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1、 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）辽 宁 工 业 大 学 高频电子线路课程设计（论文） 石英晶体振荡器电路设计院（系）： 电子与信息工程学院 专业班级： 电子121班 学 号： 120404020 学生姓名： 韩 刚 指导教师： 曹玉东 高 影 起止时间： 2015.6.22-2015.7.4 本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室： 电子信息工程学 号120404020学生姓名韩刚 专业班级电子121班课程设计（论文）题目石英晶体振荡器电路设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务要求、技术参数要求：1设计一个石英晶体
2、振荡器。 2能够观察输入输出波形。3观察振荡频率。参数：振荡频率10000HZ左右。进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：输入整流滤波电路设计；第5天：逆变电路设计；第6天：确定高频变压器变比及容量；第7天：控制电路设计；第8天：保护电路设计；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 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。这种石英晶体片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当
3、交变电场的振动频率与石英晶体的固有频率相同时，振动最强，这是晶体谐振的特性反应。利用这种特性，可以用石英谐振器取代LC谐振回路、滤波器等。石英谐振器由于具有可靠性高、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振荡器的方法做了较深入的研究，对石英晶体振荡器的原理做了详细的介绍，并且运用Multisim软件画出原理图，进行仿真，完成设计要求。关键词：石英晶体振荡器；频率稳定性；谐振器V目 录第1章 绪论11.1 石英晶体振荡器的概况11.2 本文研究要求及内容1第2章 总体电路设
4、计22.1 英晶体振荡器总体设计方案22.2 具体电路设计原理22.3 串联型晶体振荡器电路设计22.4 并联型晶体振荡器设计42.5 输出缓冲级电路设计62.6 总体电路设计7第3章 元件参数的计算9第4章 电路的仿真与分析11第5章 课设总结13参考文献14第1章 绪论1.1 石英晶体振荡器的概况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元件，它的基本构成为：从石英晶体上按一定方位角切下薄皮，在它的两个对应面上分别涂上银层作为电极，在电极上连接两个接线引脚，再加上封装外壳就构成石英晶体振荡器。当交变电场的振动频率与石英晶体的固有频率相同时，振动最强，这是晶体谐振
5、的特性反应。利用这种特性，可以用石英谐振器取代LC谐振回路、滤波器等。石英谐振器由于具有可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。1.2 本文研究要求及内容要求：1设计一个石英晶体振荡器。 2能够观察输入输出波形。3观察振荡频率。参数：振荡频率10000HZ左右。第2章 总体电路设计2.1 英晶体振荡器总体设计方案本次设计首先以NPN型晶体管2N3019和7MHz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，综合设计出一个可以实现题目要求的石英晶体振荡器，然后根据石英晶体振荡器的输出要求设计出对应的缓冲输出级，
6、将两部分连接后根据电路图的基本形式和设计的要求计算出个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焊接和调试，从而完成整个石英晶体振荡器的设计。2.2 具体电路设计原理振荡器电路属于一种信号发生器，即表现为在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。振荡器的起振是将电路自身噪声或电源跳变过程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加的，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，当因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
7、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。2.3 串联型晶体振荡器电路设计在串联型晶体振荡器中，晶体接在要求振荡器阻抗低的两点之间，通常接在反馈电路中。图2-1和图2-2显示出了一种串联型振荡器的实际电路和等效电路。可以看出，如果将石英晶体短路，该电路即为电容反馈式振荡器。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，近似为一条短路线，电路能够满足振荡条件，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，使反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作。 图2-1 串联型晶体振荡器实际电路 图2-2 串联型晶体振荡器等
8、效电路串联型晶体振荡器只能适应于高次泛音工作，这是由于晶体只起到控制频率的作用，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。但是石英晶体在串联谐振时阻抗近似为零，此时正反馈最强，电路的振荡频率取决于石英晶体的串联谐振频率。2.4 并联型晶体振荡器设计并联型晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器相同，只是把石英晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并且与其他回路元件一起按照三端式电路的基本准则组成三端式振荡器。根据这种原理，在理论上可以构成三种类型的基本电路，但是实际上，只有c-b型和b-e型两种基本类型。c-b型并联晶体振荡器：c-b型并联晶体振荡器的典型电路如
9、图2-3所示，振荡管的基极对高频接地，晶体接集电极与基极之间，C1和C3是回路的另外两个电抗元件，振荡器的回路等效电路如图2-4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小，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，电路容易满足振幅起振条件。 图2-3 c-b型并联晶体振荡器实际电路图2-4 c-b型并联晶体振荡器等效电路b-e型并联晶体振荡器：b-e型并联晶体振荡器的典型电路如图2-5所示，该电路是一个双回路振荡器，它的固有谐振频率略
10、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2-6所示。 图2-5 b-e型并联晶体振荡器实际电路 图2-6 b-e型并联晶体振荡器等效电路和一般LC振荡器相比，石英晶体振荡器在因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
11、定在这段线性范围内工作，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。2.5 输出缓冲级电路设计常用的输出缓冲级电路是在电路的输出端加一射极跟随器，从而提高回路的带负载能力。射极跟随器的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大倍数略低于1，带负载能力强，具有较高的电流放大能力，它可以起到阻抗变换和极间隔离的作用，因而可以大大减小负载对振荡回路的影响，射极跟随器的典型电路如图2-7所示。 图2-7 输出缓冲级电路输出缓冲级电路主要完成对所产生的振荡信号进行输出，不管是并联谐振正弦波晶体电路还是串联谐振晶体电路，它们的带负载能力都不是很强，负载值改变时可能
12、造成振荡器的输出频率变化，也可能影响振荡器的输出幅度，输出缓冲级的作用就是提高整个振荡器的带负载能力，即使振荡器的输出特性不受负载影响，或影响较小。2.6 总体电路设计根据设计要求，该晶体振荡器通过跳线能够实现串联谐振和并联谐振晶体振荡器的转换，通过比较并联谐振晶体振荡器和串联谐振晶体振荡器的原理可以发现，串联型晶体振荡器与c-b型并联晶体振荡器结构类似，二者同为电容三点式反馈振荡器。晶体振荡器在并联和串联的方式下作用不同，在并联方式下，要求晶体工作于感性区，其等效电感与外部电容构成振荡回路，该回路满足电容三点式振荡条件，而在串联谐振振荡器中晶体则充当选频短路线作用，因晶体Q值很高，通频带很窄
13、，而频率选择性很高，可以从振荡回路中选出频率为晶体振荡频率的谐波，反馈至振荡器的输入，从而使振荡器输出频率稳定的正弦波。若将晶体短路，则电路变成电容三点式振荡器，并且可以正常起振。依据各部分的方案设计并结合设计要求，综合考虑各种影响因素，由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性和容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，而且该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这个频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。所以它具有很高的稳频能力，或者说具有很高的电感补偿能力，因此设计系统原理图选用c-b型并联晶体振荡器电路，缓冲级用单电容与电阻负载组成，电路图如图2-8所示。 图2-8 石英晶体振荡器总体电路图从图2-8中可以看到，图中R1和R3分压为三极管Q1提供偏置电压，C4用于在振荡器起振时将R3短路从而可以是振荡器可以正常的振荡，C1、C3组成反馈分压，用于为振荡器提供反馈信号， L1为高频扼流圈，目的是防止高频信号流经电源。C2和R4构成简单的输出缓冲级电路，以提高电路的带负载的能力。第3章 元件参数的计算正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静
