. | oscillator, crystal 晶體振盪器 |
14. | oscillator, collector tuning 集電極調諧振盪器 |
15. | oscillator, clock 時鐘振盪器 |
16. | oscillator 振盪器 |
17. | relaxation oscillator 張弛振盪器 |
18. | voltage-controlled crystal oscillator (VCXO) 壓控晶體振盪器 |
19. | voltage controlled oscillator (VCO) 電壓控制振盪器 |
20. | Variable Crystal Oscillator 可變[周期]晶體振盪器 |
工作原理
由於器件不可能參數完全一致，因此在上電的瞬間兩個三極體的狀態就發生了變化，這個變化由於正反饋的作用越來越強烈，導致到達一個暫穩態。暫穩態期間另一個三極體經電容逐步充電後導通或者截止，狀態發生翻轉，到達另一個暫穩態。這樣周而復始形成振盪。
使用流程
1、 裝入試驗瓶，並保持平衡，如是雙功能機型，設定振盪方式。
3、 打開電源開關，設定恆溫溫度：
（1）將控制小開關置於“設定”段，此時顯示屏顯示的溫度為設定的溫度，調節旋鈕，設定到您工作所需溫度即可。（您設定的工作溫度應高於環境溫度，此時機器開始加熱，黃色指示燈亮，否則機器不工作）
（2）將控制部分小開關置於“測量”端，此時顯示屏顯示的溫度為試驗箱內空氣的實際溫度，隨著箱內氣溫的變化，顯示的數字也會相應變化。
（3）當加熱到您所需的溫度時，加熱會自動停止，綠色指示燈亮；當試驗箱內的熱量散發，低於您所設定的溫度時，新的一輪加熱又會開始。
4、開啟振盪裝置：
（1） 打開控制臺上的振盪開關，指示燈亮。
（2） 調節振盪速度旋鈕至所需的振盪頻率。
5、工作完畢切斷電源，置調速旋鈕與控溫旋鈕至最低點。
6、清潔機器，保持乾淨。
注意事項
1、 器具應放置在較牢固的工作檯面上，環境應清潔整齊，通風良好。
2、 用戶提供的電源插座應有良好的接地措施。
3、 嚴禁在正常工作的時候移動機器。
4、 嚴禁物體撞擊機器。
5、 嚴禁兒童接近機器，以防發生意外。
6、 更換熔斷器前應先確保電源已切斷。
7、 使用結束後請清理機器，不能留有水滴、污物殘留。
振盪器與諧振器
振盪器是將直流電能轉變成交流電能的過程，用來產生一定頻率的交流信號，是有源器件。諧振器是電路對一定頻率的信號進行諧振，主要是用來篩選出某一頻率，是無源器件。晶體諧振器是無源器件，不需要電源。晶體振盪器是有源器件，需要電源，且晶體振盪器的電路中最重要的元件就是晶體諧振器。將晶體諧振器加外部振盪電路、放大電路、濾波電路等等即為晶體振盪器。
在以前，時常會把諧振器和振盪器搞混晶體振盪器是有源器件，需要電源，且晶體振盪器的電路中最重要的元件就是晶體諧振器。將晶體諧振器加外部振盪電路、放大電路、濾波電路等等即為晶體振盪器。
發展狀況
日本金石、始建於1948年的NibonDempaKogyo公司和美國摩托羅位、韓國的Sunny－Emi等公司，都是生產石英晶體器件較大的廠商。中國生產石英晶體振盪器等元器件的單位有原電子工業部第十研究所、北京707廠、國營第875廠和一些合資企業等。中國對人造石英晶體及其元器件的研究開發起步較早，擁有的生產能力也較大。就石英晶體振盪器而言，與國外先進水平比較，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。儘快縮小這些差距，進一步擴大生產規模，提高產品性價比，是提高在國際市場上競爭力的必由之路。與此同時，還要跟蹤該器件發展的新動向，如視頻發生器等振盪器的研究與套用。
數顯水浴恆溫振盪器
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