图2-1晶体振荡器的等效电路
通过石英晶体的等效电路，我们可以得到它的电抗-频率特性曲线如图2-2所示，当f＜fs或f>fp时，晶体谐振器显容性；当f在fs和fp之间，晶体谐振器等效为一电感，f=fs时，是串联谐振点，等效阻抗最小；当f=fp时，是并联谐振点，等效阻抗最大。
图2-2晶体的电抗特性曲线
2.3晶振的优缺点
优点：
使用石英晶体作为震荡回路元件，能够使振荡器的频率稳定度大大提高，原因有三：
石英晶体的物理特性和化学特性都十分稳定，因此，它的等效谐振回路有很高的标准性。
它具有正、反压电效应，而且在谐振频率附近，晶体的等效参数L很大、C很小、R也不高，因此，晶体的Q值可高达数百万数量级。
在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频率内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。
缺点：
石英晶体谐振器的主要缺点时它的单频性，即每块晶体只能提供一个稳定的振荡频率，因而不能直接用于波段振荡器。
3晶体振荡器
3.1起振和稳幅
在振荡开始时，由于激励信号较弱，输出电压的振幅比较小，此后经过不断的放大与反馈循环，输出幅度开始逐渐增大，为了维持这一过程，必须满足AF≥l的要求。
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。
3.2并联型晶体振荡器
这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。
根据这种原理，常用的有两种基本类型：
c-b型电路和b-e型电路。
c-b型并联晶体振荡器的典型电路如图3-1所示，振荡管的基极对高频接地，晶体接集电极与基极之间，C2和C3是位于回路的另外两个电抗元件，振荡器的回路等效电路如图3-2所示，它类似于克拉泼振荡器。
图3-1c-b型并联晶体振荡器实际线路图3-2c-b型并联晶体振荡器等效线路
b-e型并联晶体振荡器的典型电路如图3-3所示，该电路晶体接在基极和发射极之间，当晶体呈感性，即并联使用，且LC并联回路也呈感性时，满足电感三点式组成，电路的输出信号较大。
其等效电路如图3-4所示。
图3-3b-e型并联晶体振荡器实际电路图3-4b-e型并联晶体振荡器等效电路
3.3串联型晶体振荡器
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。
图3-5和图3-6显示出了一串联型振荡器的实际路线和等效电路。
可以看出，如果将石英晶体短路，该电路即为电容三点式振荡器。
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，近似为一短路线，电路满足相位条件和振幅条件振荡器的工作频率等于晶体的串联谐振频率，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，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作。
图3-5串联型晶体振荡器实际电路图3-6串联型晶体振荡器等效电路
3.4输出缓冲级
常用的输出缓冲级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，因而可以减小负载对于振荡回路的影响，射极跟随器的典型电路如图3-7所示。
图3-7输出缓冲级电路
3.5晶体正弦波振荡器原理图及参数计算
图3-8晶体振荡器总原理图
从图3-8中可以看到：
R1、R2：
为三极管Q1提供偏置电压。
R8：
改变阻值的大小可以改变Q1的静态工作点。
C1：
用于在振荡器起振时将R2短路从而可以是振荡器可以正常的振荡。
C2、C3：
组成反馈分压，用于为振荡器提供反馈信号。
ZL1、ZL2：
为高频扼流圈，目的是防止高频信号流经电源。
C6、C7、C8、C9为高频旁路电容，滤除高频部分。
Q2连接成射极跟随器，用于提高系统的带负载能力。
J1上端打开时，J2断开时振荡器为串联型晶体振荡器，此时晶体相当于选频短路线；当J1下端打开，J2接通时振荡器为并联型晶体振荡器，此时晶体相当于一等效电感。
正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。
振荡器主电路的静态工作点主要由R1、R2、R3、R8决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图3-9所示。
图3-9直流通路等效电路
如图3-9所示，其中V1=5V，要使三极管满足起振条件，则静态时它应工作在放大区，故R3两端电压应大于0.7V，一般情况下发射极电流为mA级，基极电流uA级。
不妨取R1=R3=5.1KΩ，R2=400Ω，β=45则Vb=2.5V，Ie=4.5mA,Ib=100uA,符合射级要求。
为了调节方便，在R1处在串联一电位器，最大阻值为10K。
对于振荡器，当该电路接为串联型振荡器时，晶体起到选频短路线的作用，输出频率应为10MHZ，不妨取L1=1uH,则由f0=2π
回路总电容C=253.3pF，即C2，C3串联后的总电容为253.3pF，则取C2=300pF，C3=1600pF.为了便于调节C2由一定值电阻和可变电阻并联而成。
当该电路接为并联型振荡器时，晶体起到等效电感的作用，此时工作频率介于两谐振频率之间。
同时为了提高振荡器的带负载能力，应附加一个缓冲输出级，本设计中使用的是一个射级跟随器，其各参数如图4-8所示。
为了提高振荡器的工作性能和稳定度，在电路中还应有高频电源去耦电容和高频扼流圈，一般取电解电容C=100nF，瓷片电容C=10nF，扼流圈L=330mH。
4电路仿真
4.1高频晶体振荡器输出测试
在Multisim软件环境下进行仿真，，形成串联型振荡器，为了便于观察振荡器工作时各部分电路的工作情况，分别在振荡器输出端和缓冲级输出端接入示波器观察波形，记录示波器上显示的输出振幅和输出频率，仿真波形如图4-1所示。
图4-1高频晶体振荡器输出波形
从图4-1中可以看出，输出波形为正弦波，幅值为Vo=1.5V，输出频率f=9.98MHZ，可通过可变电容做一定微调，输出频率在8到10MHZ之间，波形有较小的失真，这是由于元件参数的精度较低导致的，该振荡器的设计符合设计要求。
4.2实物制作与调试
图4-2实物图
调制波形:
图4-3高频晶体振荡器输出波形
5元器件清单
序号
名称
型号
数量
备注
1
电阻
5.1KΩ
2
R1、R2
2
电阻
1.2KΩ
1
R6
3
电阻
400Ω
1
R3
4
电阻
330Ω
1
R5
5
电阻
100Ω
1
R7
6
电位器
10KΩ
1
R8
7
瓷片电容
103
3
C1、C6、C8
8
瓷片电容
101
1
C4
9
瓷片电容
104
1
C5
10
瓷片电容
271
1
C2
11
瓷片电容
152
1
C3
12
电解电容
100uF/16V
1
C7、C9
12
可变电容
60pF
1
C10
14
电感
1uH
1
L1
15
电感
330mH
2
L2、L3
16
晶振
6M
2
X1、X2
17
三极管
2N2222
2
Q1、Q2
18
拨码开关
2
J1、J2
6心得体会
通过这次课程设计，不仅使我对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解，更巩固和提高了我的高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，让我能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。
这次的课程设计主要是进行高频晶体正弦波振荡器设计仿真与调试，刚开始的时候，按照老师给的任务书，查找资料，进行设计，自己动手开始进行实物的制作。
在调试过程中遇到不少问题，波形出不来，失真严重等。
最终在老师的指导和帮助下我顺利完成了本次课设，得到了一个可微调的10mhz的正弦波输出。
只有将理论联合实践，做到学以致用，我们才能取得不断的创新与进步。
参考文献
[1]刘骋．高频电子技术．北京：
人民邮电出版社，2006.5．
[2]刘泉．通信电子线路．北京：
高等教育出版社，2005.5．
[3]康华光《电子技术基础（模拟部分）》高等教育出版社2005.12．
[4]高吉祥．高频电子线路．北京：
电子工业出版社，2005.7．
[5]张肃文．高频电子线路．北京：
高等教育出版社，2004.8．
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
高频晶体正弦波振荡器
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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