石英晶体振荡器(高频课程设计).docx

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1、中文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。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石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响。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代1.C（线圈和电容）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。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。本设计对利用石英晶体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

2、Multisim软件设计、仿真出并联的石英晶体振荡器，最后按照原理图进行调试和参数的计算。关键词石英，晶振，压电效应，频率稳定性，MUItiSim仿真目录课程设计任务书课程设计成绩评定表中文摘要1目录21设计任务描述31.1 设计目的31.2 根本要求32设计思路43设计方框图54各局部电路设计及参数计算65工作过程分析116元器件清单127主要元器件介绍13小结18致谢19参考文献20附录逻辑电路图21仿真效果图221 .设计任务描述1 .设计题目：石英晶体振荡器的设计与调试1.l设计目的：1 .深入理解石英晶体振荡器的工作原理，熟悉振荡器的构成和电路各元件的作用;2 .掌握振荡器的设计方法

3、及参数计算；3 .学会正弦波振荡器的调试。4 .2根本要求：1 .设计一个石英晶体振荡器；2 .研究电路的设计方法，完成电路参数计算；3 .进行电路调试。2设计思路本次设计首先以NPN型晶体管9013和标称频率为IOMHz的石英晶体为根底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拟之后，综合设计出一个并联的石英晶体正弦波振荡器，然后根据石英晶体振荡器的输出要求设计电路，然后根据电路图的根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调试，从而完成整个正弦波振荡器的设计。3.设计方框图振荡器电路属于一种信号发生器类型，即表

4、现为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。振荡器起振时是将电路自身噪声或电源跳变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长的，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，振荡器到达平衡，进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态后，直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。4.1.l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，通常接在反响电路中。图4-1和图4-2显示出了一串联型振荡器的实际路线和等效电

5、路。可以看出，如果将石英晶体短路，该电路即为电容反响的振荡器。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，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，是反响减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作。图4-1串联型晶体振荡器实际电路图4-2串联型晶体振荡器等效电路串联型晶体振荡器只能适应高次泛音工作，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。4.1.2并联型晶体振荡器c-b型并联晶体振荡器的典型电路如图4-3所示，振荡管的基极对高频接

6、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元件，振荡器的回路等效电路如图4-4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弱，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，电路容易满足振幅齐起振条件。图4-3c-b型并联晶体振荡器实际线路图4-4c-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4-5所示，该电路是一个双回路振荡器，它的固有谐振频率略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

7、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，石英晶体那么接在输入阻抗低的b-e之间，降低了石英晶体的标准性。其等效电路如图4-6所示。图4-5b-e型并联晶体振荡器实际电路图4-6b-e型并联晶体振荡器等效电路和一般1.C振荡器相比，石英晶体振荡器在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1.e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定在工作在这段线性范围内，也就是说，石英晶体在这个频率范围内具

8、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。而本次设计为并联谐振型晶体振荡器。元器件参数的计算a确定三极管静态工作点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，假设静态工作点的设置不当那么晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反响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Rl、R2、R4、W决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图4-7所示。图4-7直流通路等效电路高频振荡器的工作点要适宜，假设偏低、偏高都会使振荡波形产生严重失真，甚至停振。实际中取q2=055mA之间，假设取c0=2mA,Vceq=6V,那么有：vcc-

9、vceo(12-6)VR,+7?=-=3k()ICQ2mA为提高电路的稳定性，Re值可适当增大，取Re=lA,那么Rc=2H2,那么有：VEQ=ICQXRe=2mAXIkQ=2V()IBQ=ICQ/夕=1.-=O.033mA假设取流过Rb?的电60流”2为IolBQ，那么1.=IOIbq=033mA,那么取：Vbq=生一XVccVeq+0.7V=2V+0.7V=2.7V(4.1.3)Rbl+Rb227V(2=YBQllb2=8.22,Rhl=28.22()0.33/HA实际电路中，Rbl可用6.8A与50A电位器串联，Rb2可以取1OA,以便工作点的调整。b交流参数确实定对于振荡器，当电路接为

10、并联型振荡器时，晶体起到等效电感的作用，输出频率应为IOMHZ,那么由f=l211/记知负载电容C1.=33.3pF,即C2,C3,C4串联后的总电容为33.3pF,那么取C2=100pF,C3=100pF,C4=100pF,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扼流圈，一般取扼流圈1.l=IOUH。实验数据：(1)U4min=0.36V,U4max=6.IOV;(2)开关闭合时：fo=10.00173MHz,Uo=61.6mV;开关断开时：fo=10.00174MHz,Uo=63.5mV;实验结论：(1)由于石英晶体的等效电感非常大，故品质因数Q很大，所以石英晶体振荡电路有很高

11、的稳定性。(2)比照发现，负载变化对振荡频率影响很小，影响振荡频率的主要因素为温度。有3匕负载对频率的影响OFFR5f10.00173MHz10.00174MHz5.工作过程分析本次设计首先以NPN型晶体管9013和标称频率为IOMHz的石英晶体为根底设计并联型振荡器，通过12V的直流电源和调节100K的电位器W为三极管提供适宜的静态工作点，XI、C2、C3、C4组成振荡回路。Ql的集电极直流负载为R3,偏置电路由Rl、R2、W和R4构成，改变W可改变QI的静态工作点。静态电流的选择既要保证振荡器处于截止平衡状态也要兼顾开始建立振荡时有足够大的电压增益。振荡器的交流负载实验电阻为R5。闭合开关

12、J2时可以为电路提供直流电流，闭合开关Jl时用以研究改变负载对石英晶体振荡电路振荡频率的影响。6元器件清单石英晶体振荡器元器件名称型号数量备注电阻IOK1电阻5802电阻102电阻6.8K1电阻5101三极管90131电位器100K1电容100pF3石英晶体IOMHz1电感IOuH1开关27主要元器件介绍7.1石英晶体振荡器石英晶体振荡器是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，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。石英晶体振荡器的根本原理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

13、电效应制成的一种谐振器件，它的根本构成大致是：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。图2.1是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。图2.1金属外壳封装的石英晶体结构示意图。2、压电效应假设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，假设在晶片的两侧施加机械压力，那么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

14、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1.C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、符号和等效电路石英晶体谐振器的符号和等效电路如图2.2所示。当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C,它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个PF到几十PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感1.来等效。一般1.的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容C

15、来等效，C的值很小,一般只有0.0002O.lpF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100C。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大,可达100O10000。加上晶片本身的谐振频率根本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。符号电抗强里特性示意图图2.2石英晶体谐振器的符号和等效电路4、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1.、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1.、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一频率特性曲线如图2.2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fsVfVfd极窄的范围内，石英晶体呈感