石英晶体正弦波振荡器设计

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1、郑 州 轻 工 业 学 院第 1 页目 录第一章 振荡器的基本常识.1第一节 振荡器的分类.1第二节 振荡产生的原理.1一 自激振荡的产生.1二 产生振荡的条件.2第三节 起振和稳幅 .3一 起振过程.3二 振幅的稳定.3第四节 正弦波振荡器.4第五节 频率稳定度.5第二章 石英晶体.6第一节 石英晶体的基本特性.6一 石英晶体的基本结构.6二 压电效应.6第二节 石英晶体等效电路和振荡电路.7第三章 12MHz 石英晶体正弦波振荡器.10第一节 电路的选择.10第二节 石英晶体振荡器设计10一 主要技术指标.10二 设计说明.10（一） 选择电路.10（二） 选择晶体管和石英晶体.11（三）

2、 确定直流工作点并计算偏置电路元件参数11（四） 求 C1C2Ct 的电容值.12心得体会13参考文献13郑 州 轻 工 业 学 院第 2 页第一章 振荡器的基本常识第一节 振荡器的分类震荡器（Oscillator）是一种能量转换装置。它的能量来源一般是直流形式（振荡器电路的直流供电电源） 。经过振荡器转换后，此直流能量转换为一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出。这种电能的“转换”过程被称作“振荡”(Oscillation ） 。振荡器的作用是产生特定的输出信号，因此也常常被称为信号发生器（signal creator） 。振荡器的类型繁多，按照振荡过程是否依赖于外部激励信号的参与，可以

3、分为他激振荡器和自激振荡器；按照波形分类有正弦波振荡器和非正弦波振荡器；按照振荡器振荡频率的高低，可以分为低频振荡器、高频振荡器、超高频振荡器等；按照振荡器的选频元件分类，则有 RC 振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器等。第二节 振荡产生的原理一 自激振荡的产生无需外加激励就能产生特定波形的交流输出信号，这种振荡电路称为自激振荡器。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。

4、振荡产生的原理并不复杂，有时甚至会在不经意中自动发生。例如，当我们演唱卡拉 OK 时，话筒将唱歌的信号转变为电信号，经扩音机放大后推动扬声器发出声音。这个过程可以用图 1.1（a ） 表示。如果扬声器和话筒的相对位置安排不当，如图 1.1（b）所示那样，扬声器发出的声音将和歌唱声同时进人话筒，形成正反馈。如此反复循环，将形成声- 电和电- 声变换系统的自激振荡。此时即使没有输入信号，在扬声器中也会出现啸叫声，这是“声回授”参与到电路中产生的振荡。上述的“同授”也叫作反馈。在设置有反馈支路的放大器中，若在某些频率点上由于反馈不当，形成了正反馈所需的相移量并具有足够的强度，符合自激振荡的条件，就会

5、产生一种不希望的“寄生振荡”它常常会淹没“有用”的信号而使放大器的工作不稳定。在正常放大器中不郑 州 轻 工 业 学 院第 3 页希望振荡出现，但是可以利用这一现象制成振荡器。事实上，振荡器都是利用电路中的正反馈来工作的。正反馈放大器形成自激振荡的原理可以用图 1.2 来解释。图 1.2.1图 1.2.2 正反馈放大器形成自激振荡的原理二 产生振荡的条件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

6、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 2N，其中 N=0,士 1, 士 2，士 3，。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 AFfs 时，L-C-R 支路呈感性，与 Co 产生并联谐振。由于 CoC，故 fPfS.图 2.1.3 外接可调电容在实际应用中，通常串入一个用于校正振荡频率的小电容 CS，郑 州 轻 工 业 学 院第 9 页如图 2.1.3 所示，图电路的电抗为 X，则令上式中的分子为零得（串联谐振）：CS 一般采用微调电容，使 fs在 fs 和 fP 之间的一个狭窄的范围内调整。将上式展开成幂级数的形式，并考虑到 CC，所以振荡频率

7、的相对变化量很小。串并联石英晶体振荡电路由英晶体的频率特性可构成两种不同类型的频率高度稳定的正弦波振荡电路：郑 州 轻 工 业 学 院第 10 页1）当石英晶体发生串联谐振时，它呈纯阻性，相移是 0。若把石英晶体作为放大电路的反馈网络，并起选频作用，只要放大电路的相移也是 0，则满足相位条件。形成串联型石英晶体正弦波振荡电路。2）当频率在 fs 与 fp 之间，石英晶体呈感性，可将它与两个 C 构成电容三点式正弦波振荡电路，形成并联型石英晶体正弦波振荡电路。如图 2.1.4如图 2.1.4 串并联石英晶体正弦波振荡器郑 州 轻 工 业 学 院第 11 页第二章 12Mhz 石英晶体正弦波振荡器

8、第一节 电路的选择晶体振荡电路中，与一般 LC 振荡器的振荡原理相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡电路之中，作为一感性元件，与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据实际常用的两种类型，电感三点式和电容三点式。常用电路简单结构如图 3.1.1 和 3.1.2 所示。由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性荣性之间有一条极陡峭的感抗曲线，而振荡器又被限定在此频率范围内工作。该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。所以他具有很高的稳频能力，或者说具有很高的电感补偿能力。因此选用 c-b 型皮尔斯电路进行制作。图 3.1.1 c-b 型

9、电路 图 3.1.2 b-e 型电路第二节 石英晶体振荡器设计一 主要技术指标：振荡频率：。=12MHz短期稳定度：。/。优于士 1510-6工作环境温度范围：-40+85电源电压：+12V二 设计说明（1）选择电路形式：选用 12MHz 皮耳斯 c-b 型电路如图 3.2.1 所示郑 州 轻 工 业 学 院第 12 页图 3.2.1 12MHz 皮尔斯 c-b 型电路（2）选择晶体管和石英晶体。根据设计要求，按公式 max= 8rbCcT(210) H=（24120MHz）选择高频管 3DG6C 型晶体管作为振荡管。查手册其参数如下： T =250MHz； 40，取 =50；NPN 型通用；

10、额压：20V；Icm=20mA；Po= 0.1W； T / =5 MHz。石英谐振器可选用 HC-49S 系列，其性能参数为：标称频率 。=12 MHz；工作温度：-40+85；25时频率偏差：士 310-6士 3010-6；串联谐振电阻：60 ；负载电容：C L=10PF,激励功率：0.010.1mW。（3）确定直流工作点并计算偏置电路元件参数 根据 3DG6C 的静态特性曲线选取工作点为：IE=2mA, Uce=0.6Vcc=0.612=7.2V；取 Uc=0.8Vcc=0.812=9.6V；Ue=0.2Vcc=0.212=2.4V则有 Rc=（Vcc-Uc）/ I E=（12-9.6）/

11、0.002=1.2K Re= Ue/ IE=2.4/0.002=1.2 K郑 州 轻 工 业 学 院第 13 页取 RB2=5Re=6 KRB1=（Vcc-Ue） /UeRB2=24 K根据实际的标称电阻值，取 Rc、Re、RB1、RB2 取精度为 1%的金属膜电阻Rc= Re= 1.2K ；RB1= 24 K ，RB2=6.2 K ；（4）求 C1C2Ct 的电容值 在计算时，由下式计算 的值=26 / IE=650根据 C1C2= =50/（21210 6）22Re1frbw65012001+( /)2= 4341.3(PF)2根据负载电容的定义，对于图 3.2.1 所示的电路可以得出CL

12、=1/(1/C1,2)+1/Ct式中，C1 ，2 为 C1 与 C2 相串联的电容值，由上式可得C1,2= Ct CL/ （Ct- CL） 若取 Ct=30pF（一般 Ct 应略大于负载电容值） ，则C1,2= Ct CL/ （Ct- C L）=（3010）/（30-10）=15 pF由反馈系数 F=C1/C2 和 C1,2=C1C2/C1-C2 两式联立解，并取 F=1/2则 C1=C1,2(1+F)=22.5 pFC2=C1,2(1+1/F)=45 pF根据电容量的标称值，取 C1、C2 为聚苯乙烯电容， C1=20pF, C2=40pF ，C1 C2=2040=800(PF) 24341

13、.3(PF)2可见该值远小于由 C1C2 乘机的极限值，故该电路满足起振条件。郑 州 轻 工 业 学 院第 14 页心 得 体 会这次课程设计历时一个星期多左右，通过这一个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，理论知识还不够扎实。 这次的课程设计也让我看到了个人力量的渺小，我认为一个人工作是很艰难的工作，自己犯了错误是很难发现的，只有等到做完在同学们检查以后才知道还有许多不足之处。我需要团队，需要合作，需要帮助。刚开始的时候，按照老师给的任务书，去找了资料，后来又积极的查询了相关资料，自己就动手开始一星期的设计。在课程设计中一个人知识的有限性往往是导致最终设计的片面，甚至是失败

14、。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。在这个过程中，我也曾经因为无从下手，对设计问题的迷茫而失落过，也曾经为成功的画了一个原理图而热情高涨过。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程设计，可是平心而论，也耗费了我不少的心血，这就让我不得不佩服技术编书方面前辈，让我意识到老一辈对我们社会的付出是艰辛的。通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，和自己的这一星期一起面对，和同学们一起忙碌的日子，让我们相互帮助，多少人间欢乐在这里洒下。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！最后，我要感谢我的高频老师，谢谢老师这一学期来对我的教导。参考文献：1、 李 银 华 电 子 线 路 设 计 指 导 北 京 航 天 航 空 大 学 出 版 社 2005.62、 谢 自 美 电 子 线 路 设 计 实 验 测 试 华 中 科 技 大 学