基于某石英晶體的正弦波振蕩器設計報告材料的

1、實用標準文案課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： _指導教師：工作單位： 信息工程學院題目一：高頻石英晶體正弦波振蕩器初始條件：具較扎實的電子電路的理論知識及較強的實踐能力；對電路器件的選型 及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設計能力及基本 調試能力；能夠正確使用實驗儀器進行電路的調試與檢測。要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、采用晶體三極管構成一個多功能正弦波振蕩器；2、額定電源電壓5.0V，電流13mA;輸出頻率10 MHz ；3、通過跳線可構成串、并聯(lián)晶體振蕩器；4、有緩沖級，在100歐姆負載下，振蕩器輸出電壓 1 V （

2、D-P）;5、完成課程設計報告（應包含電路圖，清單、調試及設計總結）。時間安排：二十周一周，其中4天硬件設計與制作，3天調試及答辯。指導教師簽名：年月日系主任（或責任教師）簽名：年月日目錄摘要.AbstractII1緒論1.2設計內容及要求1.2.1設計目的及主要任務 12.1.1設計目的12.1.2設計任務及要求 12.2設計思想23石英晶體特性簡介 2.3.1物理特性23.2等效電路及阻抗特性 23.3晶體諧振器的應用 34晶體正弦波振蕩器的設計 3.4.1串聯(lián)型晶體振蕩器 44.2并聯(lián)型晶體振蕩器 54.2.1 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器54.2.2 b-e型并聯(lián)晶體振蕩器 64.3輸出緩沖

3、級設計 74.4晶體振蕩器設計總原理圖 74.4.1電路原理圖的設計 74.4.2 元件參數(shù)的計算 85電路仿真與硬件調試 9.5.1電路仿真95.1.1靜態(tài)工作點的測試 95.1.2串聯(lián)型振蕩器輸出測試 105.1.3并聯(lián)型振蕩器輸出測試 115.2硬件調試116元器件清單1.37總結與心得體會.14參考文獻1.5精彩文檔石英晶體振蕩器是一種高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，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(shù)據(jù)處理設備產生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準信號。石英諧振器因具有極高的頻率穩(wěn)定性，故主要用在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件，如彩電的色副

4、載波振蕩器、電子鐘表的時基振蕩器及游戲機中的時鐘脈沖振蕩器等，石英晶體成本較高， 故在要求不太高的電路中一般采用陶瓷諧振元件。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(shù)的計算。關鍵詞：晶體；振蕩器；串并聯(lián)；Multisim仿真；AbstractQuartz crystal oscillator is a high precision and high stability of the oscillator, is wid

5、ely used in color television sets, computers, remote controls and other kinds of oscillator circuits, and com muni catio ns systems for the freque ncy gen erator, gen erate the clock for the data-process ing equipme nt sig nal and refere nee sig nals for a particular system. Quartz res on ators for

6、very high frequency stability, it is mainly used in the required oscillation frequency is very stable as resonant circuit elements such as color TV color subcarrier oscillator, electronic watches and games when the base of the clock oscillator pulse oscillators, quartz crystal high cost, it is not t

7、oo high in the required circuit comp onents gen erally use ceramic res on ators.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 quartz crystal oscillators made a detailed introduction and a

8、doption of Multisim software design, simulation a commutative series-parallel quartz crystal oscillator, and fin ally in accorda nee with the schematic diagram for physical connections, debuggi ng and parameter calculati on.Keywords: Crystal; Oscillator； Series-parallel; Multisim Simulation ；1緒論石英晶體

9、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。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

10、家用電器和通信設備中。本次設計給出了兩種較為實用的晶體振蕩器電路，對這兩種電路做了各方面的比較， 并對振蕩器的輸出特性做了細致的測試。2設計內容及要求2.1設計目的及主要任務2.1.1設計目的(1) 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(xiàn)串并聯(lián)變換的晶體正弦波振蕩器。(2) 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。2.1.2設計任務及要求根據(jù)已知條件，完成通過基于石英晶體的正弦波振蕩器的設計、連接與仿真。該振蕩 器須符合以下要求：(1) 采用晶體三極管構成一個多功能正弦波振蕩器；(2) 額定電源電壓5.0V

11、，電流13mA;輸出頻率10 MHz ;(3) 通過跳線可構成串、并聯(lián)晶體振蕩器；(4) 有緩沖級，在100歐姆負載下，振蕩器輸出電壓1 V (D-P)。2.2設計思想本次設計首先以NPN型晶體管2N2222和10M石英晶體為基礎分別設計出不同形式 的串并聯(lián)型振蕩器，通過對各種不同形式的串聯(lián)型振蕩器和并聯(lián)型振蕩器做出比較之后， 綜合設計出一個通過跳線可實現(xiàn)串并聯(lián)轉換的石英晶體正弦波振蕩器，然后根據(jù)石英晶體 振蕩器的輸出要求設計出對應的緩沖輸出級，將兩部分連接之后根據(jù)電路圖的基本形式和 設計的要求計算出各元件的參數(shù)和性能要求。根據(jù)仿真后的電路原理圖進行實物的連接和 調試，從而完成整個正弦波振蕩器

12、的設計。3石英晶體特性簡介3.1物理特性石英晶體諧振器是由天然或人工生成的石英晶體切片制成。石英是二氧化硅，在自然 界中以六角錐體出現(xiàn)，常用的石英晶體是壓電石英，它是一種各向異性的結晶體，振蕩器 中所用的石英片或石英棒都是按一定的方位從石英晶體中切割出來的。在晶體的兩面制作 金屬電極，并與底座的插座相連，最后以金屬殼封裝或玻璃殼封裝，成為晶體諧振器。石英晶體之所以能夠成為電的諧振器，是由于它具有壓電效應。所謂壓電效應，就是 當晶體受外力的作用而變形時，就在它對應的表面上產生正、負電荷，呈現(xiàn)出電壓。如果 在晶體振子板極上施加交變電壓，就會是晶片產生機械變形振動。此現(xiàn)象即所謂逆壓電效 應。當外加電

13、壓頻率等于晶體振蕩器的固有頻率時就會發(fā)生壓電諧振，從而導致機械變形 的振幅突然增大。對于一定形狀和尺寸的某一晶體，它既可以在某一基頻上諧振，也可以 在某一高次諧波上諧振。通常把利用晶片基頻共振的諧振器稱為基頻諧振器，頻率用KHZ 表示。把利用晶片諧頻共振的諧振器稱為諧頻諧振器，頻率用MHZ表示。3.2等效電路及阻抗特性圖3-1是石英晶體諧振器的等效電路。圖中Co是晶體作為電介質的靜電容，其數(shù)值一 般為幾個皮法到幾十皮法。Lq、Cq、q是對應于機械共振經壓電轉換而呈現(xiàn)的電參數(shù)。q是機械摩擦和空氣阻尼引起的損耗。由圖3-1可以看出，晶體振蕩器是一串并聯(lián)的振蕩回路，其串聯(lián)諧振頻率fq和并聯(lián)諧振頻率f

14、0分別為fq=1/2n LqCq，fo= fq . 1 Cq/Co圖3-1晶體振蕩器的等效電路當Wv Wq或W Wo時，晶體諧振器顯容性；當W在Wq和Wo之間，晶體諧振器等效 為一電感，而且為一數(shù)值巨大的非線性電感。 由于Lq很大，即使在Wq處其電抗變化率也 很大。其電抗特性曲線如圖 3-2所示。實際應用中晶體工作于 WqWo之間的頻率，因而呈現(xiàn)感性。圖3-2晶體的電抗特性曲線3.3晶體諧振器的應用晶體諧振器主要應用于晶體振蕩器中。 振蕩器的振蕩頻率決定于其振蕩回路的頻 率。由于晶體振蕩器的輸出頻率具有很高的穩(wěn)定度，因此它主要有以下應用：通用晶體振蕩器，用于各種電路中，產生振蕩頻率；時鐘脈沖用

15、石英晶體諧振器， 與其它元件配合產生標準脈沖信號， 廣泛用于數(shù)字電路中；微處理器用石英晶體諧振 器；CTVVTR用石英晶體諧振器；鐘表用石英晶體振蕩器。4晶體正弦波振蕩器的設計振蕩器電路屬于一種信號發(fā)生器類型，即表現(xiàn)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

16、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。4.1串聯(lián)型晶體振蕩器在串聯(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4-1和圖4-2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?，如果將 石英晶體短路，該電路即為電容反饋的振蕩器。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，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。主C3圖4-1串聯(lián)型晶體振蕩器實際電路圖4-2串聯(lián)型晶體振蕩器等

17、效電路串聯(lián)型晶體振蕩器只能適應高次泛音工作，這是由于晶體只起到控制頻率的作用，對 回路沒有影響，只要電路能正常工作，輸出幅度就不受晶體控制。4.2并聯(lián)型晶體振蕩器421 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器c-b型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖 4-3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4-4 所示，它類似于克拉潑振蕩器，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(shù)很高，故其并 聯(lián)諧振阻抗也很高，雖然接入系數(shù)很小，但等效到晶體管CE兩端的阻抗仍很高，因此

18、放大器的增益高，電路容易滿足振幅齊起振條件。圖4-3 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器實際線路圖4-4 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器等效線路422 b-e型并聯(lián)晶體振蕩器b-e型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖 4-5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(lián)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4-6所示。1=pC1:4 :mnxi/YXYX-Q1.VCCZZC2圖4-5 b-e型并聯(lián)晶體振蕩

19、器實際電路圖4-6 b-e型并聯(lián)晶體振蕩器等效電路和一般LC振蕩器相比，石英晶體振蕩器在外界因素變化而影響到晶體的回路固有頻率時，它還具有使頻率保持不變的電抗補償能力，原因是石英晶體諧振器的等效電感Le與普通電感不同，當頻率由 Wq變化到Wo時，等效電感值將由零變到無窮大，這段曲線 十分陡峭，而振蕩器又剛好被限定在工作在這段線性范圍內，也就是說，石英晶體在這個頻率范圍內具有極陡峭的相頻特性曲線，因而它具有很高的電感補償能力4.3輸出緩沖級設計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(shù)略低于1,帶負載能力強,具

20、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。:R rLS?: -一 KI!.I V -9-SU1 -rLlG 41VGGn1圖4-7輸出緩沖級電路輸出緩沖級主要完成對所產生的振蕩信號進行輸出，不管是并聯(lián)諧振正弦波晶體電路 還是串聯(lián)諧振晶體電路，它們的帶負載都不是很強，負載值改變時可能造成振蕩器的輸出 頻率變化，也可能影響振蕩器的輸出幅度，輸出緩沖級的作用就是提高整個振蕩器的帶負 載能力，即使振蕩器的輸出特性不受負載影響，或影響較小。4.4晶體振蕩器設計總原理圖4.4.1電路原理圖的設計根據(jù)設計要求，該晶體

21、振蕩器通過跳線能夠實現(xiàn)串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振晶體振蕩器的轉 換，通過比較并聯(lián)諧振晶體振蕩器和串聯(lián)諧振晶體振蕩器的原理可以發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)型晶體振 蕩器同c-b型并聯(lián)晶體振蕩器結構類似，二者同為電容三點式反饋振蕩器。晶體在并聯(lián)和 串聯(lián)振蕩器方式下作用不同，在并聯(lián)方式下，要求晶體工作于感性區(qū)，其等效電感與外部 電容構成振蕩回路，該回路滿足電容三點式條件，而在串聯(lián)諧振振蕩器中晶體則充當選頻短路線作用，因晶體Q值很高，通頻帶很窄，而頻率選擇性很高，可以從振蕩回路中選出 頻率為晶體振蕩頻率的諧波，反饋至振蕩器的輸入，從而使振蕩器輸出頻率穩(wěn)定的正弦波 若將晶體短路，貝皿路變成電容三點式振蕩器，并且可以正常起振。依據(jù)

22、各部分的方案設圖4-8晶體振蕩器總原理圖從圖4-8中可以看到，圖中R1和R2分壓為三極管Q1提供偏置電壓，通過改變 R8 阻值的大小可以改變Q1的靜態(tài)工作點，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，C2、C3組成反饋分壓, 為高頻扼流圈，目的是防止高頻信號流經電源。 連接成射極跟隨器，用于提高系統(tǒng)的帶負載能力 型晶體振蕩器，此時晶體相當于選頻短路線；當 晶體振蕩器，此時晶體相當于一等效電感。用于為振蕩器提供反饋信號，ZL1和ZL2C6、C7、C8、C9為高頻旁路電容， Q2J1上端打開時，J2斷開時振蕩器為串聯(lián)J1下端打開，J2接通時振蕩器為并聯(lián)型4.4.2元件參數(shù)的

23、計算正確的靜態(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,實用標準文案VI將電感短路，電容斷路,圖4-9直流通路等效電路如圖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，般情況下發(fā)射極電流為 mA級，基極電流uA級。不妨取 R仁R3=5.1K Q, R2=400Q, 3=45 則 Vb=2.5V , le=4.5mA,lb=100uA，符合射級

24、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，輸出頻率應為10MHZ，不妨取L仁1uH,則由f0=2 n LC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(shù)如圖4-8所示。為了提高振蕩器的工作性能和穩(wěn)定度，在

25、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=330mF。5電路仿真與硬件調試5.1電路仿真5.1.1靜態(tài)工作點的測試根據(jù)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所示精彩文檔表5-1靜態(tài)工作時各極電壓參數(shù)VbVcVeVbeQ11.901V1.168V5.00 V0.733VQ24.535V3.805V5.00 V0.720V根據(jù)表5-1中的數(shù)據(jù)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。5.

26、1.2串聯(lián)型振蕩器輸出測試在Multisim軟件環(huán)境下進行仿真，此時開關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所示圖5-1串聯(lián)型振蕩器輸出波形從圖5-1中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為 Vo=1.535V,輸出頻率f=9.85MHZ， 波形有較小的失真，這是由于元件參數(shù)的精度較低導致的， 該振蕩器的設計符合設計要求。5.1.3并聯(lián)型振蕩器輸出測試在Multisim軟件環(huán)境下進行仿真，此時開關 J1上端斷開，下端接通，J

27、2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所示圖5-2并聯(lián)型振蕩器輸出波形從圖5-1中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為Vo=1.554V,輸出頻率f=10.08MHZ, 波形有較小的失真，這是由于元件參數(shù)的精度較低導致的， 該振蕩器的設計符合設計要求。5.2硬件調試根據(jù)本設計中的電路原理圖進行實物的連接，本次使用的是面包板，不需要焊接直接用導線連接各元件即可。連接完成后，引出三根導線，紅色導線接+5V電源的正極，黑色導線接地，綠色導線為輸出端，接入

28、示波器的 CH1通道，觀察輸出的波形。一邊調整可變 電容和電位器，一邊觀察輸出的波形。觀察可知，當該振蕩器接為串聯(lián)型振蕩器時，輸出 波形為正弦波，頻率為7.5MHZ，幅值為1.317V;當該振蕩器接為并聯(lián)型振蕩器時，輸出 精彩文檔實用標準文案波形為正弦波，頻率為7.8MHZ，幅值為1.384V。這是由于元器件參數(shù)的精度不夠、實物 連接時引入附加阻值、面包板的性能不夠高以及環(huán)境溫度等多方面的影響所致。在實際生 活中可以通過多種措施來提高石英晶體正弦波振蕩器的穩(wěn)定度，如可以選擇溫度系數(shù)小的 石英晶體；可以采取恒溫措施，是外界溫度恒定，或在電路中采取措施，進行溫度補償； 也可以進行有效屏蔽，使外圍電磁場的影響減弱。6元器件清單序號名稱型號數(shù)量備注1電阻5.1K Q2R1、R22電阻1.2K Q1R63電阻400 Q1R34電阻330 Q1R55電阻100Q1R76電位器10K Q1R87瓷片電容1033C1、 C6、 C88瓷片電容1011C49瓷片電容1041C510瓷片電容2711C211