課程設計----高頻晶體正弦波振蕩器

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　1 緒論2</b></p><p>　　2 設計內容及要求2</p><p>　　3 石英晶體特性簡介3</p><p>

2、　　3.1 壓電效應3</p><p>　　3.2 等效電路及電抗特性3</p><p>　　3.3 晶振的優(yōu)缺點4</p><p><b>　　4 晶體振蕩器4</b></p><p>　　4.1起振和穩(wěn)幅4</p><p>　　4.2 并聯(lián)型晶體振蕩器5</p>&l

3、t;p>　　4.3 串聯(lián)型晶體振蕩器6</p><p>　　4.3 輸出緩沖級7</p><p>　　4.4 晶體正弦波振蕩器原理圖及參數計算8</p><p><b>　　5 電路仿真10</b></p><p>　　5.1靜態(tài)工作點的測試10</p><p>　　5.2串聯(lián)型振

4、蕩器輸出測試10</p><p>　　5.3并聯(lián)型振蕩器輸出測試11</p><p>　　5.4實物制作與調試12</p><p>　　6 元器件清單14</p><p>　　7 總結與心得體會15</p><p><b>　　8 參考文獻16</b></p><p

5、><b>　　摘 要</b></p><p>　　石英晶體正弦波振蕩器簡稱晶振，是以高穩(wěn)定度、高Q值的石英諧振器替代LC振蕩器中震蕩回路的電感、電容元件而構成的自激正弦波振蕩器，它利用石英晶體的壓電效應實現機械能與電能的相互轉化。由于晶體振蕩器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點，被廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數據處理設

6、備產生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準信號。</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(lián)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><b>　　1 緒論</b></p><p

7、>　　石英晶體振蕩器是利用石英晶體即二氧化硅的結晶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。石英晶體振蕩器具有很好的標準性和極高的品質因素，因此利用石英晶體振蕩器作濾波原件構成的振蕩器，具有很高的頻率穩(wěn)

8、定度，采用高精度的穩(wěn)頻措施后，石英晶體振蕩器可以達到很好的頻率穩(wěn)定度。</p><p>　　本次設計通過對并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器各方面的比較，結合兩種電路得到我們需要的電路。</p><p><b>　　2 設計內容及要求</b></p><p><b>　　2.1設計目的</b></p><

9、;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(lián)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>　　2.2 設計任務及要求</p><p>　　根據已知條件，完成通過基于石英晶體的正弦波振蕩器的設計、連

10、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多功能正弦波振蕩器；</p><p>　?。?）額定電源電壓5.0V ，電流1～3mA; 輸出頻率 6 MHz；</p><p>　　（3）通過雙變跳線可構成克拉勃和西勒的串、并聯(lián)晶體振蕩器；</p><p>　?。?）有緩沖級，在100歐姆負載下，振蕩器輸

11、出電壓≥ 1 V (D-P)。</p><p>　　3 石英晶體特性簡介</p><p><b>　　3.1 壓電效應</b></p><p>　　晶體的基本特性是它具有壓電效應。依靠這種效應，可以將機械能轉變?yōu)殡娔?；反之，也可以將電能轉變?yōu)闄C械能。所謂壓電效應就是在石英晶體打兩個電極上加直流電場，晶體就會產生機械形變。反之，若在晶體的兩側施加

12、一機械壓力，則會在晶體相應的方向上產生電場，這種現象稱為壓電效應。若是晶體懶得兩級上叫交變激勵電壓，晶體就會產生機械振動，同樣晶片的機械振動又會產生交變電場。且當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率激勵下的振幅大得多，這種現象稱為壓電諧振。</p><p>　　3.2 等效電路及電抗特性</p><p>　　圖3-1是石英晶體諧振器的等效電路。圖中Co是靜電電容，代表

13、石英晶體支架靜電容量，一般為幾至幾百皮法；Lq是動態(tài)電感，相當于機械振動的慣性，一般以幾十毫亨至幾百亨；Cq是動態(tài)電容，相當于晶體的等效彈性模數，很小，一般以百分之幾皮法計；Rq是動態(tài)電阻。相當于晶體的的摩擦損耗，一般以幾至幾百歐計。易知：石英晶體的品質因數很高。</p><p>　　石英晶體諧振器有兩個諧振頻率,當L、C、R支路串聯(lián)諧振時，等效電路的阻抗最小，串聯(lián)諧振頻率為  fs=1/2π

14、，當等效電路并聯(lián)諧振時，諧振頻率為fp= fs，顯然，fs < fp，但由于C << C0，因此fs和fp兩個頻率非常接近。</p><p>　　圖3-1 晶體振蕩器的等效電路</p><p>　　通過石英晶體的等效電路，我們可以得到它的電抗-頻率特性曲線如圖3-2所示，當f＜fs或f> fp時，晶體諧振器顯容性；當f在fs和fp之間，晶體諧振器等效為一電感，f=

15、fs時，是串聯(lián)諧振點，等效阻抗最小；當f=fp時，是并聯(lián)諧振點，等效阻抗最大。</p><p>　　圖3-2 晶體的電抗特性曲線</p><p>　　3.3 晶振的優(yōu)缺點</p><p>　　優(yōu)點：使用石英晶體作為震蕩回路元件，能夠使振蕩器的頻率穩(wěn)定度大大提高，原因有三：石英晶體的物理特性和化學特性都十分穩(wěn)定，因此，它的等效諧振回路有很高的標準性。它具有正、反壓電

16、效應，而且在諧振頻率附近，晶體的等效參數L很大、C很小、R也不高，因此，晶體的Q值可高達數百萬數量級。在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻率內，具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對頻率變化具有極靈敏的補償能力。</p><p>　　缺點：石英晶體諧振器的主要缺點時它的單頻性，即每塊晶體只能提供一個穩(wěn)定的振蕩頻率，因而不能直接用于波段振蕩器。</p><p><b>　　4 晶體振蕩器

17、</b></p><p><b>　　4.1起振和穩(wěn)幅</b></p><p><b>　　4.1.1起振過程</b></p><p>　　在振蕩開始時，由于激勵信號較弱，輸出電壓的振幅比較小，此后經過不斷的放大與反饋循環(huán)，輸出幅度開始逐漸增大，為了維持這一過程，必須滿足AF≥l的要求。</p>

18、<p>　　4.1.2振幅的穩(wěn)定</p><p>　　振蕩器接通電源開始起振時，起始信號可能很弱。此時放大器工作在線性放大區(qū)，信號被放大，其振幅逐漸增加，反饋信號的振幅也隨之增加。促使它們不斷增大的因素是放大作用和正反饋。當振幅增大到某種程度后，由于二極管特性的非線性，晶體三極管工作范圍將超出放大區(qū)．進人飽和區(qū)或截止區(qū)。放大器的放大倍數將顯著下降，因而使輸出信號振幅的增大程度變緩。另一方面，能量的損耗也

19、會使輸出信號振幅的增大程度變緩。因為振蕩器所消耗的能量來自電源，故電路中所能取得的能量總是有限的。當振蕩器輸出信號的幅度加大時，其電路各部分的能量消耗也加大了（包括負載的功率輸出），由于能量的供給有限，使電路的輸出振幅不可能無限增大。所以振蕩器的振幅只能增大到某種程度，此后形成等幅振蕩波形輸出。</p><p>　　4.2 并聯(lián)型晶體振蕩器</p><p>　　這類晶體振蕩器的振蕩原理和一

20、般反饋式LC振蕩器相同，只是把晶體置于反饋網絡的振蕩回路之中，作為一個感性元件，并與其他回路元件一起按照三端電路的基本準則組成三端振蕩器。根據這種原理，常用的有兩種基本類型：c-b型電路和b-e型電路。</p><p>　　4.2.1 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器</p><p>　　c-b型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖4-1所示，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是位于

21、回路的另外兩個電抗元件，振蕩器的回路等效電路如圖4-2所示，它類似于克拉潑振蕩器。</p><p>　　圖4-1 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器實際線路 圖4-2 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器等效線路</p><p>　　4.2.2 b-e型并聯(lián)晶體振蕩器</p><p>　　b-e型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖4-3所示，該電路晶體接在基極和發(fā)射極之間，當晶體呈感性，

22、即并聯(lián)使用，且LC并聯(lián)回路也呈感性時，滿足電感三點式組成，電路的輸出信號較大。其等效電路如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-3 b-e型并聯(lián)晶體振蕩器實際電路 圖4-4 b-e型并聯(lián)晶體振蕩器等效電路</p><p>　　4.3 串聯(lián)型晶體振蕩器</p><p>　　在串聯(lián)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。圖4-5和圖

23、4-6顯示出了一串聯(lián)型振蕩器的實際路線和等效電路?？梢钥闯觯绻麑⑹⒕w短路，該電路即為電容三點式振蕩器。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(lián)諧振頻率時，晶體的阻抗最小，近似為一短路線，電路滿足相位條件和振幅條件振蕩器的工作頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率，故能正常工作；當回路的諧振頻率距串聯(lián)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>　　

24、圖4-5 串聯(lián)型晶體振蕩器實際電路 圖4-6 串聯(lián)型晶體振蕩器等效電路</p><p><b>　　4.3 輸出緩沖級</b></p><p>　　常用的輸出緩沖級是在電路的輸出端加一射極跟隨器，從而提高回路的帶負載能力。射極跟隨器的特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大倍數略低于1，帶負載能力強，具有較高的電流放大能力，它可以起到阻抗變換和極間隔離的作用，因

25、而可以減小負載對于振蕩回路的影響，射極跟隨器的典型電路如圖4-7所示。</p><p>　　圖4-7 輸出緩沖級電路</p><p>　　4.4 晶體正弦波振蕩器原理圖及參數計算</p><p>　　4.4.1電路原理圖</p><p>　　圖 4-8 晶體振蕩器總原理圖</p><p>　　從圖4-8中可以看到：R

26、1、R2：為三極管Q1提供偏置電壓。</p><p>　　R8：改變阻值的大小可以改變Q1的靜態(tài)工作點。</p><p>　　C1：用于在振蕩器起振時將R2短路從而可以是振蕩器可以正常的振蕩。</p><p>　　C2、C3：組成反饋分壓，用于為振蕩器提供反饋信號。</p><p>　　ZL1、ZL2：為高頻扼流圈，目的是防止高頻信號流經電源

27、。</p><p>　　C6、C7、C8、C9為高頻旁路電容，濾除高頻部分。</p><p>　　Q2連接成射極跟隨器，用于提高系統(tǒng)的帶負載能力。</p><p>　　J1上端打開時，J2斷開時振蕩器為串聯(lián)型晶體振蕩器，此時晶體相當于選頻短路線；當J1下端打開，J2接通時振蕩器為并聯(lián)型晶體振蕩器，此時晶體相當于一等效電感。</p><p>　

28、　4.4.2 元件參數的計算</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法工作的。振蕩器主電路的靜態(tài)工作點主要由R1、R2、R3、R8決定，將電感短路，電容斷路，得到直流通路如圖4-9所示。</p><p>　　圖4-9 直流通路等效電路<

29、;/p><p>　　如圖4-9所示，其中V1=5V，要使三極管滿足起振條件，則靜態(tài)時它應工作在放大區(qū)，故R3兩端電壓應大于0.7V，一般情況下發(fā)射極電流為mA級，基極電流uA級。不妨取R1=R3=5.1KΩ，R2=400Ω，β=45則Vb=2.5V，Ie=4.5mA,Ib=100uA,符合射級要求。為了調節(jié)方便，在R1處在串聯(lián)一電位器，最大阻值為10K。對于振蕩器，當該電路接為串聯(lián)型振蕩器時，晶體起到選頻短路線的作用

30、，輸出頻率應為10MHZ，不妨取L1=1uH,則由f0=2π回路總電容C=253.3pF，即C2，C3串聯(lián)后的總電容為253.3 pF，則取C2=300pF，C3=1600pF.為了便于調節(jié)C2由一定值電阻和可變電阻并聯(lián)而成。當該電路接為并聯(lián)型振蕩器時，晶體起到等效電感的作用，此時工作頻率介于兩諧振頻率之間。同時為了提高振蕩器的帶負載能力，應附加一個緩沖輸出級，本設計中使用的是一個射級跟隨器，其各參數如圖4-8所示。為了提高振蕩器的工作

31、性能和穩(wěn)定度，在電路中還應有高頻電源去耦電容和高頻扼流圈，一般取電解電容C=100nF，瓷片電容C=10 nF，扼流圈L=330mH。</p><p><b>　　5 電路仿真</b></p><p>　　5.1靜態(tài)工作點的測試</p><p>　　根據設計好的靜態(tài)工作點的電路圖，在Multisim軟件中分別在晶體管Q1、Q2的b、e、c三端接

32、入示波器，觀察靜態(tài)時各極上的電壓。測量結果如表5-1所示。</p><p>　　表5-1 靜態(tài)工作時各極電壓</p><p>　　根據表5-1中的數據可以看出，Q1、Q2均工作在放大狀態(tài)，滿足起振條件，該電路的靜態(tài)工作點符合要求。</p><p>　　5.2串聯(lián)型振蕩器輸出測試</p><p>　　在Multisim軟件環(huán)境下進行仿真，此時開

33、關J1上端接通，下斷開，J2全部斷開，形成串聯(lián)型振蕩器，為了便于觀察振蕩器工作時各部分電路的工作情況，分別在振蕩器輸出端和緩沖級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，仿真波形如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1串聯(lián)型振蕩器輸出波形</p><p>　　從圖5-1中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為Vo=1.34V，輸出頻率f=6.38MHZ，波形有較小的

34、失真，這是由于元件參數的精度較低導致的，該振蕩器的設計符合設計要求。</p><p>　　5.3并聯(lián)型振蕩器輸出測試</p><p>　　在Multisim軟件環(huán)境下進行仿真，此時開關J1上端斷開，下端接通，J2接通，形成并聯(lián)聯(lián)型振蕩器，為了便于觀察振蕩器工作時各部分電路的工作情況，分別在振蕩器輸出端和緩沖級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，仿真波形如圖5-2

35、所示。</p><p>　　圖5-2 并聯(lián)型振蕩器輸出波形</p><p>　　從圖5-2中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為Vo=1.46V，輸出頻率f=6.69MHZ波</p><p>　　形有較小的失真，這是由于元件參數的精度較低導致的，該振蕩器的設計符合設計要求。</p><p>　　5.4實物制作與調試</p>&l

36、t;p><b>　　圖5-3實物圖</b></p><p><b>　　調制波形:</b></p><p>　　圖5-4克拉潑振蕩電路輸出波形</p><p>　　圖5-5西勒振蕩器輸出波形</p><p>　　圖5-6石英晶體振蕩器輸出波形</p><p><b

37、>　　6 元器件清單</b></p><p><b>　　7 總結與心得體會</b></p><p>　　這次課程設計歷時一個星期多左右，通過這一個星期的學習，發(fā)現了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，理論知識還不夠扎實。 </p><p>　　這次的課程設計也讓我看到了個人力量的渺小，我認為一個人工作是很艱難的工作，自己犯了

38、錯誤是很難發(fā)現的，只有等到做完在同學們檢查以后才知道還有許多不足之處。我需要團隊，需要合作，需要幫助。</p><p>　　剛開始的時候，按照老師給的任務書，去找了資料，后來又積極的查詢了相關資料，自己就動手開始一星期的設計。在課程設計中一個人知識的有限性往往是導致最終設計的片面，甚至是失敗。而這次設計也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。</p><p>　　在這個過程中，我也曾經因為

39、無從下手，對設計問題的迷茫而失落過，也曾經為成功的畫了一個原理圖而熱情高漲過。生活就是這樣，汗水預示著結果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。雖然這只是一次的極簡單的課程設計，可是平心而論，也耗費了我不少的心血，這就讓我不得不佩服技術編書方面前輩，讓我意識到老一輩對我們社會的付出是艱辛的。</p><p>　　通過這次課程設計，我想說：為完成這次課程設計我們確實很辛苦，但苦中仍有樂，和自己的這一星期一

40、起面對，和同學們一起忙碌的日子，讓我們相互幫助，多少人間歡樂在這里灑下。</p><p>　　對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。讓我知道了學無止境的道理。我們每一個人永遠不能滿足于現有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你。挫折是一份財富，經歷是一份擁有。這次課程設計將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！最后，我要感謝我的高頻老師，謝謝老師這一學期來對我的教導。</p&

41、gt;<p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 劉騁．高頻電子技術．北京：人民郵電出版社，2006.5． </p><p>　　[2] 劉泉．通信電子線路．北京：高等教育出版社，2005.5．</p><p>　　[3] 康華光 《電子技術基礎（模擬部分）》 高等教育出版社 2005.12．</p

42、><p>　　[4] 高吉祥．高頻電子線路．北京：電子工業(yè)出版社，2005.7．</p><p>　　[5] 張肅文．高頻電子線路．北京：高等教育出版社，2004.8．</p><p>　　本科生課程設計成績評定表</p><p>　　指導教師簽字： </p><p>　　年 月