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[电路/定理]

酱油启示录——75,“振荡器”那点事

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“振荡器”那玩意儿,简单也复杂,在此自然只能玩点简单的东西(当然,必须是完备的)。

振荡器,若独立来看其实就是个《电路》里面的“独立源”。“源”者,必然提供(信号)能量,而其来源则是电源,即振荡器是把电源的(直流)能量转换成了信号的(交流)能。不过,这样的思考有点别扭,通常是将这么个转换过程置于讨论范围之外,而直接假设存在有可以提供能量的“放大环节”——受控源,并将其作为能量的源头。

振荡器是如何起振的、起振至稳态的过程(瞬态过程)、乃至最终稳态的维持(包括幅度和频率)机制,这些除了需要必要的物理基础外还必须有完备的数学支持,而这便是振荡器的复杂性所在了。在此,仅给出点最为基本的提示,即起振、选频以及“线性振荡”的不完备性(线性不能稳幅)。"

前面说了,振荡器是将电源的能量转换成信号能量且将其输出,这就必须存在能“产生能量”的受控源(忽略了直流转交流的过程)。按此,振荡器中就有阻、容、感、受控源。注意到受控源与“负阻”(一种有源器件)的等效性,振荡器也可以由阻、容、感、“负阻”构成。

下面就要具体分析起振和选频了,为了简化表述,先仅限于线性范畴。既然提及“线性”,那就必须给出其严格的定义,在电路中,只要器件的所有参数都与其电路变量(譬如电压和电流)的幅度(即大小)无关,则就是线性的。显然,此地所涉及的参数为电阻值(含负阻)、电容量、电感量以及受控源的增益或跨导或跨阻。此外,还假设没有噪声(通常把噪声作为外源考虑)。

由基尔霍夫定律以及阻容感的本构关系和线性受控源的特性,关于振荡器可以列出一组线性齐次微分方程。对方程作拉普拉斯变换,则可以得到一组相应的齐次S域代数方程,如下表示

    A X = 0

接下来就是解此方程了。具体解先不议,仅考虑其解空间的结构。首先 X=0 显然是其一个解,此外可以看到,若X1、X2、...、Xn为方程的n个解则其线性组合k1 X1 + k2 X2 +...+ kn Xn必然也是方程的解。由此可见,方程的解空间是个线性子空间,其可以是零维的(即只有X=0)或大于等于一维的线性空间。如果解空间是一维以上的,显然具体解就取决于初始条件了。意味着,若X是方程的解,则 n X(n=1,2,...)同样也是其解。譬如,某个时点上振荡器的输出为1V(这个值是由初始条件决定的),若改变初始值至10倍则相应时点上的输出将是10V(注意,这不是瞬态量)。

进一步分析方程

    A X = 0

若是方程组(譬如状态方程组),则将其整合成单一变量的高阶方程。这样,就可以得到一个特征多项式与之对应。要得到X的非零解,其特征多项式必须为零,而由此就可以确定解X的某些特性了,譬如频率。这就是振荡器“选频”的机理——含S的特征多项式,而此多项式必须以“电抗”(容感)作为其物理基础。

注意到线性方程解中还可能含有实指数项,即存在着指数衰减或增长的因子,再结合上述关于初始值线性地决定解的大小的结论,可见线性对解的大小(或幅度)完全没有“稳定”作用。稳定不是源于线性。

接下来就该考虑起振问题了。如果方程的解中不含有衰减因子,且初始值非零,则其解将是个非衰减的非零解。而若方程解中还含有指数增长因子,则只要存在一个微小的初始值(比如噪声)其解将以指数律快速增长。这就是所谓的“起振”机理。

“选频”和“起振”都有了,最后就是稳定幅度了。由于线性自身无稳幅作用,必须引入非线性因素,而由此则必然涉及到非线性分析,在此不作展开。这里想强调的是“线性电路”在振荡器中不具备完备性,必须引入非线性因素才能构成一个完整的振荡器。


至此,讨论了振荡器的几个要素,总结为

1)电容和电感——其作用就在于选频。

2)受控源和负阻——提供信号能量。

3)噪声和扰动——提供起振初始值。

4)非线性因素——稳定幅度。


关于噪声,这里再多说几句。由于噪声是个持续发生的“信号”,其对于振荡器的起振虽然起到了一定的作用,但是却对振荡器起振后的稳定运行起到了负面的作用。严格来说,若将噪声作为一个“独立源”来看待的话,振荡器将不再是个纯粹的自持系统了。噪声对振荡器的输出幅度和相位(自然也影响到频率)都有影响,而对于多谐或弛张振荡器而言,其对相位的影响更突出,那是因为极度的非线性抑制了噪声对幅度的敏感度。

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沙发
Lgz2006| | 2014-2-18 13:15 | 只看该作者
其实那个“新东西”的价值和作用只是找刺激

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zrn168168 + 1 神马都是浮云
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路过打酱油。。|  楼主 | 2014-2-18 14:39 | 只看该作者
这个问题其实反映的是《数学》、《物理》和《电路》的基础。基础扎实了,自然小菜一碟。当然,若要深入下去,可以玩得很深。《振荡器》基本就是一本专著了。

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Lgz2006| | 2014-2-18 15:12 | 只看该作者
悄悄地问大shi声,电子管的主特性也算是负阻性器件吧

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5
xukun977| | 2014-2-18 15:50 | 只看该作者



哥几个够闲的,陈芝麻¶烂谷子怎么也聊不够,聊不烦。

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6
pjy| | 2014-2-18 15:53 | 只看该作者
陈年老酒香啊

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7
Lgz2006| | 2014-2-18 16:15 | 只看该作者
那个新分析,其课题正是源于对“起振过程包络线按率变化”的困惑

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8
jz0095| | 2014-2-19 21:36 | 只看该作者
本帖最后由 jz0095 于 2014-2-19 21:39 编辑

楼主在认真地讨论振荡器的原理,我感兴趣。但是我感到有些基本概念分歧需要讨论。
振荡器作为一个部件具有独立源的性质,即不依赖于外部(直流电源除外)而存在。作为独立源(振荡器),一般有两个指标,幅度和内阻(频率等略)。这个独立源只是针对部件的外部形态而言的。对此称呼不必认真,否则也不用分析振荡器了,两个参数足矣。
之所以分析,是因为是把它作为电路来对待的,这个应该没有分歧,也才有电路方程及解。不被“独立源”名称所惑,是透过现象看本质(之一)。

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Lgz2006| | 2014-2-19 21:57 | 只看该作者
老抽的第一段仅针对有人的歧义而言,它不是重点

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10
xukun977| | 2014-2-20 08:12 | 只看该作者
Lgz2006 发表于 2014-2-19 21:57
老抽的第一段仅针对有人的歧义而言,它不是重点


老抽的这一帖针对所有的电路而言的,都不是重点。

比如那4点,要讨论总结吗??
哪个电路中电感电容不是用来处理频率的?
哪个电路中有源器件不是提供能量的?(除了些变通应用)
哪个电路中非线性不会限幅?

所以说表面是在说振荡器,实际上这些东西是万能的,套到哪个电路--如功放--都好使!!!

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11
Lgz2006| | 2014-2-20 08:21 | 只看该作者
接下来就该考虑起振问题了。如果方程的解中不含有衰减因子,且初始值非零,则其解将是个非衰减的非零解。而若方程解中还含有指数增长因子,则只要存在一个微小的初始值(比如噪声)其解将以指数律快速增长。这就是所谓的“起振”机理。

主贴第11行,关于10楼

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12
路过打酱油。。|  楼主 | 2014-2-20 09:47 | 只看该作者
本帖最后由 路过打酱油。。 于 2014-2-20 09:52 编辑
xukun977 发表于 2014-2-20 08:12
老抽的这一帖针对所有的电路而言的,都不是重点。

比如那4点,要讨论总结吗??


先拍个照:
这一帖针对所有的电路而言的,都不是重点。

比如那4点,要讨论总结吗??
哪个电路中电感电容不是用来处理频率的?
哪个电路中有源器件不是提供能量的?(除了些变通应用)
哪个电路中非线性不会限幅?

所以说表面是在说振荡器,实际上这些东西是万能的,套到哪个电路--如功放--都好使!!!


然后,关于那“要素”,再扯几句:

所谓要素,那就是即使是理想状态下也必须具备的前提条件,只有在此前提下才可能继续讨论下去。关于振荡器,那四点就是能继续讨论下去的基本前提,理想状态都不例外。

那么再看看那个“功放”,基本就是一个“受控源”,一般都不要求线性,只要能提供功率放大即可。所以,对于“功放”而言,一个“受控源”作为其“要素”足矣。当然,若扯其他的什么非理想性例外。

至于

1)“哪个电路中电感电容不是用来处理频率的?”

这里说的是“选频”,那必须是二阶的。

2)“哪个电路中有源器件不是提供能量的?(除了些变通应用)”

单独的有源器件根本不能提供能量,譬如三极管、负阻器件等,这恰是我首帖中特别强调的。有源器件必须和“电源”整合成一个整体来看才是提供(信号)能量的。

3)“哪个电路中非线性不会限幅?”

虽然电路中的绝大多数“非线性”对信号幅度都有稳定或限制作用(譬如最明显的是电源限制),但不能得出所有的非线性(区段)都是限幅的。这可以找出相当多的反例。


总之,考虑仔细了在扯....

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Lgz2006 2014-2-20 09:54 回复TA
段落较多时,请加注编号 
13
xukun977| | 2014-2-20 09:48 | 只看该作者
第5段线性定义,堪称史上最严厉,看完竖起大拇指:算你狠!

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14
路过打酱油。。|  楼主 | 2014-2-20 09:56 | 只看该作者
xukun977 发表于 2014-2-20 09:48
第5段线性定义,堪称史上最严厉,看完竖起大拇指:算你狠!

这是必须的,不理解只能说明没学过《线性代数》。而这也恰是那位“线性大师”混淆和忽悠点,你么,小巫见大巫而已。

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15
Lgz2006| | 2014-2-20 10:04 | 只看该作者
一,“振荡器”那玩意儿,简单也复杂,在此自然只能玩点简单的东西(当然,必须是完备的)。

二,振荡器,若独立来看其实就是个《电路》里面的“独立源”。“源”者,必然提供(信号)能量,而其来源则是电源,即振荡器是把电源的(直流)能量转换成了信号的(交流)能。不过,这样的思考有点别扭,通常是将这么个转换过程置于讨论范围之外,而直接假设存在有可以提供能量的“放大环节”——受控源,并将其作为能量的源头。

三,振荡器是如何起振的、起振至稳态的过程(瞬态过程)、乃至最终稳态的维持(包括幅度和频率)机制,这些除了需要必要的物理基础外还必须有完备的数学支持,而这便是振荡器的复杂性所在了。在此,仅给出点最为基本的提示,即起振、选频以及“线性振荡”的不完备性(线性不能稳幅)。"

四,前面说了,振荡器是将电源的能量转换成信号能量且将其输出,这就必须存在能“产生能量”的受控源(忽略了直流转交流的过程)。按此,振荡器中就有阻、容、感、受控源。注意到受控源与“负阻”(一种有源器件)的等效性,振荡器也可以由阻、容、感、“负阻”构成。

五,下面就要具体分析起振和选频了,为了简化表述,先仅限于线性范畴。既然提及“线性”,那就必须给出其严格的定义,在电路中,只要器件的所有参数都与其电路变量(譬如电压和电流)的幅度(即大小)无关,则就是线性的。显然,此地所涉及的参数为电阻值(含负阻)、电容量、电感量以及受控源的增益或跨导或跨阻。此外,还假设没有噪声(通常把噪声作为外源考虑)。

六,由基尔霍夫定律以及阻容感的本构关系和线性受控源的特性,关于振荡器可以列出一组线性齐次微分方程。对方程作拉普拉斯变换,则可以得到一组相应的齐次S域代数方程,如下表示

    A X = 0

七,接下来就是解此方程了。具体解先不议,仅考虑其解空间的结构。首先 X=0 显然是其一个解,此外可以看到,若X1、X2、...、Xn为方程的n个解则其线性组合k1 X1 + k2 X2 +...+ kn Xn必然也是方程的解。由此可见,方程的解空间是个线性子空间,其可以是零维的(即只有X=0)或大于等于一维的线性空间。如果解空间是一维以上的,显然具体解就取决于初始条件了。意味着,若X是方程的解,则 n X(n=1,2,...)同样也是其解。譬如,某个时点上振荡器的输出为1V(这个值是由初始条件决定的),若改变初始值至10倍则相应时点上的输出将是10V(注意,这不是瞬态量)。

八,进一步分析方程

    A X = 0

九,若是方程组(譬如状态方程组),则将其整合成单一变量的高阶方程。这样,就可以得到一个特征多项式与之对应。要得到X的非零解,其特征多项式必须为零,而由此就可以确定解X的某些特性了,譬如频率。这就是振荡器“选频”的机理——含S的特征多项式,而此多项式必须以“电抗”(容感)作为其物理基础。

十,注意到线性方程解中还可能含有实指数项,即存在着指数衰减或增长的因子,再结合上述关于初始值线性地决定解的大小的结论,可见线性对解的大小(或幅度)完全没有“稳定”作用。稳定不是源于线性。

十一,接下来就该考虑起振问题了。如果方程的解中不含有衰减因子,且初始值非零,则其解将是个非衰减的非零解。而若方程解中还含有指数增长因子,则只要存在一个微小的初始值(比如噪声)其解将以指数律快速增长。这就是所谓的“起振”机理。

十二,“选频”和“起振”都有了,最后就是稳定幅度了。由于线性自身无稳幅作用,必须引入非线性因素,而由此则必然涉及到非线性分析,在此不作展开。这里想强调的是“线性电路”在振荡器中不具备完备性,必须引入非线性因素才能构成一个完整的振荡器。


十三,至此,讨论了振荡器的几个要素,总结为

1)电容和电感——其作用就在于选频。

2)受控源和负阻——提供信号能量。

3)噪声和扰动——提供起振初始值。

4)非线性因素——稳定幅度。

十四,关于噪声,这里再多说几句。由于噪声是个持续发生的“信号”,其对于振荡器的起振虽然起到了一定的作用,但是却对振荡器起振后的稳定运行起到了负面的作用。严格来说,若将噪声作为一个“独立源”来看待的话,振荡器将不再是个纯粹的自持系统了。噪声对振荡器的输出幅度和相位(自然也影响到频率)都有影响,而对于多谐或弛张振荡器而言,其对相位的影响更突出,那是因为极度的非线性抑制了噪声对幅度的敏感度。
老抽风格要转换啦,不再摆弄算术了,改电工中文啦:P

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xukun977| | 2014-2-20 10:54 | 只看该作者
本帖最后由 xukun977 于 2014-2-20 10:56 编辑


假大空的讨论没意思,来点跟design沾边的。
你上面说到电压嵌位,咱就聊这个。电路超简单:一串联电阻加一二极管。如果是嵌位到电压E,就再串个电压源E,简单起见,这里忽略E。
问题来了,设计时如何选择电阻R
才能最好??

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zrn168168 2014-2-20 11:07 回复TA
支持,分析问题,来点实际的配套实用的电路进行比较好。少些纸上谈兵的好!!! 
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zrn168168 + 1 很给力!
17
xukun977| | 2014-2-20 12:41 | 只看该作者

To zrn168168:
根据3年多经验,你要失望了。只谈空头大道理,见到略微practical点的问题,立马遁的无影无踪。边跑边说:这司太菜了,问的太简单,懒的理,撤!!!

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18
路过打酱油。。|  楼主 | 2014-2-20 12:52 | 只看该作者
xukun977 发表于 2014-2-20 10:54
假大空的讨论没意思,来点跟design沾边的。
你上面说到电压嵌位,咱就聊这个。电路超简单:一串联电阻加一 ...

这叫“设计”??? ....

拍个照,留个念吧:
电路超简单:一串联电阻加一二极管。如果是嵌位到电压E,就再串个电压源E,简单起见,这里忽略E。
问题来了,设计时如何选择电阻R
才能最好??

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路过打酱油。。|  楼主 | 2014-2-20 12:53 | 只看该作者
还是玩你那句“设计就是艺术”吧....

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20
xukun977| | 2014-2-20 13:34 | 只看该作者
路过打酱油。。 发表于 2014-2-20 12:52
这叫“设计”??? ....

拍个照,留个念吧:

咋了,嫌电路太简单?俺在迁就你都没看出?
弄难电路来故意难为人,就没意思了。
不是俺小看你,这么简单的电路(就一个R加一二极管)你都不会设计。

声称精通电磁学,物理学,数学,电路理论,射频与微波。。。的人,连这个简单的模拟搞不定,说它是门"art",而非science,有何不妥?

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