振荡

振荡(oscillation)是指电路中的电流(或电压)在最大值和最小值之间随时间作周期性重复变化的现象或过程。振幅恒定的振荡称“等幅振荡”;振幅随时间而递减的振荡称“阻尼振荡”或“减幅振荡”。

振荡电路是通过自激方式把直流电压变换为按一定规律变化的电压(如正弦波、方波、锯齿波等)的一种电子线路。

振荡电路在不断应用新的电子器件如场效应管、负阻器件和集成电路等组成各种形式的各种用途的振荡电路的同时，也完善了自身的理论。任何一个振荡电路都要实现没有输入却有输出的功能，这也是振荡电路与放大电路的一个明显的区别，如下图所示。图中+E为直流电源。

那么，振荡电路为什么能“无中生有”、“无风起浪”呢?其基本原理是什么?

为了更好地理解振荡的基本原理，我们举一个日常生活中大家都熟悉的例子——单摆，如下图所示。单摆在自由摆动时(A-O-B)，如果我们顺着单摆的摆动(比如在A处或B处)不断地给它以能抵消空气阻力的推动力，单摆将做频率稳定的等幅振荡。否则由于空气阻力，单摆将逐渐停了下来。因此推力和阻力这对矛盾是影响单摆的因素。

为了让单摆摆起来，我们就可以从这一对矛盾入手讨论：

①推力方面，我们可以采取顺着单摆的摆动即在A处或B处给它一个恰当推力，显然单摆会维持摆动。我们还可以干脆截住单摆，比如在A 、B 处，强制单摆摆过去，那么单摆也在摆动。我们把加推力适当帮助这种情况称为正反馈，恰当加力的可以认为是符合单摆固有规律的正反馈，而强制加力的可以认为是强烈正反馈。

②从阻力方面，我们知道，如果让一个单摆摆动起来，而不去“管它”，那么它将由于空气阻力等原因逐渐消耗尽能量而停摆。所以，可以假设，如果没有空气等阻力，那么单摆无须加推力一样能摆下去。振荡电路的振荡理论也正是结合电路特点从“推力”和“阻力”两方面建立起来的。从原理上讲形成了正反馈振荡器和负阻振荡器(见下表的分类)。

(一)正反馈振荡器

1、正弦波振荡器

上图所示电路，将开关K先打向“1”端，电容C充电后，再打向“2”端，当线圈的铜损电阻r足够小时，便会在电路中产生如下图所示的衰减的振荡电流。

形成振荡的原因是电容C在充电期间所贮存的能量向电感线圈L转移，然后又从电感线圈往电容器中转移，不断来回交换能量，形成振荡。

在振荡过程中，电流流过电阻r，能量逐渐消耗，因而振荡幅度逐渐减小。此时如果设法给这个LC振荡回路补充能量，振荡就可维持下去。补充的电流波形要加强原有波形，显然要注意相位和幅度两个因素。这可通过放大器加正反馈来实现。

2、弛张振荡器

下图为一示意电路。在t=0时刻，开关K打开，在t=1时刻K合上;在t=2时刻又打开，在t=3时刻再合上。不难分析，若忽略三极管的开、关时间及饱和压降等，则uo的波形为理想的方波，如下图所示。

为了使电路“自己”振起来，通常在电路中引入正反馈，再用定时元件如R、C组成定时电路来代替开关K，这就是强烈正反馈振荡器。因为要求“开关”动作时间短，故要求正反馈十分强烈，为了控制方波宽度和频率，故要求定时。方框图如下图所示。在实际应用中，一般把这种振荡器用于产生非正弦波，又可称为弛张振荡器。

(二)负阻振荡器

讨论下图所示电路时，由于电阻r才导致振荡衰减，电阻r是电感L的铜损，这是无法避免的。显然，如果我们在电路中再串联一个负阻器件，抵消电阻r的损耗，则电路就可能振荡下去，这就是负阻振荡器，该振荡器不需反馈。它与正反馈形式振荡器在能量补充上有根本区别。

任何一个振荡器总是用来输出波形的。因此，我们从以下几个方面来确定振荡电路的技术指标，这些技术指标可以作为我们分析已有振荡器的分析内容.也是我们设计、制作振荡器的依据。当然不同场合的振荡器，技术指标上可以各有侧重，有些要求高一些，有些要求低一些。

(一)波形质量

波形质量的优劣是衡量振荡器的一个主要技术指标。如下图所示为一正弦波振荡器输出的正弦波形，显然波形质量最好的是(a)，波形(b)含有了三极管静态工作点偏低引起的截止失真，还有二次谐波失真，波形(c)有寄生振荡。如果该正弦波振荡器是作为正弦波信号源，波形(b)和波形(c)是不合格的。

下图所示是一锯齿波振荡器，锯齿波一般随时间增加电压升高的一段称为正程，随时间增加电压下降的另一段称为逆程。无论正程还是逆程，一般要求线性良好。显然，波形(b)线性较差。如果电视机里场锯齿波线性不好，表现在电视机上，则显示的图像出现失真，可能导致腿短身长的图像等。

(二)振幅的稳定性及振幅的可调节性

振幅稳定性往往用振幅变化的百分比来说明，其表达式为

S=ΔU/U0

式中U0为一平均参考电压，ΔU为偏离U0的值。有些情况下振幅稳定性用分贝值表示，其计算式为

SdB=20lg(ΔU/U0)

有些仪器设备中的振荡器，不仅要求振幅稳定，同时还要求振幅在一定范围内可以调节。

(三)频率大小、频率可调及频率稳定性

由于振荡器所采取的电路形式不同或所用的电子元件等原因，不同振荡器能够输出的频率大小也不同。比如由LC选频网络构成的正弦波振荡器输出的正弦波的频率比较高，一般在数10kHz以上，而由RC选频网络构成的正弦波振荡器就只能输出频率低的正弦波，一般在超低频至数10kHz的低频范围内。

不同电路结构的振荡器频率调节范围即可调能力也不一样，如LC正弦波振荡器可以通过调节谐振回路的电容量来调节输出频率，如果改变电感大小，也能调节频率，但振荡器结构就要复杂一些。

频率稳定性可用绝对频率稳定性和相对频率稳定性两种表示方法。

绝对频率稳定性定义为实际振荡频率f与额定频率f0之间的差值。

Δf=f-f0

相对频率稳定度定义为

Δf/f0=(f-f0)/f0

对频率稳定性的要求，不但在短期内，而且在长期内，都有很高的要求。短期稳定性一般理解为-d,时以内的相对稳定性;中期稳定性一般理解为一天以内的相对稳定性;而长期稳定性一般理解为几个月以上的相对稳定性。对于工作于一个频段内的振荡器，还要求在一个频段内有良好的稳定性。

(四)可靠性

振荡电路工作的可靠性表现在：起振可靠;环境变化如温度变化时其技术指标不能下降;如果振荡电路是用在运动、振动的设备中，还要求振荡电路具备一定的抗震性;有的振荡电路还要求在高压、大电流等大负载特殊要求的情况下也能可靠工作。振荡电路的可靠性设计要求全面考虑所有因素，如电源、元件的选择、固定等。

(五)性价比

所谓性价比即振荡电路的性能与所花费用的比值。它是一个产品走向市场的重要指标，谁都希望性能越高，而价格越低，即性价比高。但实际情况性能与成本是一对矛盾，在工程应用中只能折衷设计尽量提高性价比。

1、振荡器的工作原理

振荡器的组成如下图所示。

接通电源后，放大电路获得供电开始导通，导通时电流有一个从无到有的变化过程。该变化的电流中包括有微弱的0-∞各种频率的信号，这些信号输出并送到选频电路，选频电路从中选出频率为f0的信号，f0信号经正反馈电路反馈到放大电路的输入端，放大后输出幅度较大的f0信号，f0信号又经选频电路选出，再经过正反馈电路反馈到放大电路输入端进行放大，然后输出幅度更大的f0信号，接着又选频、反馈和放大，如此反复，放大电路输出的f0信号越来越大。

随着f0信号的不断增大，由于三极管非线性的原因(即三极管输入信号达到一定幅度时，放大能力会下降，幅度越大，放大能力下降越多)，放大电路的放大倍数A自动不断减小。

放大电路输出的f0信号不是全部都反馈到放大电路的输入端，而是经反馈电路衰减了再送到放大电路输入端，设反馈电路反馈衰减倍数为1/F。在振荡器工作后，放大电路的放大倍数A不断减小，当放大电路的放大倍数A与反馈电路的衰减倍数1/F相等时，输出的f0信号幅度不会再增大。

例如f0信号被反馈电路衰减为原来的1/10，再反馈到放大电路放大10倍，输出的f0信号不会变化，电路输出稳定的f0信号。

2、振荡器的工作条件

从前面介绍的振荡器工作原理知道，振荡器正常工作需要满足下面两个条件。

①相位条件

相位条件要求电路的反馈为正反馈。振荡器没有外加信号，它是将反馈信号作为输入信号，振荡器中的信号相位会有两次改变，放大电路相位改变ΦA(又称相位ΦA)、反馈电路相位改变ΦF。振荡器相位条件要求满足ΦA+ΦF=2nπ(n=0，1，2，...)

只有满足上述条件才能保证电路的反馈为正反馈。例如放大电路将信号倒相180°(ΦA=π)，那么，反馈电路必须再将信号倒相180°(ΦF=π)，这样才能保证电路的反馈是正反馈。

②幅度条件

幅度条件指振荡器稳定工作后，要求放大电路的放大倍数A，使其与反馈电路的衰减系数1/F相等，即A=1/F。只有这样，才能保证振荡器能输出稳定的交流信号。

在振荡器刚起振时，要求放大电路的放大倍数A大于反馈电路的1/F，即A 1/F(AF 1)，这样才能让输出信号的幅度不断增大，当输出信号幅度达到一定值时，就要求A=1/F(可以通过减少放大电路的放大倍数A或增大反馈电路的1/F来实现)，这样才能让输出信号幅度达到一定值时稳定不变。

振荡器是电子技术中一种非常重要的技术。不管在工业电器或家用电器中，其电路涉及面非常广泛，种类大致分为RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器三种。其电路的内部工作原理非常复杂，但其基本原理不会改变，无非在电路工作稳定程度上，加了一些辅助电路。

中微子振荡是一个量子力学现象，是指中微子在生成时所伴随的轻子(包括电子、μ子、τ子)味可在之后转化成不同的味，而被测量出改变。当中微子在空间中传播时，测到中...[查看全部]

振荡电路就是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。振荡电路广泛应用于遥控、通信、自动控制、测量等设备中，也作为模拟电子电路的测试信号。

1、三点式振荡电路的结构特点

三点式振荡器是LC正弦波振荡器的一种。其特点是电路中LC并联谐振回路的三个端子分别与放大器的三个端子相连，故而称为三点式振荡电路。三点式振荡器有电容三点式振荡器与电感三点式振荡器两种。三点式振荡器的基本结构如下图所示，图中a所示为电容。

三点式振荡器，图中b所示为电感三点式振荡器。

在电容三点式振荡器中，晶体管及其偏置电路构成了基本放大器，电容C1、C2和电感L构成构成了LC并联选频网络，正反馈信号从电容C2两端取出，经电容器CB耦合加在晶体管的发射结两端。

在电感三点式振荡器中，晶体管及其偏置电路构成了基本放大器，电感L1、L2和电容C构成了LC并联选频网络，正反馈信号从电感L2两端取出，经电容CB、CE耦合，加在晶体管的发射结两端。

2、三点式振荡的判断技巧

三点式振荡器幅度条件的判断方法，即通过分析振荡器的工作点，只要基本放大器处于放大状态，即满足振荡的幅度条件。

三点式振荡器是否满足振荡的相位条件，简单的说，要满足射同基反。也就是说与发射极相连的为同性质的电抗，不与发射极相连的为异性质的电抗。

可用简化交流等效电路来判断，方法如下：画出三点式振荡器的简化交流等效电路如下图a所示。如果与晶体管发射极连接的两个元件(X1、X2)为电抗性质相同的元件(都是电容或都是电感)，另一个与集电极、基极连接的元件(X3)与上述两个元件的电抗性质相反，即满足振荡的相位条件。

在图中b所示的电容三点式振荡器中，晶体管的发射极接在电容C1、C2的连接点2上，电容的另外两端1、3分别接晶体管的集电极、基极，电感L的两端分别接晶体管的集电极、基极，满足射同基

电力系统中的发电机经输电线并列运行，当存在扰动时，发电机转子间发生相对摇摆，若系统缺乏阻尼则会导致持续振荡。这种振荡的振荡频率很低，一般为0.2~2.5Hz，故称为低频振荡。低频振荡多出现在长距离、重负荷输电线上，可分区域振荡和局部振荡两类。

1、电力系统稳定的定义及分类

所谓定系统的稳定性，是指表征电力系统在受到物理扰动之后，系统自行恢复到运行平衡点的一种综合能力。

当系统在给定的初始运行下运行时，由于受到明显的物理扰动，所以系统需要充分发挥自身的性能重新回到原平衡点。这种运行的完整性和平衡性能力被称为电力系统的稳定性。当电力系统受到外界和内部干扰时，依然能够实现发电机组输出的电磁转矩和原动机输入的机械转矩的平衡，使得所有发电机转子速度保持恒定，从而使在电气上连接在一起的各个同步发电机机械输入转矩和电磁转矩平衡，最终保证了电力系统的安全稳定运行。

电力系统的稳定性可以分为功角稳定、电压稳定、频率稳定三大类。根据扰动的强度大小，功角稳定又分为小信号稳定和暂态稳定，功角稳定是影响电力系统稳定性的最主要分类。

2、电力系统低频振荡的必要性

我国地域辽阔，电力能源需求大，电力能源结构还不够完善。当前的电力负荷中心主要集中在东部和南部地区，为了促进我国电力事业的发展，我们提出了“西电东送、南北互供，全国联网”的电力发展战略。

这样，电网互联会有助于实现“电网错峰、水火电互补、功率紧急支援”，提升发电和输电的经济性和可靠性。因此，强化对电力系统低频振荡问题的研究可以有效发挥这些优势，促进国家电力事业的发展。

为了促进西部电力资源的大力开发，西电东送工程是其中的重要一环。借助于西电东送工程，把西部丰富的水电资源输送到华东和广东等负荷中心，从而实现资源的平衡配置。但是需要解决的一个技术难题是超距离负荷中心超容量输电的问题。

在负荷高峰期，容易因为联络线路

中微子振荡是一个量子力学现象，是指中微子在生成时所伴随的轻子(包括电子、μ子、τ子)味可在之后转化成不同的味，而被测量出改变。当中微子在空间中传播时，测到中微子带有某个味的概率呈现周期性变化。

1、太阳中微子之谜与大气中微子反常

1968年，美国物理学家戴维斯等人在美国南达科他州的Homestake地下金矿中建造了一个大型中微子探测器，探测发现了一个奇怪的现象，来自太阳的中微子比理论预言少了，这个困扰科学家几十年的问题，称为“太阳中微子失踪之谜”。

在宇宙中，有很多能量非常高的宇宙射线，它们进入地球的大气层后，会打出中微子，称为大气中微子。从20世纪80年代起，人们就发现大气中微子似乎没有我们预计的多，称为“大气中微子反常”。

2、中微子振荡的发现

中微子是一种极难被探测到的基本粒子，在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中都极为重要。中微子共有3种类型，它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型，称为中微子振荡。中微子振荡的观点最早由理论物理学家布鲁诺·庞蒂科夫于1957年提出。

自20世纪60年代起，科学家一直试图揭示太阳中微子之谜与大气中微子反常的原因。

1998年6月，日本超级神冈探测器的梶田隆章等科学家宣布找到了中微子振荡的证据，即中微子在不同“味”之间发生了转换(电子中微子和μ子中微子间变换)，这现象只在中微子的静止质量不为零时才会发生。然而这个实验只能测出不同“味”的中微子质量之差，尚不能测得其绝对质量。

2001年8月，在加拿大物理学家麦克唐纳的领导下，依据安大略省萨德伯里中微子天文台地下2100m的检测设施的观测结果，推论出来自太阳的电子中微子振荡成为τ中微子，而3种中微子的总数并没有减少。

中微子振荡现象，即一种中微子在飞行中可以变成另一种中微子，使几十年来令人困惑不解的太阳中微子失踪之谜和大气中微子反常现象得到了合理的