高频电子课程设计晶体振荡器要点.docx

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高频电子课程设计晶体振荡器要点

通信电子线路课程设计说明书

晶体正弦波振荡

院部：

电气与信息工程学院

学生姓名：

指导教师：

李职称实验师

专业：

通信工程

完成时间：

2012年12月09日

摘要

石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，及通信系统中用于频率发生器。

石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。

但石英晶体成本较高，故在要求不太高的电路中一般采用陶瓷谐振元件。

本设计对利用石英晶体的压电效应，对构成正弦波的振荡器的方法做了较深入的研究，对振荡器的原理及石英晶体振荡器原理做了详细的介绍并通过Multisim软件设计、仿真出并联型石英晶体振荡器，最后按照原理图进行参数的计算和实物的制作、调试。

对实物和仿真进行调试，并成功出现波形，证明了上述理论的可靠性，且符合设计要求。

是一次成功的课程设计。

关键词：

晶体；振荡器；并联；Multisim仿真

ABSTRACT

Quartzcrystaloscillatorisakindofhighprecisionandhighstabilityoftheoscillator,whichhasbeenwidelyusedincolorTVcomputerremotecontrolandotherkindsofoscillationcircuit,andcommunicationsystemusedforfrequencygeneratorquartzresonatorforhighfrequencystability,itismainlyusedinrequestfrequencyisverystableoscillationcircuitofresonanceelementbutquartzcrystalcostishigher,soinlessdemandingcircuitusuallyuseceramicresonanceelement.Thisdesignusingquartzcrystalpiezoelectriceffect,madeofcrystaloscillatormethodtodoamorein-depthstudyontheoscillatorprincipleandquartzcrystaloscillatorprinciplearedescribedindetailandthroughtheMultisimsoftwaredesignsimulationtheparalleltypequartzcrystaloscillator,accordingtotheparallelresonancetypecrystaloscillatorprincipleusingcaratsplashcircuitdrawtheschematicdiagramoftheparameters,thecalculationandrealproductiondebugginginphysicalandsimulationdebugging,andsuccessfullyappearwaveform,provedthereliabilityoftheabovetheory,andcomplywiththedesignrequirementsisasuccessfulcoursedesign.

KeywordsCrystal;Oscillator;Seriesparallel;Multisimsimulation

1课程设计任务书

1.1设计任务

设计一个晶体振荡器

1.2主要技术指标

晶振频率为10MHZ，输出信号幅度>=0.5V（峰-峰值），可调

课程设计要求：

要求有课程设计说明书，并制作出实际电路。

实验仪器设备：

数字存储示波器1台

无感起子1把

数字万用表1台

12V直流稳压电源1台

1.3设计思想

本次设计首先以NPN型晶体管2N2222和10M石英晶体为基础设计出并联型振荡器，通过对各种不同形式的并联型振荡器做出比较之后，综合设计出一个通过开关可实现并联转换的石英晶体正弦波振荡器。

将两部分连接之后根据电路图的基本形式和设计的要求计算出各元件的参数和性能要求。

根据仿真后的电路原理图进行实物的连接和调试，从而完成整个正弦波振荡器的设计。

2概论

2.1设计目的

通过设计晶体振荡器，了解石英晶体的结构和特性，提高动手能力，掌握晶体振荡器的设计方法以及设计思路。

2.2振荡的基本知识

2.2.1引言

石英晶体振荡器是利用石英晶体即二氧化硅的结晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：

从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体振荡器，简称为石英晶体或晶体、振荡。

其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

变电场的频率与田英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。

利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC谐振回路、滤波器等。

由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和

通信设备中

图1基本构造

与LC振荡器相比，晶体振荡器的标准性较好，谐振回路的Q值较高，有载情况下Q值依然很高。

所以晶体振荡器的频率稳定度高。

所以在需要频率稳定度高的振荡电路时就选用晶体振荡器。

2.2.2振荡产生的原理

如果在放大器的输入端不加输入信号，输出端仍有一定的幅值和频率的输出信号，这种现象叫做自激振荡。

自激振荡器产生的波形可能是正弦波，也可能是非正弦波。

其中正弦波自激振荡器在广播通讯、自动控制、仪器仪表、高频加热、超声探伤等领域有着广泛的应用；而非正弦振荡器能产生出矩形波（方波）、三角波、锯齿波等信号，这些信号可以用于测量设备、数字系统、自动控制及计算机设备中。

在振荡器中要维持等幅的自激振荡，基本放大器输入端的反馈信号必须和原输人信号幅度相等，同时相位也应相同。

AF=1就是产生自激振荡时A、F应满足的基本数学条件。

其中A和F是频率的函数，一般也可以表示为复数形式。

复数乘积AF=1的涵义就是振荡器电路的环路放大倍数等于l,同时复数的相位值等于2Nπ，其中N=0,士1,士2，…。

总之，产生自激振荡既要满足幅度条件，也要满足相位条件。

假若AF<1,则Xf＜Xi，则振荡幅度越来越小，最终将导致振荡电路停振。

这也从反面说明了，只有AF≥1，电路才能维持振荡。

根据振荡条件，信号由图2.1中的输人端开始，沿环路绕行一周，必须保证其振幅与相位不变。

一个振荡器必须同时满足这两个条件，才有可能产生自激振荡。

图2.1自激振荡器方框图

2.2.3起振和稳幅

i.起振过程

在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压Xì的产生原因有两种：

一是在电路接通电源时取得。

因为接通电源时，电路各处都存在瞬变过程，在输人端的瞬变电压即可作为起始输人电压；二是放大器中存在各种微小的电扰动和噪声电压。

这两种原因所取得的起始电压包含着极为丰富的各种频率分量）它们中总会有符合相位条件的某个频率成分，最终成为自激信号的最初来源。

至于振幅条件更容易满足，由于开环放大倍数A是无穷大，很容易满足起振条件AF≥l的要求。

为了保证电路在指定的频率上振荡起来，常常为这种自激振荡器安排一个谐振在指定频率上的选频回路，使电路更容易在指定的频率上满足产生自激振荡的条件。

放大器获得起始瞬时榆入电压了Xì后，接着产生输出信号电压和正反馈电压，并且经过放大器的选频后，指定频率的输出电压幅度增大了，反馈电压的幅度也增大，经过电路的正反馈、放大、再反溃、再放大的循环过程，使振荡电压由小到大逐渐建立起来。

ii.振幅的稳定

振荡器接通电源开始起振时，起始信号可能很弱。

此时放大器工作在线性放大区，信号被放大，其振幅逐渐增加，反馈信号的振幅也随之增加。

促使它们不断增大的因素是放大作用和正反馈。

当振幅增大到某种程度后，由于二极管特性的非线性，晶体三极管工作范围将超出放大区．进人饱和区或截止区。

放大器的放大倍数将显著下降，因而使输出信号振幅的增大程度变缓。

另一方面，能量的损耗也会使输出信号振幅的增大程度变缓。

因为振荡器所消耗的能量来自电源，故电路中所能取得的能量总是有限的。

当振荡器输出信号的幅度加大时，其电路各部分的能量消耗也加大了（包括负载的功率输出），由于能量的供给有限，使电路的输出振幅不可能无限增大。

所以振荡器的振幅只能增大到某种程度，此后形成等幅振荡波形输出。

2.2.4振荡器的频率稳定度

反馈振荡器若满足起振、平衡，稳定三个条件，就能够产生等幅持续的振荡波形。

当受到外界不稳定因素影响时，振荡器的相位或振荡频率可能发生些微变化，虽然能自动回到平衡状态，但振荡频率在平衡点附近随机变化这一现象却是不可避免的。

为了衡量实际振荡频率f相对于标称振荡频率f0变化的程度，提出了频率稳定度这一性能指标。

频率稳定度是将振荡器的实测数据代入规定的公式中计算后得到的。

根据测试时间的长短，将频率稳定度分成长期频稳度、短期频稳度和瞬时频稳度三种。

测试时间分别为一天以上、一天以内、和一秒以内。

时间划分并无严格的界限，它是按照引起频率不稳定的因素来区别的。

长期频稳度主要取决于元器件的老化特性，短期频稳度主要取决于电源电压和环境温度的变化以及电路参数的变化等等，而瞬时频稳度则与元器件的内部噪声有关。

3晶体振荡器的设计与仿真

3.1石英晶体特性简介

晶体的基本特性是它压电效应。

依靠这种效应，可以将机械能转变为电能；反之，也可以将电能转变为机械能。

所谓压电效应就是在石英晶体两个电极上加直流电场，晶体就会产生机械形变，反之，若在晶体的两侧施加以机械压力，则会在晶体相应的方向上产生电场，这种现象称为为压电效应。

若是在晶体的两级上加上交变激励电压，晶体就会产生机械振动，同样晶片的机械振动又会产生交变电场。

且当外加交变电压的频率为一特定值时，振幅明显加大，比其他频率激励下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振。

3.2晶体振荡器电路的类型及其工作原理

3.2.1串联型谐振晶体振荡器

串联型晶体振荡器是将石英晶体用于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件的特性，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶体串联谐振频率fs上起振。

图3.2.1是一种串联型单管晶体振荡器电路，图3.2.2是其高频等效电路。

这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶体。

Ｌ、

、

和

组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。

图3.2.1串联谐振型晶体振荡器

图3.2.2串联晶体振荡器交流等效电路

3.2.2并联谐振型晶体振荡器

图3.2.3并联谐振型晶体c—b型振荡器电路（皮尔斯电路）

图3.2.4并联谐振型晶体振荡器高频回路等效电路

a）振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。

晶体管ｃ、ｂ端,ｃ、ｅ端和ｅ、ｂ端的接入系数是：

（3.2.1）

（3.2.2）

以上三个接入系数一般均小于

，所以外电路中的不稳定参数对振荡回路影响很小，提高了回路的标准性。

b）振荡频率几乎由石英晶体的参数决定，而石英晶体本身的参数具有高度的稳定性。

其中是和晶体两端并联的外电路各电容的等效值，即根据产品要求的负载电容。

在实用时，一般需加入微调电容，用以微调回路的谐振频率，保证电路工作在晶体外壳上所注明的标称频率fn上。

c）由于振荡频率

一般调谐在标称频率

上，位于晶体的感性区内，电抗曲线陡峭，稳频性能极好。

d）石英晶体的Q值和特性阻抗都很高，所以晶体的谐振电阻也很高，一般可达

以上。

这样即使外电路接入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。

3.2.3泛音晶体振荡器

在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。

泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。

在泛音晶振电路中，为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上，不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡而且必须正确地调节电路的环路增益，使其在工作泛音频率上略大于1，满足起振条件，而在更高的泛音频率上都小于1，不满足起振条件。

在实际应用时，可在三点式振荡电路中，用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件，使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则，不能起振；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振。

图3.2.5给出了一种并联泛音晶体振荡电路。

假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为5MHz，基频为1MHz，则LC1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。

这样在5MHz频率上，LC1回路呈容性，振荡电路满足组成法则。

对于基频和三次泛音频率来说，LC1回路呈感性，电路不符合组成法则，不能起振。

而在七次及其以上泛音频率，LC1回路呈现容性，但等效容抗减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于1，不满足振幅起振条件。

图3.2.5泛音晶体振荡器电路

3.3晶体正弦波振荡器原理图及参数计算

3.3.1电路原理图

图3.3.1PCB图

3.3.2静态工作点及回路参数的确定

高频振荡器的工作点要合适，若偏低、偏高都会使振荡波形产生严重失真，甚至停振。

实际中取

=0.5~5mA之间，若取

=2mA，

，则有：

（4.2.1）

为提高电路的稳定性，Re值可适当增大，取Re=1

，则Rc=2

，则有：

（4.2.2）

若取流过

的电流

为10

，则

=10

=0.33mA，则取：

（4.2.3）

（4.2.4）

实际电路中，

可用50k的电位器。

3.4电路仿真

在multisim软件环境下进行仿真，按照原理图，一一找好元器件，将线练好。

摆放整齐。

其仿真图如下：

图3.3.2multisim仿真原理图

3.5元器件清单

电阻2k2个

电阻33K1个

电阻3.3k1个

电阻1k2个

电容100uF1个

电容50pF3个

电容560pF2个

三极管2N22191个

晶振11MHZ1个

拨码开关2个

可变电容30pF1个

可变电阻50k1个

插针4个

4：

制板与调试

4.1电路调试

在Multisim软件环境下进行仿真，此时开关S1的1接通，S2的1接通，形成并联型振荡器，为了便于观察振荡器工作时各部分电路的工作情况，在振荡器输出端接入示波器观察波形，记录示波器上显示的输出振幅和输出频率，仿真波形如图所示。

图3.3.3仿真波形图

从图中可以看出，输出波形为正弦波，波形有较小的失真，这是由于元件参数的精度较低导致的，该振荡器的设计符合设计要求。

4.2电路制作

实物买回来后，出于想提高自己能力，没有选择万能版，于是按照电路图按部就班的画好PCB板图，然后打印，打孔及腐蚀，再一一把元器件焊上，检查电路。

实践再一次考验我们的焊接技术。

经过半通宵作业我们终于完成了我们的实物制作。

在制作过程中我们需要对电路原理图了然于心，这样可以提高我们的效率、熟练程度。

照片如下：

图3.3.4实物图

在实物调试中遇到的问题：

当我们把实物做好时，兴致盎然的跑去用示波器调试，结果什么波形都没有，一下子不知道从何开始。

于是开始检查板子的线路，看有没有地方连锡或虚焊，结果毫无发现，没办法又继续检查。

终于发现电位器焊反了，我们以为找到问题所在了，结果还是没波形。

终于在老师的指导下，知道了是没有满足起振条件，于是调节静态工作点，计算反馈系数，终于功夫不负有心人，调出了波形。

谢谢老师的指导！

结束语

经过为期一周的高频电子线路课程设计，我发现了自己能力的不足和知

识上的欠缺，同时也学到了很多东西。

接到晶体振荡器的课程设计任务书后，我首先将课本上关于晶体振荡器及其相关内容仔细看了好几遍，然后针对课程设计任务书上的要求认真思考，从图书馆借了与晶体振荡器有关的参考书，也从网上下载了一些别人的设计方案，最后综合课本、参考书及网上资料进行原理设计。

在设计原理图时我曾一度迷茫感觉无从下手，感觉书上的图过于简单设计出来的线路不够稳定，而从别处看到的又过于复杂分析不明白，最后通过与其他同学共同讨论终于弄懂了许多东西。

通过查阅参考书和阅读网上资料，我学到了很多关于晶体振荡器的新知识，而这些都是课本上没有讲到的，这些都使我对晶体振荡器有了更深入的理解。

这次课程设计，首先使我深刻体会到了自学的重要性，仅仅靠课本和老师上课是讲的东西，很多问题是不能解决的，重要的是学会自学，对问题深入思考并通过各种途径解决，才能得到最大的收获。

其次，我也更加认识到团队合作的重要性，许多东西，一个人能想到的往往有限，大家在一起则可以集思广益，发现许多新问题想出许多新解决方法。

而且，由于同学之间对所学东西理解的相似性，彼此讨论问题往往更容易理解。

再次，在确定器件参数时，看到了许多其他器件的性能参数，不仅拓宽了我的知识面，而且培养了科学严谨的求学态度。

最后，通过比较自己的设计方案与参考书上的设计方案，意识到自己知识的欠缺，同时体会到了老师们编书设计的艰难，也不由十分佩服他们的学识。

这些都是值得我认真思考好好学习的。

这次课程设计时间虽然不长，但却感觉比以前上课时都累，因为每时每刻都在思考如何搜索更多资料，如何使设计方案更加完善。

虽然不轻松，但毕竟学到了许多东西，也锻炼了自己的意志。

因此，我感觉这次课程设计很有意义。

同时，本文还有很多不足，恳请老师批评指正。

致谢

这次课程设计，历时两周。

在本报告完成之际，首先要向我的指导教师张松华老师致以诚挚的谢意。

在报告书的编写过程中，老师给了我许许多多的帮助和关怀。

在我们板子未调出波形时，老师以足够的耐心教我们不要气馁，冷静思考。

老师学识渊博、治学严谨，待人平易近人，在老师的悉心指导中，我不仅学到了扎实的专业知识，也在怎样处人处事等方面收益很多；同时老师对工作的积极热情、认真负责、有条不紊、实事求是的态度，给我留下了深刻的印象，使我受益非浅。

在此我仅向老师表示衷心的感谢和深深的敬意。

同时，我要感谢我们学院和我们授课的各位老师，正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。

我也要感谢我的母校湖南工学院，是她提供了良好的学习环境和生活环境，让我的大学生活丰富多姿，为我的人生留下精彩的一笔。

    最后，向我的亲爱的家人和亲爱的朋友表示深深的谢意，他们给予我的爱、理解、关心和支持是我不断前进的动力，学无止境。

明天，将是我终身学习另一天的开始。

再次感谢张老师的辛勤指导！

参考文献

胡宴如《高频电子线路》高等教育出版社

实验指导书

附录

PCB图