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目录

前言1

正文2

2.1设计的目的和意义2

2.2目标与总体方案3

2.2.1.石英晶体振荡器的种类3

2.2.2石英晶体的基本特性4

2.2.3石英晶体振荡电路5

2.3设计方法和内容6

2.3.1石英晶体谐振器的符号和等效电路6

2.3.2.分析石英晶体的基本原理7

2.3.2.电路原理图的设计8

2.3.3数据分析10

2.4课程结论10

致谢11

参考文献：

11

附录：

12

前言

石英晶体振荡器已广泛应用于卫星通讯、雷达导航测控和广播电视系统等，特别是精密时频计量、精密频率综合器等电子仪器，皆有赖于高稳石英晶体振荡器提供精密的频标和时基，业已占居素有无线电“心脏”的重要地位。

而对石英晶体振荡器的性能要求也越来越高，主要体现在老化特性、频率温度稳定度、频率准确度、电流电压及功耗、带负载能力、开机特性、压控范围和外型尺寸等因素上。

随着通信技术的发展，在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也得到了更快的发展。

许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。

石英晶体持续成为在日益扩展的数字世界中，提供稳定频率来源的最佳选择，通常也是唯一选择。

因为有线及无线市场的快速成长，石英晶体及其高频所需的表面声波（SAW）装置已受到广泛运用，范围从电子玩具所使用的简单被动石英晶体，到最精密电信网络骨干频率所使用的复杂同步计时模块（STM）。

1.1ProtelDXP简介

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正文

2.1设计的目的和意义

1.了解晶体管振荡器的工作原理及其特点，掌握晶体振荡器的设计方法。

2.分析石英晶体的基本原理，知道石英晶体管的重要参数。

3.分析石英晶体谐振器的性能和等效电路，对石英晶体振荡器进行分析与总结。

4.综合运用所学知识内容,通过结合理论基本知识完成课程设计，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，正所谓“温故而知新”，进一步加深对课本知识的理解。

2.2目标与总体方案

2.2.1.石英晶体振荡器的种类

选频网络含有石英谐振器的正弦波振荡器，称为石英晶体振荡器。

石英晶体振荡器的电路型式是多样的，但其基本电路只有两类：

并联晶体振荡电路—工作在fs与fp之间，利用晶体作为一个电感来组成振荡电路；串联晶体振荡电路—工作于串联谐振频率fs处，利用阻抗最小的特性来组成振荡电路。

（1）并联型石英晶体振荡器

型并联晶体振荡器电路如图1所示:

（a）晶振电路（b）高频回路等效电路

图1并联谐振型晶体c-b型振荡器电路

并联晶体振荡器的电路如图1的（a）所示，振荡器的基极对高频接地，晶体接集电极与基极之间，C2和C3位于回路的另外两个电抗原件，振荡器的回路等效电路如图（b）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弱，从而使频率稳定度大大提高。

由于晶体的品质因素很高，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。

（2）串联型石英晶体振荡器

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，如图2（a）及（b）显示出了一串联型振荡器的实际线路和等效电路。

可以看出，如果将石英晶体短路，该电路即为电容反馈的振荡器。

电路的实际原理为：

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—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，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。

（a）串联型晶体振荡器实际图（b）串联型晶体振荡器等效图

图2串联型晶体振荡器设计图

2.2.2石英晶体的基本特性

1、石英晶体振荡器的结构

石英晶体振荡器是利用石英晶体（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谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。

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。

2、压电效应

若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。

反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。

如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。

在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。

它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

3.谐振频率

从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即：

（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。

串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，

（2）当频率高于fs时L、C、R支路呈感性，可与电容C。

发生并联谐振，其并联频率用fd表示。

根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗—频率特性曲线如图2e所示。

可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。

仅在fs＜f＜fd极窄的范围内，石英晶体呈感性。

4.石英晶体振荡器特点

（1）在振荡频率上，闭合回路的相移为2nπ。

（2）当开始加电时，电路中唯一的信号是噪声。

满足振荡相位条件的频率噪声分量以增大的幅度在回路中传输，增大的速率由附加分量，即小信号，回路益增和晶体网络的带宽决定。

（3）幅度继续增大，直到放大器增益因有源器件（自限幅）的非线性而减小或者由于某一自动电平控制而被减小。

2.2.3石英晶体振荡电路

由石英晶体构成的振荡器一般可分为并联谐振型晶体振荡器和串联谐振型晶体振荡器两种。

图3所示为并联谐振型晶体振荡电路及其交流等效电路，若把石英晶体等效为一电感LD时，该电路即成为电容三点式振荡器，只有频率在石英晶体的fo与f∞之间时，石英晶体才会呈现出感抗特性。

图3并联谐振晶体振荡器电路

图4所示为串联谐振型晶体振荡电路及其交流等效电路。

该电路与电容三点式振荡电路十分相似，所不同的是反馈信号不是直接接到半导体管的发射极，而是经石英晶体接入实现正反馈。

若LC选频回路的振荡频率等于石英晶体的串联谐振频率，石英晶体谐振器就会呈现很小的电阻，实现正反馈最强，满足振荡条件，振荡电路便可起振。

图4串联谐振晶体振荡器电路

2.3设计方法和内容

2.3.1石英晶体谐振器的符号和等效电路

图5石英谐振器电路符号及其等效电路

晶片不振动时，等效于平行电容器C0，晶片振动时，有一个机械振动的惯性，用电感L来等效；晶片的弹性以电容C来等效；晶片振动时的内部摩擦损耗则用R来等效。

L、C、R的数值与晶片形状、大小和切割方向有关。

由石英谐振器等效电路可见，它有两个谐振频率：

（1）LCR支路发生串联谐振，等效为纯电阻R，阻抗最小。

串联谐振频率：

（2）外加信号频率高于

，LCR支路呈感性，与C0支路发生并联谐振，并联谐振频率：

两者关系为：

通常Co>>C，可见两个谐振频率fp与fs非常接近，且fp稍大于fs。

<1>当fs

<2>当f=fs时            石英晶体呈纯电阻性

<3>当ffp时  石英晶体呈容性

2.3.2.分析石英晶体的基本原理

如下图6所示为60MHz晶体振荡器，主要是由晶体振荡电路和缓冲放大电路组成。

晶体三极管VT1为60MHz的晶体振荡器，振荡器的输出送至晶体三极管VT2的缓冲放大器进行信号放大，它的发射极具有较大的反馈，式振荡器更饿稳定。

电阻R5、R6为偏置，R7为负载电阻，信号通过电容C6耦合输出60MHz的高频信号。

VT1集电极回路由电感L1及电容C4、C5组成并联谐振回路，调节空气可变电容器C4，使回路谐振在振荡频率60MHz上，电感L3和电容C7组成去耦电路，起作用滤除电源中的高次谐波，以保证频率波形的纯度。

图6石英晶体振荡器结构原理

2.3.2.电路原理图的设计

根据设计要求，该晶体振荡器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发现，串联型晶体振荡器同c-b型并联型晶体振荡器结构类似，二者同为电容三点式反馈振荡器。

晶体在并联和串联振荡器方式下作用不同，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电路，该回路满足电容三点式条件，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，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结合设计要求，综合考虑各种影响因素，设计系统原理图如图7所示。

图7系统设计总原理图

利用虚拟示波器和数字频率计测试可得电路的振荡频率f=293.434khz，改变负载电阻的数值时：

（1）当改变接通开关J1时，波形图如图7-1所示。

图7-1输出波形图

（2）当改变接通开关J2时，波形图如图7-2所示。

图7-2输出波形图

（3）当改变接通开关J3时，波形图如图7-3所示。

图7-3输出波形图

（4）当改变接通开关J4时，波形图如图7-4所示。

图7-4输出波形图

2.3.3数据分析

1、分别接通开关J1、J2、J3、J4，比较可得，电阻对波形的频率影响时电阻越大，输出波形的频率越明显，电阻变小时，波形频率依次减弱。

2、对滑动变阻器进行移动时，其输出频率的速度变化不是很明显，对其它电阻而言，改变其任意阻值时，对其输出波形频率而言，都不是很明显。

3、R1增大，波形是真减小。

2.4课程结论

本次课程设计，让我进一步加深对了石英晶体振荡器理解。

通过这一星期的课程设计设计，我认识到任务并时你想象的那么难，肯去钻研，都会有喜人的成绩！

本次设计过程中我的收获还是颇为丰富的，在设计过程中，遇到了很多问题，比如说实验软件的使用，电路原件的识别等等，很让我头疼，有时候耐心也变得少了，但是又不得以，由于平时的知识积累不够，很多关键要领没能得到很好的应用，但是，姚老师确很耐心的教导我们，不辞辛苦的一遍又一遍的讲解。

通过这次设计，我深刻理解了学习细节的必要性，更多的是对学以致用，课程设计不仅仅是对我们知识的高度提炼，还有的是对知识灵活的掌握，一旦将一门课程掌握精通，那么它对你的成就所产生的价值也是极其可观的。

致谢

本次课设是完成一个高频晶体振荡器的设计，首先在Multisim、ElectronicsWorkbench等软件环境下进行电路原理图的设计，绘制和仿真，然后对电路中的各个部分进行调整、修改，按照设计的电路原理图完成实物的连接，连接后在不断的调试、修改，最后得到设计要求的输出波形。

在这次课设中，我要感谢我的姚娜老师在课程设计上给予我的指导，提供给我的支持和帮助，最重要的是姚老师指导是我清楚了程序的基本操作，是姚娜老师帮助和解决我了许多技术上的难题，让我能把设计做的更加完善。

在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。

最后，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不明白的课程设计上的难题。

参考文献：

[1]稻叶保《振荡电路的设计与应用》科学出版社

[2]王莹莹汪东著.ProtelDXP电路设计实例教程.清华大学出版社.2008

[3]张肃文《高频电子线路》高等教育出版社

[4]李银华《电子线路设计指导》北京航天航空大学出版社

[5]饭高成男 椎名晴夫 田口英雄《晶体管电路》科学出版社

[6]钱钟陈英梅著.通信电子线路，人民邮电出版社。

2004

[7]高吉祥著.高频电子线路.电子工业出版社，2004

[8]谢自美《电子线路设计•实验•测试》华中科技大学出版社

[9]路勇.电子电路实验及仿真.清华大学出版社,2003.2

附录：

统设计总原理图