高頻課程設計---石英晶體振蕩器

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　石英晶體具有正反壓電效應。當晶體幾何尺寸和結構一定時，它本身有一個固有的機械振動頻率。當外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時，晶體片的機械振動最大，晶體表面電荷量最多，外電路中的交流電流最強，于是產生了諧振。</p><p>　　本設計對利用石英晶體構成正弦波的振蕩器的方法做了較深入的研究，對振蕩器的原

2、理及石英晶體振蕩器原理做了詳細的介紹并通過Multisim 軟件設計、仿真出串并聯可交換的石英晶體振蕩器，最后按照原理圖進行實物的連接、調試和參數的計算。</p><p>　　關鍵詞：石英晶體；振蕩器；Multisim仿真</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Quartz crystal oscillato

3、r is a high precision and high stability of the oscillator, is widely used in color television sets, computers, remote controls and other kinds of oscillator circuits, and communications systems for the frequency generat

4、or, generate the clock for the data-processing equipment signal and reference signals for a particular system. Quartz resonators for very high frequency stability, it is mainly used in the required oscillation frequency

5、is very stable as resonant circuit e</p><p>　　This design constitutes a sine wave on the use of quartz crystal oscillator method to do a more in-depth research on the oscillator principle and principle of qu

6、artz crystal oscillators made a detailed introduction and adoption of Multisim software design, simulation a commutative series-parallel quartz crystal oscillator, and finally in accordance with the schematic diagram for

7、 physical connections, debugging and parameter calculation.</p><p>　　Keywords：Crystal；Oscillator；Multisim Simulation</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第1章 緒論、設計內容及要求………………………

8、…..……………………1</p><p>　　1.1.1緒論…………………………………………….……………………...1</p><p>　　1.1.2設計任務及要求…………………………….………………………...1</p><p>　　1.2設計思路……………………………………………………………………1</p><p>　　1.3振蕩器的分

9、類………………………………………………………………1</p><p>　　1.4.1自激振蕩的產生…………………………………………………………2</p><p>　　1.4.2產生振蕩的條件…………………………………………………………2</p><p>　　第2章 石英晶體特性簡介及晶體正弦波振蕩器的設計…………....……….3</p><p

10、>　　2.1.1 石英晶體特性簡介………………………………………………………3</p><p>　　2.1.2 設計框圖…………………………………………………………………3</p><p>　　2.2 各部分電路的設計……………………………………………………….3</p><p>　　2.2.1 串聯型晶體振蕩器………………………………………………………4&

11、lt;/p><p>　　2.2.2 并聯型晶體振蕩器………………………………………………………4</p><p>　　2.3 電路參數的設計……………………………………………………………6</p><p>　　第3章 電路仿真與硬件調試…………………………………………………….8</p><p>　　3.1 石英諧振放大電路仿真圖及元件列表…

12、……………………………….8</p><p>　　3.2 仿真與實物………………………………………………………………10</p><p>　　結束語………………………………………………………………………………13</p><p>　　致謝………………………………………………………………………………..14</p><p>　　參考文獻………

13、……………………………………………………………………15</p><p>　　附錄…………………………………………………………………………………16</p><p>　　第一章 緒論、設計內容及要求</p><p><b>　　1.1.1 緒論</b></p><p>　　石英晶體振蕩器是利用石英晶體即二氧化硅的結晶

14、體的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應。利用這種特性，就可以用石

15、英諧振器取代LC諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點，被應用于家用電器和通信設備中。</p><p>　　本次設計介紹了振蕩器的工作原理和石英晶體的特性，通過對石英晶體振蕩電路的設計分析，進行了電路仿真并作出了實際電路。</p><p>　　1.1.2 設計任務及要求</p><p>　　根據已知條件，完成通過基于石英

16、晶體的正弦波振蕩器的設計、連接與仿真。該振蕩器須符合以下要求： </p><p>　?。?）采用晶體三極管構成一個正弦波振蕩器；</p><p>　　（2）額定電源電壓12.0V ，電流1～3mA; 晶振頻率 11MHz；</p><p>　?。?）輸出信號幅度≥0.5V（峰-峰值），可調 </p><p><b>　　1.2 設

17、計思路</b></p><p>　?。?）掌握高頻電子電路的基本設計能力及基本調試能力，并在此基礎上設計一個通過跳線可實現串并聯變換的晶體正弦波振蕩器。</p><p>　?。?）提高電子電路的理論知識及較強的實踐能力，能夠正確使用實驗儀器進行電路的調試與檢測。 </p><p>　　1.3 振蕩器的分類</p><p>　　振

18、蕩器用于產生一定頻率的幅度的信號，它不需要外加輸入信號的控制，就能自動地將直流電能轉換為所需的交流能量輸出。振蕩器在現代科學技術領域中有著廣泛的應用，例如，在無線電通信、廣播、電視設備中用來產生所需要的載波和本機振蕩信號；在電子測量儀器中用來產生各種頻段的正弦信號等。振蕩器的類型繁多，按照振蕩過程是否依賴于外部激勵信號的參與，可以分為他激振蕩器和自激振蕩器；按照波形分類有正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器；按照振蕩器振蕩頻率的高低，可以分為低

19、頻振蕩器、高頻振蕩器、超高頻振蕩器等；按照振蕩器的選頻元件分類，則有RC振蕩器、LC振蕩器、石英晶體振蕩器等。</p><p>　　1.4.1 自激振蕩的產生</p><p>　　如果在放大器的輸入端不加輸入信號，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號，這種現象叫做自激振蕩?！?lt;/p><p>　　產生自激振蕩必須同時滿足兩個條件：　　</p><

20、;p>　　幅度平衡條件|AF|=1　</p><p>　　相位平衡條件φT=φA+φF=2nπ（n=0,1,2,3···）　同時起振必須滿足|AF|略大于1的起振條件 。</p><p>　　1.4.2產生振蕩的條件</p><p>　　當反饋信號uf等于放大器的輸入信號ui時，振蕩電路輸出電壓不會再發(fā)生變化，電路達到平衡狀態(tài)，將

21、f =i稱為振蕩的平衡條件。根據圖3.2.1可知，放大器開環(huán)電壓放大倍數和反饋網絡的電壓傳輸系數分別為</p><p>　　=o/i； =f/o （3.2.1）</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　f=o =i

22、 (3.2.2)</p><p>　　由此可得，振蕩的平衡條件為</p><p>　　==∣∣ej(ψa+ψf)=1 (3.2.3)</p><p>　　可見，振蕩的平衡條件應包括振幅平衡條件和相位平衡條件</p><p>　　T=a+f=2n(n=0,1,2,…)

23、 (相位平衡條件)</p><p>　　T=∣∣=1 (振幅平衡條件)</p><p>　　但是為使振蕩器的輸出振蕩電壓在接通直流電源后能夠由小增大直到平衡，則要求在振蕩幅度由小增大時，反饋電壓相位必須與放大器輸入電壓同相，反饋電壓幅度必須大于輸入電壓的幅度，即</p><p>　　T=

24、a+f=2n(n=0,1,2,…) （3.2.4）</p><p>　　T=∣AF∣>1 （3.2.5）</p><p>　　式（3.2.4）稱為相位起振條件，式（3.2.5）稱為振幅起振條件。</p><p>　　綜上所述，反饋振蕩器既要滿足

25、起振條件，又要滿足平衡條件。</p><p>　　第2 章 石英晶體特性簡介及晶體正弦波振蕩器的設計</p><p>　　2.1.1 石英晶體特性簡介 </p><p>　　石英晶體特晶振全稱為晶體振蕩器，其作用在于產生原始的時鐘頻率，這個頻率經過頻率發(fā)生器的放大或縮小后就成了電腦中各種不同的總線頻率。以聲卡為例，要實現對模擬信號44.1kHz或48kHz的采

26、樣，頻率發(fā)生器就必須提供一個44.1kHz或48kHz的時鐘頻率。如果需要對這兩種音頻同時支持的話，聲卡就需要有兩顆晶振。但是娛樂級聲卡為了降低成本，通常都采用SRC將輸出的采樣頻率固定在48kHz，但是SRC會對音質帶來損害，而且現在的娛樂級聲卡都沒有很好地解決這個問題。 晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機電器件，是用電損耗很小的石英晶體經精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個很重要的特性，如果給它通電，它就會產生機械振蕩，

27、反之，如果給它機械力，它又會產生電，這種特性叫壓電效應。他們有一個很重要的特點，其振蕩頻率與他們的形狀，材料，切割方向等密切相關。由于石英晶體化學性能非常穩(wěn)定，熱膨脹系數常小，其振蕩頻率也非常穩(wěn)定，由于控制幾何尺寸可以做到很精密，因此，其諧振頻率也很準確。根據石英晶體的機電效應，我們可以把它等效為一個電磁振蕩回路，即諧振回路。他們的機電效應是機-電-機-電..的不斷轉換</p><p>　　2.1.2 設計框圖&

28、lt;/p><p>　　2.2 各部分電路的設計</p><p>　　蕩器電路屬于一種信號發(fā)生器類型，即表現為沒有外加信號的情況下能自動生成具有一定頻率、一定波形、一定振幅的周期性交變振蕩信號的電子線路。振蕩器起振時是將電路自身噪聲或電源跳變中頻譜很廣的信號進行放大選頻。此時振蕩器的輸出幅值是不斷增長的，隨著振幅的增大，放大器逐漸由放大區(qū)進入飽和區(qū)或者截止區(qū)，其增益逐漸下降，當放大器增益下降

29、而導致環(huán)路增益下降到1時，振幅的增長過程將停止，振蕩器達到平衡，進入等幅振蕩狀態(tài)。振蕩器進入平衡狀態(tài)后，直流電源補充的能量剛好抵消整個環(huán)路消耗的能量。</p><p>　　2.2.1 串聯型晶體振蕩器</p><p>　　在串聯型晶體振蕩器中，晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點之間，通常接在反饋電路中。電路的實際工作原理為：當回路的諧振頻率等于晶體的串聯諧振頻率時，晶體的阻抗最小，近似為一短

30、路線，電路滿足相位條件和振幅條件，故能正常工作；當回路的諧振頻率距串聯諧振頻率較遠時，晶體阻抗增大，是反饋減弱，從而使電路不能滿足振幅條件，電路不能正常工作。</p><p>　　2.2.2 并聯型晶體振蕩器</p><p>　　c-b型并聯晶體振蕩器的典型電路如圖示，振蕩管的基極對高頻接地，晶體接集電極與基極之間，C2和C3位于回路的另外兩個電抗元件，振蕩器的回路等效電路如圖示，它類似

31、于克拉潑振蕩器，由于Cq非常小，因此，晶體振蕩器的諧振回路與振蕩管之間的耦合電容非常弱，從而使頻率穩(wěn)定度大大提高。由于晶體的品質因數很高，故其并聯諧振阻抗也很高，雖然接入系數很小，但等效到晶體管CE兩端的阻抗仍很高，因此放大器的增益高，電路易滿足振幅齊起振條件。</p><p>　　圖3、c-b型并聯晶體振蕩器實際電路 圖4、c-b型并聯晶體振蕩器等效電路</p><p

32、>　　b-e型并聯晶體振蕩器的典型電路如圖所示，該電路是一個雙回路振蕩器，它的固有諧振頻率略高于振蕩器的工作頻率，負載回路選用的是并聯諧振回路，可以抑制其他諧波，有利于改善輸出波形，并且電路的輸出信號較大，但頻率穩(wěn)定度不如b-c型振蕩電路，因為在b-e型電路中，石英晶體則接在輸入阻抗低的b-e之間，降低了石英晶體的標準性。其等效電路如圖所示</p><p>　　圖5、b-e型并聯晶體振蕩器實際電路

33、 圖6、b-e型并聯晶體振蕩器等效電路 </p><p>　　綜合上述所得，本次設計采用c-b型并聯晶體振蕩電路。</p><p>　　2.3 電路參數的設計</p><p>　　正確的靜態(tài)工作點是振蕩器能夠正常工作的關鍵因素，靜態(tài)工作點主要影響晶體管的工作狀態(tài)，若靜態(tài)工作點的設置不當則晶體管無法進行正常的放大，振蕩器在沒有對反饋信號進行放大時是無

34、法工作的。振蕩器主電路的靜態(tài)工作點主要由R1、R2、R4、R3決定，將電感短路，電容斷路，得到直流通路</p><p>　　圖7、石英諧振器電路符號和等效電路及電抗曲線</p><p>　　圖8、一級電路仿真電路圖</p><p>　　靜態(tài)工作點的確定： </p><p>　　高頻振蕩器的工作點要合適，若偏低、偏高都會使振蕩波形產生嚴重失

35、真，甚至停振。實際中取I cq=0.5~5mA之間，若取 I cq=2mA，Vceq=2V β=120，則有：</p><p>　　Re+Rc=（Vcc-Vce）/Icq=5k?</p><p>　　為提高電路的穩(wěn)定性，Re值可適當增大，取Re=2k?，則Rc=3.3k?，則有：</p><p>　　Veq=Icq*Re=2mA*3k?=6V</p>

36、<p>　　Ibq=Icq/β=1/60mA</p><p>　　若取流過Rb2的電流Ib2為10 Ibq，則Ib2=10Ibq=1/6mA</p><p>　　Vbq=[Rb2/(Rb1+Rb2)]*Vcc=Veq+0.7=6.7V</p><p>　　Rb2=Vbq/Ib2=6.7*6=40.6k?</p><p>　　Rb1

37、=21.5K?</p><p>　　實際電路中，Rb1可用50k?電位器，Rb2可以取33k?，以便工作點的調整</p><p><b>　　交流參數的確定：</b></p><p>　　對于振蕩器，當電路接為并聯型振蕩器時，晶體起到等效電感的作用，輸出頻率應為11MHZ，則由F0=1/2π可得負載電容CL=49PF即取CL=50PF。<

38、/p><p>　　第3章、電路仿真與硬件的調試</p><p>　　根據設計好的電路圖，在Multisim軟件環(huán)境下進行仿真，在振蕩器輸出端接入示波器觀察波形，記錄示波器上顯示的輸出振幅和輸出頻率。</p><p><b>　　電路圖：</b></p><p>　　圖9、石英諧振放大電路仿真圖</p><

39、p><b>　　元件列表：</b></p><p><b>　　仿真波形圖：</b></p><p><b>　　實物照片：</b></p><p><b>　　實物波形圖</b></p><p><b>　　結束語</b>&l

40、t;/p><p>　　通過本次課程設計使自己進一步熟悉、掌握高頻課程設計原理與基本知識；綜合訓練自己掌握高頻課程設計所需電子元件的原理和選擇，從而初步學會從分析到調試的基本過程、方法和思路，為今后的設計積累經驗。從做設計的過程中掌握并運用以前所學的知識，提高自學能力和獨立思考解決問題的能力。同時使我所學的知識得以運用。</p><p>　　同時，在進行課程設計的過程中，應該充分調動團隊的熱情，

41、多作協調和溝通，讓每一個組員的智慧發(fā)揮到極致。</p><p>　　本次課程設計還有很多不足之處，懇請老師批評指正。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本課程設計是在xx老師的親切關懷和悉心指導下完成的。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹的治學精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。xx老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，