高频电子课程设计晶体振荡器Word格式文档下载.docx

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摘要

石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，及通信系统中用于频率发生器。

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。

但石英晶体成本较高，故在要求不太高的电路中一般采用陶瓷谐振元件。

本设计对利用石英晶体的压电效应，对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晶体振荡器原理做了详细的介绍并通过Multisim软件设计、仿真出并联型石英晶体振荡器，最后按照原理图进行参数的计算和实物的制作、调试。

对实物和仿真进行调试，并成功出现波形，证明了上述理论的可靠性，且符合设计要求。

是一次成功的课程设计。

关键词：

晶体；

振荡器；

并联；

Multisim仿真

ABSTRACT

Quartzcrystaloscillatorisakindofhighprecisionandhighstabilityoftheoscillator,whichhasbeenwidelyusedincolorTVcomputerremotecontrolandotherkindsofoscillationcircuit,andcommunicationsystemusedforfrequencygeneratorquartzresonatorforhighfrequencystability,itismainlyusedinrequestfrequencyisverystableoscillationcircuitofresonanceelementbutquartzcrystalcostishigher,soinlessdemandingcircuitusuallyuseceramicresonanceelement.Thisdesignusingquartzcrystalpiezoelectriceffect,madeofcrystaloscillatormethodtodoamorein-depthstudyontheoscillatorprincipleandquartzcrystaloscillatorprinciplearedescribedindetailandthroughtheMultisimsoftwaredesignsimulationtheparalleltypequartzcrystaloscillator,accordingtotheparallelresonancetypecrystaloscillatorprincipleusingcaratsplashcircuitdrawtheschematicdiagramoftheparameters,thecalculationandrealproductiondebugginginphysicalandsimulationdebugging,andsuccessfullyappearwaveform,provedthereliabilityoftheabovetheory,andcomplywiththedesignrequirementsisasuccessfulcoursedesign.

KeywordsCrystal;

Oscillator;

Seriesparallel;

Multisimsimulation

1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10MHZ，输出信号幅度>

=0.5V（峰-峰值），可调

课程设计要求：

要求有课程设计说明书，并制作出实际电路。

实验仪器设备：

数字存储示波器1台

无感起子1把

数字万用表1台

12V直流稳压电源1台

1.3设计思想

本次设计首先以NPN型晶体管2N2222和10M石英晶体为基础设计出并联型振荡器，通过对各种不同形式的并联型振荡器做出比较之后，综合设计出一个通过开关可实现并联转换的石英晶体正弦波振荡器。

将两部分连接之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实物的连接和调试，从而完成整个正弦波振荡器的设计。

2概论

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引言

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器件，它的基本构成大致是：

从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体振荡器，简称为石英晶体或晶体、振荡。

其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

变电场的频率与田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

图1基本构造

与LC振荡器相比，晶体振荡器的标准性较好，谐振回路的Q值较高，有载情况下Q值依然很高。

所以晶体振荡器的频率稳定度高。

所以在需要频率稳定度高的振荡电路时就选用晶体振荡器。

2.2.2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

2.2.3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。

2.2.4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。

3晶体振荡器的设计与仿真

3.1石英晶体特性简介

晶体的基本特性是它压电效应。

依靠这种效应，可以将机械能转变为电能；

反之，也可以将电能转变为机械能。

所谓压电效应就是在石英晶体两个电极上加直流电场，晶体就会产生机械形变，反之，若在晶体的两侧施加以机械压力，则会在晶体相应的方向上产生电场，这种现象称为为压电效应。

若是在晶体的两级上加上交变激励电压，晶体就会产生机械振动，同样晶片的机械振动又会产生交变电场。

且当外加交变电压的频率为一特定值时，振幅明显加大，比其他频率激励下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振。

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