四川广泰科技有限公司

电感式接近传感器的工作原理2——振荡电路

发表时间：2023-03-13 09:16

“振荡”（Oscillation），这个词其实就是指“往复运动”的意思。振荡器的作用在于稳定地产生一个指定频率的正弦波，这个特定频率的波可被靠近的金属物体调和。

电感式接近开关的振荡器是由电容器和电感组成的三点式LC回路。如下图，当开关由A切换至B，充满电的电容给电感充电，紧接着电感再给电容充电，如此往复。

L C上的能量变化过程：

阶段 1：电容充满电（电场方向左正右负），电感放完电；电容开始向电感充电；电路电流为 0，电感电流方向为从左至右，电容电压为峰值；

阶段 2：电感充满电（磁场方向左北右南），电容放完电；电感开始向电容充电；电路电流为峰值，电感电流方向为从左至右，电容电压为 0；

阶段 3：电容充满电（电场方向右正左负），电感放完电；电容开始向电感充电；电路电流为 0，电感电流方向为从右至左，电容电压为峰值；

阶段 4：电感充满电（磁场方向右北左南），电容放完电；电感开始向电容充电；电路电流为峰值，电感电流方向为从右至左，电容电压为 0；

阶段 5：回到阶段 1 状态，周而复始；

可以看到，LC 电路充放电呈现出周期性特性，这个周期的频率就叫“谐振频率”（Resonance frequency）。它是 LC 电路的固有频率，由电路中的 L 和 C 决定。

振荡频率，计算简单，即为LC回路构成的谐振频率；振荡幅度，计算复杂，可以通过仿真软件来计算结果。振荡波形除了会衰减（由于增益不足或相位不一致），也会递增（由于增益过高，但不会超过Vcc），只有当设计合理时，才会有稳定的波形。

际上，我们可以把振荡器的工作过程分成两个阶段：

在起振阶段，希望增益大一些，在输出端快速形成一定幅度的振荡波形；

在稳定阶段，增益可以小一些，在输出端获得幅度恒定的振荡波形。

由于电路中不可避免的电阻会将电能消耗为热能，所以振荡波形随之衰减，直至消失。为了让振荡波形得以维持，必须采用某种机制，给LC回路源源不断补充能量，以抵抗电阻上的损耗，由此引出“振荡器模型”。

电感式接近传感器的振荡电路通过放大器和反馈网络两个模块来设计“振荡模型”，涉及的信号有输入信号Vin、反馈信号Vf和输出信号Vout。

输入信号Vin其实是来自热噪声（Thermal Noise），是由电子的热扰动引起的，存在于所有电子器件和导体中。虽然热噪声的信号非常微弱，但在频谱中以相同的形态分布（类似白噪声）。因为热噪声的频率成分非常丰富，如果我们要让振荡器工作在某个频率，只要不断地强化该频率上的成分，使其在热噪声中脱颖而出，这个放大过程就是“正反馈”。反馈网络首先是一个滤波器，它只选出感兴趣的频率成分，即“振荡频率”。其次，经过反馈网络的Vf，和Vin在振荡频率上的相位一致，两者叠加成为新的Vin再被送入放大器进行放大。每次反馈和放大，在振荡频率上，新的Vin都比前一次Vin要大，由此实现正反馈。利用这种热噪声的“正反馈”让振荡器自己产生振荡，就形成了特定模式的“自激振荡器”。

点击阅读《电感式接近传感器工作原理1-电感》

微信二维码.jpg

请扫码关注我们微信公众号