《高频课程设计石英晶体振荡器.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频课程设计石英晶体振荡器.doc（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、石英晶体振荡器的设计与调试 中 文 摘 要 石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石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(线圈和电容)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。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。本设计对利用石英晶体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
2、晶体振荡器原理做了详细的介绍并通过Multisim 10软件设计、仿真出并联的石英晶体振荡器，最后按照原理图进行调试和参数的计算。关键词 石英，晶振，压电效应，频率稳定性，Multisim 10仿真目 录 课程设计任务书课程设计成绩评定表中文摘要. .1目录. .21设计任务描述.31.1 设计目的. . . . .31.2 基本要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 设计思路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 设计方框图. . . . . . . . . . . .54 各部分电路
3、设计及参数计算. . . . . . . . . . . .65 工作过程分析. . . . . . . . . . . 116 元器件清单. 127 主要元器件介绍 . . . . . . . . . . . . . 13小结. . . . . . . . . . . . . .18致谢. . . . . . . . . . . .19参考文献. . . . . . . . . . . .20附录逻辑电路图. . . . . . . . . . . 21 仿真效果图 22 1.设计任务描述1设计题目：石英晶体振荡器的设计与调试1.1设计目的：1.深入理解石英晶体振荡器的工作原理，熟悉振荡器的
4、构成和电路各元件的作用；2.掌握振荡器的设计方法及参数计算；3.学会正弦波振荡器的调试。1.2基本要求：1.设计一个石英晶体振荡器；2.研究电路的设计方法，完成电路参数计算；3.进行电路调试。2 设计思路 本次设计首先以NPN型晶体管9013和标称频率为10MHz的石英晶体为基础分别设计出不同形式的串并联型振荡器，通过对各种不同形式的串联型振荡器和并联型振荡器做出比较之后，综合设计出一个并联的石英晶体正弦波振荡器，然后根据石英晶体振荡器的输出要求设计电路，然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调试，从而完成整个正弦波振荡器的设计。3. 设计
5、方框图输入信号晶体管放大晶体振荡回路稳定频率输出 4 各部分电路设计及参数计算4.1各部分电路设计振荡器电路属于一种信号发生器类型，即表现为没有外加信号的情况下能自动生成具有一定频率、一定波形、一定振幅的周期性交变振荡信号的电子线路。振荡器起振时是将电路自身噪声或电源跳变中频谱很广的信号进行放大选频。此时振荡器的输出幅值是不断增长的，随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区或者截止区，其增益逐渐下降，当放大器增益下降而导致环路增益下降到1时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡，进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态后，直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。4.1.1串联型晶体振荡器
6、在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路中。图4-1和图4-2显示出了一串联型振荡器的实际路线和等效电路。可以看出，如果将石英晶体短路，该电路即为电容反馈的振荡器。电路的实际工作原理为：当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，晶体的阻抗最小，近似为一短路线，电路满足相位条件和振幅条件，故能正常工作；当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时，晶体阻抗增大，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作。 - 23 -图4-1 串联型晶体振荡器实际电路图4-2 串联型晶体振荡器等效电路串联型晶体振荡器只能适应高次泛音工作，这是由于晶体只起到控制频率的作用，
7、对回路没有影响，只要电路能正常工作，输出幅度就不受晶体控制。4.1.2并联型晶体振荡器c-b型并联晶体振荡器的典型电路如图4-3所示，振荡管的基极对高频接地，晶体接集电极与基极之间，C2和C3位于回路的另外两个电抗元件，振荡器的回路等效电路如图4-4所示，它类似于克拉泼振荡器，由于Cq非常小，因此，晶体振荡器的谐振回路与振荡管之间的耦合电容非常弱，从而使频率稳定度大大提高。由于晶体的品质因数很高，故其并联谐振阻抗也很高，虽然接入系数很小，但等效到晶体管CE两端的阻抗仍很高，因此放大器的增益高，电路容易满足振幅齐起振条件。图4-3 c-b型并联晶体振荡器实际线路图4-4 c-b型并联晶体振荡器等
8、效线路b-e型并联晶体振荡器的典型电路如图4-5所示，该电路是一个双回路振荡器，它的固有谐振频率略高于振荡器的工作频率，负载回路选用的是并联谐振回路，可以抑制其他谐波，有利于改善输出波形，并且电路的输出信号较大，但频率稳定度不如b-c型振荡电路，因为在b-e型电路中，石英晶体则接在输入阻抗低的b-e之间，降低了石英晶体的标准性。其等效电路如图4-6所示。图4-5 b-e型并联晶体振荡器实际电路图4-6 b-e型并联晶体振荡器等效电路和一般LC振荡器相比，石英晶体振荡器在外界因素变化而影响到晶体的回路固有频率时，它还具有使频率保持不变的电抗补偿能力，原因是石英晶体谐振器的等效电感Le与普通电感不
9、同，当频率由Wq变化到Wo时，等效电感值将由零变到无穷大，这段曲线十分陡峭，而振荡器又刚好被限定在工作在这段线性范围内，也就是说，石英晶体在这个频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线，因而它具有很高的电感补偿能力。而本次设计为并联谐振型晶体振荡器。4.1.3 元器件参数的计算a 确定三极管静态工作点正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。振荡器主电路的静态工作点主要由R1、R2、R4、W决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图4-7所示。图4-7 直流通路
10、等效电路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=0.55mA之间，若取=2mA，则有：(4.1.1)为提高电路的稳定性，Re值可适当增大，取Re=1，则Rc=2，则有： (4.1.2) 若取流过的电流为10，则=10=0.33mA，则取：(4.1.3)(4.1.4)实际电路中，可用6.8与50电位器串联，Rb2可以取10，以便工作点的调整。b交流参数的确定对于振荡器，当电路接为并联型振荡器时，晶体起到等效电感的作用，输出频率应为10MHZ，则由f0=1/2知负载电容CL=33.3pF，即C2，C3，C4串联后的总电容为33.3 pF，则取C2=10
11、0pF，C3=100pF，C4=100pF。为了提高振荡器的工作性能和稳定度，在电路中还应有高频扼流圈，一般取扼流圈L1=10uH。 实验数据：(1) U4min=0.36V,U4max=6.10V; (2) 开关闭合时：fo=10.00173MHz,Uo=61.6mV; 开关断开时：fo=10.00174MHz,Uo=63.5mV;实验结论：(1) 由于石英晶体的等效电感非常大，故品质因数Q很大，所以石英晶体振荡电路有很高的稳定性。 (2) 对比发现，负载变化对振荡频率影响很小，影响振荡频率的主要因素为温度。有无负载对频率的影响 OFFR5f10.00173MHz10.00174 MHz 5.工作过程分析 本次设计首先以NPN型晶体管9013和标称频率为10MHz的石英晶体为基础设计并联型振荡器，通过12V的直流电源和调节100K的电位器W为三极管提供合适的静态工作点，X1、C2、C3、C4组成振荡回路。Q1的集电极直流负载为R3,偏置电路由R1、R2、W和R4构成，改变W可改变Q1的静态工作点。静态电流的选择既要保证振荡器处于截止平衡状态也要兼顾开始建立振荡时有足够大的电压增益
