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1、 西南科技大学 课 程 设 计 报 告 课程名称： 高频电子线路课程设计 设计名称： 晶体 振荡器的设计与制作 姓 名： 何坤林 学 号 : 20130325 班 级： 电子 1301 指导教师： 李艳 魏 冬梅 侯 宝临 起止日期： 2015.12.14 - 2016.1.4 西南科技大学信息工程学院制 课 程 设 计 任 务 书 学生班级： 电子 1301 学生姓名： 何坤林 学号： 20130325 设计名称： 晶体 振荡器的设计与制作 起止日期： 2015.12.14-2016.1.4 指导教师： 李艳 侯 宝临 魏 冬梅 设计要求： 设计晶体振荡器，与后级电路有良好的隔离，振 荡信号
2、幅度 200mV； 振荡频率： f =24MHz 课 程 设 计 学 生 日 志 时间 设计内容 2015.12.14-2015.12.18 查阅资料， 初步 确定方案 2015.12.19-2015.12.22 确定 设计总体方案 2015.12.23-2015.12.25 仿真原理电路， 领取器件 2015.12.26-2015.12.28 焊接调试 2015.12.29-2016.1.1 调整参数 ，修改部分电路 2016.1.2-2016.1.3 撰写课程 设计报告 2016.1.4 答辩 课 程 设 计 考 勤 表 周 星期一 星期二 星期三 星期四 星期五 课 程 设 计 评 语
3、表 指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日 晶体振荡器的设计与制作 一、 设计目的和意义 1.掌握高频电子线路的基本设计能力及基本调试能力。 2.掌握晶体振荡器的静态偏置、电路原理以及振荡幅度、振荡频率相关知识点 。 3.提高电子电路的理论知识及较强的实践能力，能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。 二、 设计原理 1.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
4、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 2n，其中 n=0, 1, 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 AF1,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
5、说明了，只有 AF1，电路才能维持振荡。根据振荡条件，信号由图 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 1 自激振荡器方框图 2.起振和稳幅 1.起振过程 在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压 Xi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
6、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 ， 实际电路中 F 取 1/2。 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 输 入电压了 Xi 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。 2.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
7、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。 3.振荡器的频率稳定度 反馈振荡器若满足起振、平衡，
8、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
9、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。 4.振荡器 类型 选择 1.石英 晶体谐振器的等效电路 图 2 等效 电路 图 3 电抗 频率特性 从石英 晶 振 的 等 效图可以看出，石英晶体有两个谐振频率，串联谐振频率 fs 和并联谐振频率 fp。 qs LCf 2 1 (1) 000121CCfCCCCLfqsqqp (2) 2.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显示出了串联型振荡器的实际电路。可以看出， L1 和 电容 C2和 C3 并联 谐振， 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
10、原理为：当LC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，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。 所以 ，调节 LC 回路 的谐振频率 是 振荡电路能否正常工作 的 关键 因素。 图 4 3. 并联晶体振荡器的典型电路如图 5 所示， 三极 管的基极对高频接地，晶体接 c.b感 性 容 性 容 性 X fq fs R1 R2 R3 C1 C2 C3 C5 X1 Q1 VCC R4 65 % C4 L1 极 之间， C2 和 C3为反馈 电容 ，振荡器的 交
11、流 等效 回路 如图 6 所示，它 为皮尔斯 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 c-e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 。 为了 使振荡电路 简单化，此次设计 采用并联晶 体 振荡器， 共 基极的电压放大电路 ， 发 射极输入，集电极输出， 不 使用 电感 ， 简化计算过程。 图 5 图 6 三、 详细设计步骤 1. 确定三极管静态工作点 (图 5) 三极管 的输出特性曲线如图 7 所示 ： R1 R2
12、Re C1 C2 C3 C6 X1 C7 11 % VCC Q1 R4 35 % Rc Re C2 C3 X2 C7 11 % Q2 图 7 s9014 三极管输出 特性曲线 图 8 基 极分压式偏置电路 （ 开关 K2不 闭 合 ） 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 取 CQI =0.5 5mA 之间 ， 在 这里我选取 ICQ=1.66mA， V7VCEQ ， 172 则有 ： KI VVRR CQ CEQCCce 366.1 712 (3) 取 KRKR ce 2,1 ,则 : VRIV eCQEQ 66.1166.1 (4) 由CQBQ
13、 II 得 ： AmAIBQ 65.917266.1 , VVVV EQBQ 36.27.0 (5) 流过 R1 的 电流 满足 211 , bbBQb IIII ,且 VRR RVV CCBQ 36.221 2 ， 所以 取 KRKR 10,40 21 8661EQTbbbe IVrr (6) 电压 增益 Av ： 21000173866 100021721 / ebe LCio Rr RRVVA (7) 满足 振幅 稳定条件 1=AFT 。 2. 交流 参数的确定 (图 5) 图 1-4 中 C2、 C3、 C7组成 石英晶体振荡器的负载电容 ， 设为 CL： 727332732 CCCC
14、CC CCCC L (8) 并联 电路谐振频率为： LqsLqLOq CCCfCCCCCCLf 000 121(9) 并联 晶体 振 荡器 谐振 时等效为电感，频率变 化 在 fsfq之间 ， f0 接近 于 fs， 且qLq CCCC ,0 ， C0、 Cq为 晶 体 振 荡 器 内部等效电容 参数 ， 不作设计， 由 公式（ 8）可 知， 要求 CL非常 大，则 C7远 小于 C2、 C3， 又 因为反馈系数2123 CCF， 取 C2 = 60pF, C3=30pF。 四、 设计结果及分析 1.multisim仿真 电路图 图 9 仿真 电路图 C1、 C2为 反馈电容，信号从发射极输入，集电极输出， C4为 可调电容，对频率 作 微小改变， 其余 电阻为工作电阻，为 三极管 提供工作电压和电流， C6、 C3
