高频电子课程设计.docx
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高频电子课程设计
高频电子课程设计
题目名称：
晶体振荡器
姓名：
施会勇
学号：
0809121022
班级：
电子信息工程2班
铜陵学院电气系
目录
第一章课程设计任务书3
1.1设计任务3
1.2主要技术指标3
第二章前言3
2.1设计目的3
2.2振荡的基本知识3
2.2.1振荡产生的原理3
2.2.2起振和稳幅4
2.2.3振荡器的频率稳定度5
第三章晶体振荡器的设计5
3.1晶体振荡器的分类5
3.2晶体振荡器电路的类型及其工作原理6
3.2.1串联型谐振晶体振荡器6
3.2.2并联谐振型晶体振荡器7
3.2.3泛音晶体振荡器9
3.3确定工作点和回路参数9
3.3.1确定工作点9
3.3.2回路参数的确定10
3.4提高振荡器的频率稳定度10
第四章总结11
附录11
第一章课程设计任务书
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20MHZ，输出信号幅度>=5V（峰-峰值），可调
第二章前言
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
2.2.2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。
2.2.3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。
通常所讲的频率稳定度一般指短期频稳度，定义为
其中，（Δf0）i=∣fi—f0∣是第i次测试时的绝对频率偏差。
第三章晶体振荡器的设计
3.1晶体振荡器的分类
1）普通晶振（晶体振荡器）（SPXO）可产生10^（-5）～10^（-4）量级的频率精度,标准频率1—100MHZ,频率稳定度是±100ppm。
SPXO没有采用任何温度频率补偿措施,价格低廉,通常用作微处理器的时钟器件。
封装尺寸范围从21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
2）电压控制式晶振（晶体振荡器）（VCXO）的精度是10^（-6）～10^（-5）量级,频率范围1~30MHz。
低容差振荡器的频率稳定度是±50ppm。
通常用于锁相环路。
封装尺寸14×10×3mm。
3）温度补偿式晶振（晶体振荡器）（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿,频率精度达到10^（-7）～10^（-6）量级,频率范围1—60MHz,频率稳定度为±1～±2.5ppm,封装尺寸从30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。
通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。
4）恒温控制式晶振（晶体振荡器）（OCXO）将晶体和振荡电路置于恒温箱中,以消除环境温度变化对频率的影响。
OCXO频率精度是10^（-10）至10^（-8）量级,对某些特殊应用甚至达到更高。
频率稳定度在四种类型振荡器中最高。
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端的接入系数分别是：
（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。
振荡频率
，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确定工作点和回路参数
3.3.1确定工作点
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：
为提高电路的稳定性，Re值可适当增大，取Re=1
，则Rc=2
，则有：
若取流过
的电流
为10
，则
=10
=0.33mA，则取：
实际电路中，
可用5.1
与50
电位器串联，以便工作点的调整。
3.3.2回路参数的确定
电容C1、C2由反馈系数F及C3所决定，其中，C3可远远大于C2或C1；而F=C1/C2，令其为0.5。
这样选取后的值，电路易振荡，波形好。
若取C1=100pF，则C2=200pF，取C3=24pF，C4为3~30pF可调电容，对振荡频率微调，耦合电容Cb=0.01pF。
3.4提高振荡器的频率稳定度
所谓频率稳定,就是在各种外界条件发生变化时，振荡器实际工作频率与指定频率之间偏差最小，稳定的振荡频率，才能使一些电路对信号能够正确处理准确输出。
为使石英晶体振荡器频率稳定，要考虑以下因素，并采取相应措。
石英晶体的老化效应，是指它的谐振频率随时间作缓慢变化的现象。
石英晶体虽经过厂家老化处理,但还须在使用数十天后，或调整频率补偿电容，才能使振荡器工作在指定频率上。
石英晶体工作时，两端加有激励电压，要消耗一定功率。
激励电压过高，损耗产生的热效应过大，而使谐振频率变化，产生不可逆的老化漂移，或使晶片振动振幅过大，甚至可造成晶片振裂损坏，过小的激励电压，将使振荡器输出减小，甚至不能维持振荡。
为使石英谐振器频率稳定,激励电平要合适且稳定。
石英晶体振荡器，除有良好的振荡电路外，还要采取措施，减小外界温度对振荡频率的影响。
图3.4.1为简单的温度补偿石英振荡器的电路原理,变容二极管与石英晶体串联，热敏电阻Rt为变容二极管提供随温度变化的偏压。
外界温度改变时，变容二极管的电容变化，使石英晶体随温度变化的谐振频率，向相反方向变化，以减小温度对振荡频率的影响。
图3.4.1简单的温度补偿石英振荡器的电路原理图
第四章总结
通过设计晶体振荡器电路，使我的动手能力和经验有了一定程度的提高。
我更好地了解了石英晶体的结构和特性。
刚拿到设计题目时一头雾水，不知道该怎样去实现设计的要求。
于是便拿起教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，对设计有了初步的思路。
有了方案还不够，还要去论证其可行性，前四天都是在网上和图书馆中查资料，论证电路的可行性。
在这方面我们进行了深刻的探讨，加深了我们对其更好的理解和认识。
由于知识水平有限，这次设计存在很多不完善之处，同时也深刻地意识到自己在设计方面能力的欠缺，以往都是只学习原理，对设计方面的知识了解不多，而我们这专业要求最重要的就是实践能力。
以后我要多看专业书，多做些实际电路以加强这方面的锻炼。
总之，通过这次设计电路，我收获挺大。
感谢老师的辛勤教导，以后我会加倍努力。
附录
参考文献：
沈伟慈《通信电路》西安电子科技大学出版社
李银华《电子线路设计指导》北京航天航空大学出版社
谢自美《电子线路设计》华中科技大学出版社
张肃文《高频电子线路》高等教育出版社
稻叶保《振荡电路的设计与应用》科学出版社
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