第五章振荡与调制PPT课件

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1、第五章第五章 振荡与调制振荡与调制 在一个电子线路中，不加输入信号就有信号输在一个电子线路中，不加输入信号就有信号输出，这种现象称为出，这种现象称为自激振荡自激振荡(oscillation)，实现振，实现振荡的电路称为振荡器荡的电路称为振荡器(oscillator)。 振荡器在医学中的应用非常广泛，如超声波诊振荡器在医学中的应用非常广泛，如超声波诊断仪、各种电疗机等都应用了振荡器。利用振荡可以断仪、各种电疗机等都应用了振荡器。利用振荡可以产生不同波形和不同频率的交变电压，常见的振荡器产生不同波形和不同频率的交变电压，常见的振荡器有两类，一类是正弦波振荡器，另一类是非正弦波振有两类，一类是正弦波

2、振荡器，另一类是非正弦波振荡器。荡器。 调制调制(modulation)是一种频率较高的波形携带是一种频率较高的波形携带低频信息的过程，而低频信息的过程，而解调解调(demodulation)则是从已调则是从已调波中恢复原低频信息的过程，它在生物医学上用于各波中恢复原低频信息的过程，它在生物医学上用于各种生理参数的检测和遥测。种生理参数的检测和遥测。 主要内容主要内容第一节第一节 RC正弦波振荡器正弦波振荡器第二节第二节 LC正弦波振荡器正弦波振荡器第三节第三节 晶体正弦波振荡器晶体正弦波振荡器第四节第四节 调幅与检波调幅与检波第五节第五节 调频与鉴频调频与鉴频第一节第一节 RC正弦波振荡器正

3、弦波振荡器一一.自激振荡的基本原理自激振荡的基本原理1. 自激振荡的基本条件自激振荡的基本条件 在前面提到，当放大电路中引入正反馈在前面提到，当放大电路中引入正反馈后，往往会产生自激，从而破坏了放大器的后，往往会产生自激，从而破坏了放大器的正常工作。这说明正反馈放大器有可能形成正常工作。这说明正反馈放大器有可能形成振荡。那么要满足什么条件，才能使正反馈振荡。那么要满足什么条件，才能使正反馈放大器成为一个自激振荡器呢放大器成为一个自激振荡器呢? 自激振荡器包括两部分，一是自激振荡器包括两部分，一是基本放大器，放大倍数为基本放大器，放大倍数为K0；二是；二是反馈电路，反馈系数为反馈电路，反馈系数为

4、F。 假设在基本放大器的输入端加假设在基本放大器的输入端加输入信号输入信号ui，经过放大后的输出信号，经过放大后的输出信号为为uo=K0ui，然后经反馈电路，将输，然后经反馈电路，将输出信号出信号uo的一部分即反馈信号的一部分即反馈信号uf=Fuo回送到输入端。如果反馈信号回送到输入端。如果反馈信号uf与输入信号与输入信号ui同相位，则构成正反同相位，则构成正反馈回路，结果将加强原输入信号。馈回路，结果将加强原输入信号。如果此反馈信号的幅度又足够大，如果此反馈信号的幅度又足够大，即满足即满足ufui，那么即使将输入信号，那么即使将输入信号拿掉，电路也能维持有信号输出，拿掉，电路也能维持有信号输

5、出，这样就形成了振荡。这样就形成了振荡。 由此可见，要产生自激振荡，必须具备由此可见，要产生自激振荡，必须具备两个基本条件：两个基本条件：(1)相位条件相位条件 反馈信号反馈信号uf与输入信号与输入信号ui同相位，即同相位，即uf与与ui的相位差为的相位差为=2n=2n(n=0,1,2(n=0,1,2) )(2)幅度条件幅度条件 反馈信号反馈信号uf应大于或等于输入信号应大于或等于输入信号ui，即即uiuf。因。因uf=Fuo，而，而uo=K0ui，所以，所以uf=FK0ui，故本条件可改写为：，故本条件可改写为：FK01 只有满足了以上两个基本条件，电路才只有满足了以上两个基本条件，电路才能

6、形成自激振荡。能形成自激振荡。2. 正弦波振荡器的基本组成正弦波振荡器的基本组成 虽然具备了上述两个条件的正反馈放大器虽然具备了上述两个条件的正反馈放大器能够产生自激振荡，但如果同时有许多频率的能够产生自激振荡，但如果同时有许多频率的信号信号(而不是一种频率而不是一种频率)都满足这些条件，那么都满足这些条件，那么输出端获得的振荡信号将不是单一频率的正弦输出端获得的振荡信号将不是单一频率的正弦波，而是一个包含有多种频率信号合成的非正波，而是一个包含有多种频率信号合成的非正弦波或矩形波。弦波或矩形波。为了获得单一频率的正弦波为了获得单一频率的正弦波，振荡电路还必须具有选频作用，具有这种特性振荡电路

7、还必须具有选频作用，具有这种特性的电路称选频电路。多频率的信号通过选频电的电路称选频电路。多频率的信号通过选频电路后，只有某一频率才满足振荡的两个基本条路后，只有某一频率才满足振荡的两个基本条件，从而得到单一频率的正弦波信号。件，从而得到单一频率的正弦波信号。 选频电路，可以由选频电路，可以由R、C元件组成，也可元件组成，也可用用L、C元件组成，还可以由石英晶体组成。元件组成，还可以由石英晶体组成。 在实际的振荡电路中，选频电路可以作在实际的振荡电路中，选频电路可以作为一个独立的部分，也可以包含在反馈电路为一个独立的部分，也可以包含在反馈电路中或基本放大器中。中或基本放大器中。 从原理上讲，一

8、个自激正弦波振荡器必从原理上讲，一个自激正弦波振荡器必须由以下三部分组成：须由以下三部分组成：基本放大器、正反馈基本放大器、正反馈电路、选频电路电路、选频电路。 3.振荡的建立和稳定振荡的建立和稳定 如上所述，反馈振荡器是把反馈电压如上所述，反馈振荡器是把反馈电压uf作作为输入电压，以维持一定的输出电压。为输入电压，以维持一定的输出电压。 这里就有一个问题，既然输出电压是由输这里就有一个问题，既然输出电压是由输入电压放大得到的，而输入电压又是通过反馈入电压放大得到的，而输入电压又是通过反馈电路由输出电压供给的，那么最初的输入电压电路由输出电压供给的，那么最初的输入电压又是怎样得到的呢又是怎样得

9、到的呢? 在振荡电路中不可避免地含有微小的电扰动，如在振荡电路中不可避免地含有微小的电扰动，如接通直流电源的一瞬间所产生的电脉冲，以及电路的接通直流电源的一瞬间所产生的电脉冲，以及电路的热噪声等。热噪声等。 由于振荡电路是一个闭合的正反馈系统，因此不由于振荡电路是一个闭合的正反馈系统，因此不管电扰动发生在电路的哪一部分，最终总要传送到基管电扰动发生在电路的哪一部分，最终总要传送到基本放大器的输入端，成为本放大器的输入端，成为最初的输入电压最初的输入电压。这些电扰。这些电扰动一般都包含有丰富的频率成分，但在选频电路的作动一般都包含有丰富的频率成分，但在选频电路的作用下，只有某一频率分量可以顺利的

10、通过，其余频率用下，只有某一频率分量可以顺利的通过，其余频率成分均被抑制。被选出的频率分量放大后，经反馈电成分均被抑制。被选出的频率分量放大后，经反馈电路又回送到基本放大器的输入端，形成一个循环。在路又回送到基本放大器的输入端，形成一个循环。在第一循环结束时，第二循环即开始，如此循环往复继第一循环结束时，第二循环即开始，如此循环往复继续下去。续下去。 如果在每次循环中，被选频率分量的反馈如果在每次循环中，被选频率分量的反馈电压与循环开始时的输入电压相比较，不仅相电压与循环开始时的输入电压相比较，不仅相位相同，而且振幅也增大，那么经过上述位相同，而且振幅也增大，那么经过上述放大放大正反馈正反馈再

11、放大再放大再正反馈再正反馈的循环过程，被的循环过程，被选频率分量的振荡将迅速增大，这样自激振荡选频率分量的振荡将迅速增大，这样自激振荡就建立起来了。就建立起来了。 上述的振荡信号会不会无止境地增长下去上述的振荡信号会不会无止境地增长下去呢呢? 不会。因为随着振荡的增长，反馈信号愈不会。因为随着振荡的增长，反馈信号愈来愈大，必将导致晶体三极管进入非线性工作来愈大，必将导致晶体三极管进入非线性工作状态，放大器的放大倍数反而降低，使信号幅状态，放大器的放大倍数反而降低，使信号幅度有减少的趋势。因此正反馈使整个电路的振度有减少的趋势。因此正反馈使整个电路的振幅不断增长，而放大器的非线性则使之减小，幅不

12、断增长，而放大器的非线性则使之减小，最后达到一个相对稳定的幅度，从而获得一定最后达到一个相对稳定的幅度，从而获得一定幅度的幅度的等幅振荡等幅振荡。二二. RC串并联选频电路串并联选频电路 RC串并联选频电路串并联选频电路由一个由一个R1C1串联电路与一串联电路与一个个R2C2并联电路连接而成。并联电路连接而成。 当输入电压当输入电压ui的频率的频率很低时，很低时，C1的容抗远大于的容抗远大于电阻电阻R1，而，而C2的容抗远大的容抗远大于于R2，这时在，这时在R2C2并联电并联电路两端的输出电压路两端的输出电压uo幅度幅度很小，且很小，且uo比比ui超前的相超前的相位接近位接近90。 R1C1R

13、2C2 当输入电压当输入电压ui的频率很高时，的频率很高时，C1的容的容抗远小于抗远小于R1，C2的容抗远小于的容抗远小于R2，这时，这时R2C2并联电路两端的输出电压并联电路两端的输出电压uo幅度很小，幅度很小，且且uo比比ui落后的相位接近落后的相位接近90。 因此，在一个适当的中间频率因此，在一个适当的中间频率f0处，处，输出电压输出电压uo与输入电压与输入电压ui同相位，而且这同相位，而且这时的输出电压幅度最大。时的输出电压幅度最大。 RC串并联电路的电压传输系串并联电路的电压传输系数数T以及以及uo与与ui之间的相位差之间的相位差随随输入信号的频率而变化。右图为其输入信号的频率而变化

14、。右图为其电压传输系数电压传输系数T随频率变化的曲线，随频率变化的曲线，称为幅频特性，及称为幅频特性，及随频率变化的随频率变化的曲线，称为相频特性。曲线，称为相频特性。 在实际的电路中，通常取在实际的电路中，通常取R1=R2=R，C1=C2=C。理论和实践。理论和实践证明，当输入信号频率证明，当输入信号频率f0： f0=1/2RC时，电压传输系数时，电压传输系数T最大，且等于最大，且等于1/3，即输出电压，即输出电压uo获得最大值，获得最大值，并与输入电压同相位。并与输入电压同相位。 可见，可见，RC串并联电路对不同串并联电路对不同频率的输入信号有不同的响应特性，频率的输入信号有不同的响应特性

15、，所以它具有选频作用。所以它具有选频作用。 f+90 90 ff0三三. 文氏桥式文氏桥式RC振荡器振荡器 运算放大器与运算放大器与RC串并联串并联选频电路组成的文氏桥式振荡选频电路组成的文氏桥式振荡器。运放的输出电压器。运放的输出电压uo分两路分两路反馈，一路加于反馈，一路加于RC串并联选串并联选频电路，其输出端频电路，其输出端A与运放的与运放的同相端同相端(+)连接；另一路经电连接；另一路经电阻阻R3、R4分压，反馈到运放的分压，反馈到运放的反相端反相端(-)。 这种电路相当于一个电桥，这种电路相当于一个电桥，串联串联RC、并联、并联RC、R3、R4为为四个桥臂，四个桥臂，A、B为电桥的两

16、为电桥的两个输出端点，运放的输出电压个输出端点，运放的输出电压uo为电桥的电源，故这种电路为电桥的电源，故这种电路称为称为RC桥式振荡器桥式振荡器。 _+ + R3R1C1R2C2R4uoAB RC串并联选频电路在串并联选频电路在f=f0=1/2RC时，时，其输出电压与输入电压同相位，而运放输出电其输出电压与输入电压同相位，而运放输出电压与其同相端输入电压同相位。这样，当压与其同相端输入电压同相位。这样，当f=f0时，时，RC选频电路构成一个正反馈支路，满足选频电路构成一个正反馈支路，满足振荡的相位条件。这时振荡的相位条件。这时RC选频电路的反馈系选频电路的反馈系数最大，为数最大，为1/3，因

17、此要维持振荡就要求运放，因此要维持振荡就要求运放的电压放大倍数的电压放大倍数K3。R3、R4组成深度负反馈组成深度负反馈支路，只要适当调节支路，只要适当调节R3、R4的阻值，使的阻值，使(R3+R4)/R43，就可达到，就可达到K3，从而满足振荡，从而满足振荡的幅度条件。的幅度条件。 为了获得不失真的正弦波及幅度稳定的输出，为了获得不失真的正弦波及幅度稳定的输出，图中图中负反馈支路的负反馈支路的R3采用热敏电阻，它是一种负温采用热敏电阻，它是一种负温度系数的元件，阻值随温度的升高而变小。度系数的元件，阻值随温度的升高而变小。 当振荡器输出幅度增加时，通过当振荡器输出幅度增加时，通过R3的电流必

18、然的电流必然增大，热敏电阻的功耗增加，温度升高，增大，热敏电阻的功耗增加，温度升高，R3的阻值的阻值降低，负反馈增强，运放的放大倍数降低，负反馈增强，运放的放大倍数K降低，振荡减降低，振荡减弱，从而限制了输出幅度的上升。弱，从而限制了输出幅度的上升。 反之，如果输出电压幅度减小，则热敏电阻的反之，如果输出电压幅度减小，则热敏电阻的功耗降低，温度降低，功耗降低，温度降低，R3的阻值增大，负反馈减弱，的阻值增大，负反馈减弱，放大倍数放大倍数K上升，限制了输出幅度的下降。可见，上升，限制了输出幅度的下降。可见，R3用热敏电阻起到自动稳定振荡幅度的作用用热敏电阻起到自动稳定振荡幅度的作用。 RC桥式振

19、荡器的振荡频率和输出幅度桥式振荡器的振荡频率和输出幅度比较稳定，波形失真小，可产生几千赫到比较稳定，波形失真小，可产生几千赫到 0.001Hz的低频正弦波信号，而且频率调节的低频正弦波信号，而且频率调节方便。方便。 RC选频电路的体积小，价格低，便于选频电路的体积小，价格低，便于整个电路的微型化，因而在医学中有着广泛整个电路的微型化，因而在医学中有着广泛的应用。的应用。 第二节第二节 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 LC并联谐振回路具有选频特性。如果并联谐振回路具有选频特性。如果将它与放大环节、正反馈电路结合起来，将它与放大环节、正反馈电路结合起来，就可以组成就可以组成LC正弦波振荡器。正弦波振

20、荡器。一一.简单调谐放大器简单调谐放大器 如果用如果用LC并联谐振回路代替一般交流并联谐振回路代替一般交流放大器的集电极电阻放大器的集电极电阻RC，可以组成调谐放，可以组成调谐放大器。大器。 从从LC并联谐振回路的特性可知，当输并联谐振回路的特性可知，当输入信号的频率等于回路的谐振频率入信号的频率等于回路的谐振频率f0时，回时，回路的等效阻抗最大；当信号频率偏离路的等效阻抗最大；当信号频率偏离f0时，时，阻抗变小，偏离越多，阻抗降低就越多。放阻抗变小，偏离越多，阻抗降低就越多。放大器的放大倍数随集电极负载阻抗增大而增大器的放大倍数随集电极负载阻抗增大而增大。当大。当f=f0时，调谐放大器负载阻

21、抗最大，时，调谐放大器负载阻抗最大，放大倍数最高；当离开这个频率时，负载阻放大倍数最高；当离开这个频率时，负载阻抗急剧下降，放大倍数也随之变小；当被放抗急剧下降，放大倍数也随之变小；当被放大的信号频率离大的信号频率离f0很远时，放大器对它就没很远时，放大器对它就没有什么放大作用了。有什么放大作用了。 若适当选择若适当选择LC回路的参数，使其谐振频率回路的参数，使其谐振频率f0等等于需要放大的信号频率，那么放大器对该信号有良于需要放大的信号频率，那么放大器对该信号有良好的放大作用，而对不需要放大的其他频率的信号好的放大作用，而对不需要放大的其他频率的信号放大作用很小。放大作用很小。 因此，这种放

22、大器对频率等于因此，这种放大器对频率等于f0的输入信号或的输入信号或在在f0两边很窄的频率范围内的信号有选频作用，而两边很窄的频率范围内的信号有选频作用，而对其他频率的信号则有抑制作用，故该放大电路又对其他频率的信号则有抑制作用，故该放大电路又被称为为被称为为 LC选频放大器选频放大器。 该放大器的通频带宽度该放大器的通频带宽度fH-fL很窄，所以具有很窄，所以具有很好的抗干扰能力，在超声诊断仪、广播电视等高很好的抗干扰能力，在超声诊断仪、广播电视等高频放大电路中获得了广泛应用。频放大电路中获得了广泛应用。 二二. 变压器反馈式振荡器变压器反馈式振荡器 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡

23、电路是是LC选频放大器与正反馈电路选频放大器与正反馈电路组合而成的。组合而成的。 图中反馈电压图中反馈电压uf通过线圈通过线圈L2引出，再经引出，再经CB送回到放大器送回到放大器的输入端，加于基极与发射极的输入端，加于基极与发射极之间，三极管将之间，三极管将L2反馈的信号反馈的信号放大，加于放大，加于LC并联谐振回路。并联谐振回路。同名端同名端+-+ 当直流电源当直流电源Ec接通时，在接通时，在LC振荡回路振荡回路内会产生一个电冲击，出现一个不大的信号，内会产生一个电冲击，出现一个不大的信号，经过多次放大、正反馈、选频后，幅度将不经过多次放大、正反馈、选频后，幅度将不断增大，在集电极负载断增大

24、，在集电极负载LC回路上得到一个较回路上得到一个较大的输出信号电压；其频率由大的输出信号电压；其频率由LC并联谐振回并联谐振回路的参数决定，即为路的参数决定，即为f0。最后受晶体三极管。最后受晶体三极管非线性的限制，幅度自动稳定在某一水平上，非线性的限制，幅度自动稳定在某一水平上，这时在负载这时在负载LC回路上就有一等幅的正弦波振回路上就有一等幅的正弦波振荡电压，经线圈荡电压，经线圈L1输出。输出。 这种振荡器适用于频率较低这种振荡器适用于频率较低(几十几十千赫到几兆赫千赫到几兆赫)的情况，由于采用变压的情况，由于采用变压器耦合方式，容易做到匹配，故输出振器耦合方式，容易做到匹配，故输出振荡电

25、压较大，且电路比较稳定。荡电压较大，且电路比较稳定。 三三. 电感反馈式振荡器电感反馈式振荡器 电感反馈式振荡电路及其交流等效电路。它是一电感反馈式振荡电路及其交流等效电路。它是一种以种以LC并联谐振回路作为集电极负载的振荡器。由并联谐振回路作为集电极负载的振荡器。由于该电路的振荡线圈分成上于该电路的振荡线圈分成上L1和和L2两段，有三个线头两段，有三个线头(两个端头两个端头1、3和一个抽头和一个抽头2)，故常称为电感三点式，故常称为电感三点式振荡器，又称为哈特莱振荡器。振荡器，又称为哈特莱振荡器。 +-+ 只只要要放放大大器器有有足足够够的的放放大大倍倍数数，并并适适当当地地选选取取L1与与

26、L2的的比比值值，电电路路就就可可满满足足振振荡荡的的幅幅度度条条件件，产产生生自自激振荡。激振荡。 在在选选取取L1与与L2之之比比时时，一一方方面面要要考考虑虑有有足足够够的的反反馈馈量量，以以利利于于起起振振和和获获得得较较大大的的输输出出幅幅度度；另另一一方方面面也也要要考考虑虑到到，为为了了使使波波形形失失真真小小一一些些，反反馈馈量量又又不不能能太太强强。根根据据实实践践，取取L1:L2=3:1时时，可可基基本本上上兼兼顾顾以以上上两两点点要要。理理论论上上可可以以证证明明，该该电电路路的的振振荡荡频频率率近近似似为：为： 式中式中M是线圈是线圈L1和和L2之间的互感系数。之间的互

27、感系数。 该电路振荡频率中等，一般可达到几十兆该电路振荡频率中等，一般可达到几十兆赫，如果谐振电容赫，如果谐振电容C换成可变电容器，则振荡换成可变电容器，则振荡频率可连续调节；电路比变压器反馈式振荡器频率可连续调节；电路比变压器反馈式振荡器简单，只用一个线圈，且容易起振，但输出的简单，只用一个线圈，且容易起振，但输出的正弦波信号中高次谐波较多，波形欠佳。正弦波信号中高次谐波较多，波形欠佳。 四四. 电容反馈式振荡器电容反馈式振荡器 图中图中L和和C1、C2组成组成LC并联谐振回路，并联谐振回路，“1”端端接三极管的集电极，接三极管的集电极，“2”端通过旁路电容端通过旁路电容CE接发射接发射极，

28、极，“3”端经电容端经电容CB接基极，振荡电容有三个引线接基极，振荡电容有三个引线点，所以这种电路常称为电容三点式振荡器，又叫考点，所以这种电路常称为电容三点式振荡器，又叫考毕兹振荡器。毕兹振荡器。 +-+-若适当选取若适当选取C1和和C2的比值，放大器有足够的放的比值，放大器有足够的放大倍数，就可满足振荡的幅度条件，产生正弦波振大倍数，就可满足振荡的幅度条件，产生正弦波振荡信号。其振荡频率近似为：荡信号。其振荡频率近似为： 式中式中C为为C1与与C2的串联等效电容。的串联等效电容。 这种电路振荡频率较高，一般可达到这种电路振荡频率较高，一般可达到100MHz以上。以上。 由于电路是通过电容器

29、分压反馈，对由于电路是通过电容器分压反馈，对高频呈现较小的阻抗，振荡时高次谐波的高频呈现较小的阻抗，振荡时高次谐波的反馈量弱，其输出波形失真小，更接近正反馈量弱，其输出波形失真小，更接近正弦，但频率调节不方便。弦，但频率调节不方便。第三节第三节 晶体正弦波振荡器晶体正弦波振荡器 前述的前述的LC振荡器的振荡器的品质因素品质因素Q值不可能做值不可能做得很高得很高，一般在，一般在200以下，即使采取各种措施，以下，即使采取各种措施，振荡频率的稳定度振荡频率的稳定度也很难超过也很难超过10-5数量级。数量级。 为了进一步提高振荡频率的稳定性，常用为了进一步提高振荡频率的稳定性，常用石英晶体代替石英晶

30、体代替LC振荡器中的振荡器中的LC并联谐振回路，并联谐振回路，构成石英晶体振荡器。构成石英晶体振荡器。 在超声诊断仪、各种遥测和病房监护等医在超声诊断仪、各种遥测和病房监护等医用设备中常采用这种振荡电路。用设备中常采用这种振荡电路。Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。频率稳定问题频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量频率偏移量。频率偏移量。振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10,000 500,000一一. 石英晶体的结构和电特性石英晶体的结构和电特性 天然石英是一种六棱天然石英是一

31、种六棱柱晶体，其化学成分是柱晶体，其化学成分是SiO2。 将这种石英晶体按一将这种石英晶体按一定的方位角切割下来的薄定的方位角切割下来的薄片称为晶片，在晶片的两片称为晶片，在晶片的两个对应表面喷涂金属作为个对应表面喷涂金属作为极板，引出两根引线，就极板，引出两根引线，就构成了石英谐振器，又称构成了石英谐振器，又称为石英晶体，右图是它的为石英晶体，右图是它的结构示意图。结构示意图。 若在石英晶体的某一轴向加一压力或拉力，若在石英晶体的某一轴向加一压力或拉力，则在受力面的两侧会出现异号电荷，这叫做晶则在受力面的两侧会出现异号电荷，这叫做晶体的体的正压电效应正压电效应。相反，若在晶体上加一电场，。相

32、反，若在晶体上加一电场，晶体将会产生机械变形，晶体的厚薄会发生变晶体将会产生机械变形，晶体的厚薄会发生变化，这叫做晶体的化，这叫做晶体的逆压电效应逆压电效应。若在晶体的极。若在晶体的极板上加交变电压，就会产生机械振动，而机械板上加交变电压，就会产生机械振动，而机械振动又会产生交变电场。振动又会产生交变电场。交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压 在一般的情况下，这种机械振动和交变电场的幅在一般的情况下，这种机械振动和交变电场的幅度都很小，但是，当外加交变电压的频率与晶体机械度都很小，但是，当外加交变电压的频率与晶体机械振动的振动的固有频率固有频率相同时，两者的幅度达到最大，比一相同时

33、，两者的幅度达到最大，比一般情况下的幅度大得多，这种现象称为般情况下的幅度大得多，这种现象称为压电谐振压电谐振，与，与LC回路的谐振十分相似。回路的谐振十分相似。 石英晶体的固有频率由晶片的切割方向和几何尺石英晶体的固有频率由晶片的切割方向和几何尺寸决定，每一块晶片都有它的固有频率，而且非常稳寸决定，每一块晶片都有它的固有频率，而且非常稳定，所以石英谐振器是一种非常理想的谐振回路。定，所以石英谐振器是一种非常理想的谐振回路。 当交变电压频率当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大固有频率时，振幅最大 压电谐振压电谐振 石英晶体的电特性可以用右图石英晶体的电特性可以用右图所示的等效电路表示。所示

34、的等效电路表示。 图中图中C0是晶片金属极板之间构是晶片金属极板之间构成的静电容，约为几皮法到几十皮成的静电容，约为几皮法到几十皮法，等效电感法，等效电感L为为10-3102，等效，等效电容电容C为为10-210-1pF，等效电阻，等效电阻R表示振动时的磨擦损耗，约为表示振动时的磨擦损耗，约为110。由于石英晶片的等效电感。由于石英晶片的等效电感L很大，而很大，而C、R都很小，所以石英都很小，所以石英谐振回路的谐振回路的Q值值(Q=0L/R)很大，很大，可达可达104106，这是普通的，这是普通的LC回回路无法比拟的。因此，利用石英晶路无法比拟的。因此，利用石英晶体组成振荡器，可获得很高的频率

35、体组成振荡器，可获得很高的频率稳定性。稳定性。 右图是石英晶体的电抗右图是石英晶体的电抗频率特性曲线。从图中可以看频率特性曲线。从图中可以看出，当外加频率很低时，电路出，当外加频率很低时，电路的电抗表现为的电抗表现为电容性电容性。随着频。随着频率的增加，容抗逐渐减小，直率的增加，容抗逐渐减小，直到到f=f1时，等效电路的时，等效电路的LCR支路支路产生串联谐振，产生串联谐振，LCR串联电路串联电路的阻抗仅表现为纯电阻的阻抗仅表现为纯电阻R，通过，通过串联支路的电流达到最大值。串联支路的电流达到最大值。晶体呈晶体呈串联谐振串联谐振，其，其频率为频率为f1。 当当ff1时，该时，该LCR串联支路串

36、联支路呈现呈现电感性电感性。随着频率。随着频率f的增加，的增加，感抗急剧增大，当感抗急剧增大，当f=f2时，等效时，等效电路两支路的电抗大小相等，电路两支路的电抗大小相等，晶体产生并联谐振，其阻抗晶体产生并联谐振，其阻抗Z最最大，且呈现纯电阻性，如果略大，且呈现纯电阻性，如果略去电阻去电阻R的影响，则的影响，则并联谐振频并联谐振频率为率为f2。当频率。当频率ff2时，电路又时，电路又呈现电容性。呈现电容性。二二. 并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器 并联型晶体振荡电路，实际上是一个电容反馈并联型晶体振荡电路，实际上是一个电容反馈式振荡器。图中的晶体以电感式振荡器。图中的晶体以电感L的形式与的形式

37、与C1、C2构构成成LC并联谐振回路，振荡频率基本上决定于晶体本并联谐振回路，振荡频率基本上决定于晶体本身的固有频率。身的固有频率。 三三. 串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器 由两级直接耦合的放大电路由两级直接耦合的放大电路组成，正弦波振荡电压由组成，正弦波振荡电压由T2射极射极经经C输出。输出。 当接通电源时，设当接通电源时，设T1的集电的集电极电流有一个波动，经极电流有一个波动，经T2电流放电流放大后，由大后，由T2的射极通过晶体反馈的射极通过晶体反馈到到T1的射极。在这种情况下，只的射极。在这种情况下，只有那些频率接近于晶体串联谐振有那些频率接近于晶体串联谐振频率的波动才满足振荡的条件，

38、频率的波动才满足振荡的条件，这时晶体的等效阻抗最小，且呈这时晶体的等效阻抗最小，且呈现纯电阻性，因而正反馈量最大。现纯电阻性，因而正反馈量最大。 第四节第四节 调幅与检波调幅与检波 调幅是指高频载波信号的振幅随低频调幅是指高频载波信号的振幅随低频调制信号而变化，而检波则是从调幅波中调制信号而变化，而检波则是从调幅波中取出原低频调制信号，前者属于调制，后取出原低频调制信号，前者属于调制，后者属于解调。在生物医学中调幅和检波常者属于解调。在生物医学中调幅和检波常应用于病房监护、体内生理参数的检测、应用于病房监护、体内生理参数的检测、航天医学、运动医学等领域。航天医学、运动医学等领域。一一. 调幅的

39、基本概念调幅的基本概念低频调制信号低频调制信号高频载波信号高频载波信号调幅波调幅波包络线，形状和频率包络线，形状和频率与调制信号相同与调制信号相同高频载波信号高频载波信号低频调制信号低频调制信号Uc、c和和Um、 m分别为高频载波和低频调制信号对应的分别为高频载波和低频调制信号对应的幅度和角频率，通常有幅度和角频率，通常有c m。若将。若将uc和和um同时输入含同时输入含有非线性元件的调幅器中，则在输出端可得到幅度随有非线性元件的调幅器中，则在输出端可得到幅度随um而而变化的高频调幅波信号变化的高频调幅波信号ua。在一般的情况下，调幅波可表。在一般的情况下，调幅波可表示为示为 可以看出，调幅波

40、的幅度可以看出，调幅波的幅度Uam=Uc(1+mcosm t)，随调制信，随调制信号而变化。式中号而变化。式中m为调制信号幅度为调制信号幅度Um与载波幅度与载波幅度Uc之比，之比，即即m=Um/Uc，称为调制系数，又叫调幅度，其大小反映了，称为调制系数，又叫调幅度，其大小反映了调制信号对载波调制的程度。调制信号对载波调制的程度。m=1，无包络失真的最大调制系数，无包络失真的最大调制系数不不同同调调制制系系数数m的的调调幅幅波波m1，包络失真，称为调幅失真，包络失真，称为调幅失真，或过调幅或过调幅 超声诊断仪中的超声回波调幅超声诊断仪中的超声回波调幅信号，其载波为信号，其载波为2.57.5MHz

41、的高频的高频正弦波，而调制信号是反映界面位置正弦波，而调制信号是反映界面位置的脉冲。的脉冲。 阻抗血流仪中的高频调幅波，其载阻抗血流仪中的高频调幅波，其载波为波为3050kHz的正弦波或矩形波，而的正弦波或矩形波，而调制信号则为随血流搏动的血管容积变调制信号则为随血流搏动的血管容积变化的阻抗电信号。化的阻抗电信号。 二二. 晶体三极管调幅电路晶体三极管调幅电路 调幅实质上是一种频率变换过程，必调幅实质上是一种频率变换过程，必须将低频调制信号须将低频调制信号um和高频载波信号和高频载波信号uc，同时加于非线性元件中，经过非线性变换同时加于非线性元件中，经过非线性变换后，产生新的频率分量，再利用谐

42、振回路后，产生新的频率分量，再利用谐振回路的选频作用，取出所需要的频率分量。因的选频作用，取出所需要的频率分量。因此，要实现调幅，必须有非线性元件和调此，要实现调幅，必须有非线性元件和调谐回路。谐回路。晶体三极管基极调幅电路晶体三极管基极调幅电路高频高频载波载波输入变压器输入变压器低频调制信号低频调制信号耦合输入电容耦合输入电容高频载波高频载波旁路电容旁路电容R1、R2使三极管处于使三极管处于非线性工作状态非线性工作状态C3、L3组成并联调谐组成并联调谐选频回路选频回路L4为调幅波输出绕组为调幅波输出绕组Q选择在特选择在特性曲线的性曲线的弯曲部分，弯曲部分，工用在非工用在非线性工作线性工作状态

43、状态三三. 二极管幅度检波器二极管幅度检波器 检波实际上是从调幅波中检波实际上是从调幅波中取出其包络的过程，也是一种取出其包络的过程，也是一种频率变换过程。幅度检波电路频率变换过程。幅度检波电路通常由三部分组成：高频输入通常由三部分组成：高频输入电路，非线性元件，高频滤波电路，非线性元件，高频滤波电路。电路。 晶体二极管幅度检波电路，线圈晶体二极管幅度检波电路，线圈L1、 L2组组成高频输入电路，将调幅波信号传送到二极管成高频输入电路，将调幅波信号传送到二极管D的输入端；二极管的输入端；二极管D为非线性元件，起频率变换为非线性元件，起频率变换作用；作用；C和和R组成高频滤波电路，滤出高频信号，

44、组成高频滤波电路，滤出高频信号，检出调制信号。检出调制信号。 输出电压输出电压uo波形中的锯齿波是为了便于从波形中的锯齿波是为了便于从图中看出电容图中看出电容C充放电过程而画出的，实际上充放电过程而画出的，实际上由于高频载波频率比低频调制信号的频率高得由于高频载波频率比低频调制信号的频率高得多，多，uo的波形是比较平滑的。的波形是比较平滑的。 这种检波电路称为二极管峰值检波器，它这种检波电路称为二极管峰值检波器，它要求输入的调幅波信号比较大，否则会由于信要求输入的调幅波信号比较大，否则会由于信号幅度低而产生非线性失真。号幅度低而产生非线性失真。 第五节第五节 调频与鉴频调频与鉴频 调幅波在传送

45、、接收和处理过程中，调幅波在传送、接收和处理过程中，容易受到来自内部和外部的各种噪声干容易受到来自内部和外部的各种噪声干扰，使其幅度发生变化，严重时甚至会扰，使其幅度发生变化，严重时甚至会掩没有用信号。如果采用调频波，则可掩没有用信号。如果采用调频波，则可大大减少这种幅度干扰的作用。大大减少这种幅度干扰的作用。一一. 调频的基本概念调频的基本概念 使高频载波的频率使高频载波的频率(或相位或相位)按照低频调制信号的按照低频调制信号的规律作相应的变化，称为调频或调相规律作相应的变化，称为调频或调相。 调频波的幅度不变，仅频率随调制信号而变化。调频波的幅度不变，仅频率随调制信号而变化。当调制信号电压

46、正向增大时，调频波的频率增加，对当调制信号电压正向增大时，调频波的频率增加，对应于调制信号正峰处，频率达到最大值；反之，当调应于调制信号正峰处，频率达到最大值；反之，当调制信号电压负向增大时，调频波的频率减小，对应于制信号电压负向增大时，调频波的频率减小，对应于负峰处，频率达到最小值。调制信号电压为零时，频负峰处，频率达到最小值。调制信号电压为零时，频率等于载波频率，称为率等于载波频率，称为中心频率中心频率，用，用fc表示，调频波表示，调频波的瞬时频率与中心频率的差值称为频偏，用的瞬时频率与中心频率的差值称为频偏，用fd表示。表示。 频率最小值频率最小值频率最大值频率最大值调频后，调频波的瞬时

47、角频率调频后，调频波的瞬时角频率可表示为可表示为式中式中为最大角频偏。为最大角频偏。 由此可得，调频波的频率随调制信号而由此可得，调频波的频率随调制信号而变化，其最大瞬时角频率为变化，其最大瞬时角频率为 max= c+ ，最小瞬时角频率为最小瞬时角频率为max= c- 高频载波信号高频载波信号低频调制信号低频调制信号二二. 调频电路调频电路 设高频载波振荡器的频率为设高频载波振荡器的频率为f，若回路的电感，若回路的电感L不变，不变，则则f随电容随电容C的变化关系为的变化关系为 由上式可得，载波振荡频率的相对变化由上式可得，载波振荡频率的相对变化df/dt与电容与电容C变化的关系为变化的关系为d

48、f/dt=-dC/2C，同理，若电容，同理，若电容C不变，而改不变，而改变电感，则振荡器频率的相对变化随电感变电感，则振荡器频率的相对变化随电感L变化关系为变化关系为df/f=-dL/2L 由此可知，高频载波频率的相对变化量与电容由此可知，高频载波频率的相对变化量与电容(或电或电 感感)的相对变化量在数值上成正比，式中负号表示电容的相对变化量在数值上成正比，式中负号表示电容(或电感或电感)增加时，振荡频率降低。可见，只要用调制信号增加时，振荡频率降低。可见，只要用调制信号去控制载波去控制载波LC振荡回路的电容量振荡回路的电容量(或电感量或电感量)，就可以得，就可以得到振荡频率随调制信号而变化的

49、调频波。到振荡频率随调制信号而变化的调频波。1. 变容二极管调频电路变容二极管调频电路 变容二极管是一种结电变容二极管是一种结电容容Cj随反向电压增加而电容随反向电压增加而电容量减小的专用二极管。量减小的专用二极管。右图为结电容右图为结电容Cj与反向电压与反向电压U之间的变容特性曲线，利之间的变容特性曲线，利用变容二极管的这一特性可用变容二极管的这一特性可产生调频信号。产生调频信号。 变容二极管调频电路中变容二极管调频电路中L1、C1组成高频载波振荡器的并联组成高频载波振荡器的并联谐振回路，谐振回路，C2、C3对高频载波对高频载波信号短路，而对直流电压正和信号短路，而对直流电压正和低频调制信号

50、有隔离作用，低频调制信号有隔离作用，L2是是高频阻流圈。当调制信号高频阻流圈。当调制信号um=0时，高频载波振荡频率时，高频载波振荡频率fc(即调即调频波的中心频率频波的中心频率)取决于取决于L1、C1以及直流偏压以及直流偏压-E下的变容二极下的变容二极管的结电容管的结电容Cj；当有调制信号；当有调制信号um输入时，结电容输入时，结电容Cj随随um而变而变化。结果，使振荡器频率随调化。结果，使振荡器频率随调制信号制信号um而变化。而变化。2. 体内压力转换调频电路体内压力转换调频电路 电容式或电感式医用压电容式或电感式医用压力换能器，它的电容量或电力换能器，它的电容量或电感量是随压力而变化的。

51、感量是随压力而变化的。 如果以这种换能器作为如果以这种换能器作为LC振荡回路的组成元件，振荡回路的组成元件，振荡频率将随着被测生理参振荡频率将随着被测生理参数而变化。右图是一种嵌入数而变化。右图是一种嵌入颅骨中的颅内压探测的电容颅骨中的颅内压探测的电容式压力转换调频电路，可变式压力转换调频电路，可变电容器电容器C与电感线圈与电感线圈L组成组成振荡回路。由于电容振荡回路。由于电容C的容的容量随颅内压而变化，量随颅内压而变化，所以振所以振荡电路的频率随颅内压而改荡电路的频率随颅内压而改变。变。这种压力换能器的电容量变这种压力换能器的电容量变化范围为化范围为010pF，灵敏度，灵敏度为每为每50mm

52、Hg改变改变1pF的电的电容量，振荡频率可在容量，振荡频率可在810MHz范围变化。范围变化。 电感式压力遥测的调频电路电感式压力遥测的调频电路中，不锈钢膜上受到压力使衔铁中，不锈钢膜上受到压力使衔铁位置发生变化，从而改变自感线位置发生变化，从而改变自感线圈圈L的电感量，的电感量，L与电容与电容C1组成振组成振荡回路，连接于三极管射极，并荡回路，连接于三极管射极，并通过电容通过电容C2向基极反馈，组成一向基极反馈，组成一个射极调频振荡器。个射极调频振荡器。 因为自感线圈的电感量因为自感线圈的电感量L随压随压力而变化，力而变化，所以振荡频率也随压所以振荡频率也随压力而改变，从而将压力的变化转力而

53、改变，从而将压力的变化转换成频率的变化。换成频率的变化。 该装置可以作成丸状吞服该装置可以作成丸状吞服(称称为无线电丸为无线电丸)，测量消化道的压力，测量消化道的压力，也可以埋藏在大血管侧面，测量也可以埋藏在大血管侧面，测量血压和脉搏波。血压和脉搏波。三三. 鉴频电路鉴频电路 从调频波中检出原低频调制信号的过程从调频波中检出原低频调制信号的过程称为调频波的解调，简称为称为调频波的解调，简称为鉴频鉴频，完成鉴频，完成鉴频作用的电路，叫做鉴频器。作用的电路，叫做鉴频器。 最常用的鉴频方法是：利用调谐回路将最常用的鉴频方法是：利用调谐回路将等幅调频波转换成幅度与调频波瞬时频率变等幅调频波转换成幅度与

54、调频波瞬时频率变化成正比的化成正比的调频调幅波调频调幅波，然后再进行幅度检，然后再进行幅度检波，得到原低频调制信号。波，得到原低频调制信号。1. 斜率鉴频器斜率鉴频器 斜率鉴频器的电路原理斜率鉴频器的电路原理如右图。如右图。 其中其中L1C1是失谐工作的是失谐工作的谐振回路，谐振回路， D、R、C组成二组成二极管幅度检波器。极管幅度检波器。 该电路根据该电路根据LC谐振回路谐振回路的幅频特性将调频波的频率变的幅频特性将调频波的频率变化转换成幅度变化。化转换成幅度变化。 调频波的中心频率调频波的中心频率fc位于位于L1C1回路谐振曲线斜边的中点回路谐振曲线斜边的中点A。当信号频率改变时，回路输出

55、电压幅度也随之发生改变。因此当信号频率改变时，回路输出电压幅度也随之发生改变。因此调频波调频波uc通过通过L1C1回路后，将变成调频调幅波，其包络线与低回路后，将变成调频调幅波，其包络线与低频调制信号频调制信号um的波形一致。再经二极管幅度检波电路检波，可的波形一致。再经二极管幅度检波电路检波，可获得原低频调制信号。获得原低频调制信号。 该鉴频器的电路简单，但由于它的线性度不太好，只适用该鉴频器的电路简单，但由于它的线性度不太好，只适用于要求不高的场合。于要求不高的场合。2. 位相鉴频器位相鉴频器 位相鉴频电路根据位相鉴频电路根据LC谐振回路的相频特谐振回路的相频特性将调频波的频率变化转换成幅

56、度变化。性将调频波的频率变化转换成幅度变化。 由于相移的作用，检波器由于相移的作用，检波器D1和和D2输入信号输入信号的矢量已成了幅度随频率而变化的信号，经二的矢量已成了幅度随频率而变化的信号，经二极管幅度检波即可得到原低频调制信号，从极管幅度检波即可得到原低频调制信号，从A、B两端引出。两端引出。 这种鉴频器具有线性度较好、灵敏度较高这种鉴频器具有线性度较好、灵敏度较高等优点，它是目前生物医学中常用的鉴频电路。等优点，它是目前生物医学中常用的鉴频电路。但工作频带不够宽，使用时必须加限幅器。另但工作频带不够宽，使用时必须加限幅器。另外还有一种比例鉴频电路，它兼有鉴频和限幅外还有一种比例鉴频电路，它兼有鉴频和限幅作用，电路简单，线性度好，也是生物医学中作用，电路简单，线性度好，也是生物医学中常用的鉴频器。常用的鉴频器。