石英晶體振蕩器電路設計

1、本科生課程設計 （論文）遼寧工業(yè)大學高頻電子線路課程設計（論文）題目：石英晶體振蕩器電路設計院（系）：電子與信息工程學院專業(yè)班級：學號：學生姓名：指導教師：起止時間： 2014.6.16-2014.6.27I本科生課程設計 （論文）課程設計（論文）任務及評語院（系）：電子與信息工程學院教研室：電子信息工程學 號學生姓名專業(yè)班級課程設計（論文）石英晶體振蕩器電路設計題目要求：1設計一個石英晶體振蕩器2能夠觀察輸入輸出波形。3觀察振蕩頻率。參數(shù)：振蕩頻率 10000HZ 左右。設計要求：課程1 .分析設計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應用環(huán)設計境等，廣開思路，構思出各種總體

2、方案，繪制結構框圖。（ 2 .確定合理的總體方案。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結構的繁簡、論文成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。）任3 .設計各單元電路。 總體方案化整為零， 分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設務計。4 .組成系統(tǒng)。 在一定幅面的圖紙上合理布局， 通常是按信號的流向，采用左進右出的規(guī)律擺放各電路，并標出必要的說明。指導教師平時成績 (20%)：評語論文成績 (50%)：及答辯成績 (30%)：成績總成績：學生簽字：年月日注：成績：平時 20%論文質量 50%答辯 30% 以百分制計算II本科生課程設計 （論文）目 錄第 1 章緒論

3、.11.1石英晶體振蕩器 .11.2設計要求 .1第 2 章石英晶體振蕩器設計電路 .22.1石英晶體振蕩器總體設計方案 .22.2具體電路設計 .22.2.1串聯(lián)型晶體振蕩器 .22.2.2并聯(lián)型晶體振蕩器 .42.2.3輸出緩沖級設計 .52.3元件參數(shù)的計算 .52.4Multisim 軟件仿真 .62.4.1串聯(lián)型振蕩器輸出測試 .62.4.2并聯(lián)型振蕩器輸出測試 .7第 3 章 課程設計總結 .9參考文獻 .10附錄 總體電路圖 .11附錄 元器件清單 .12III本科生課程設計（論文）第1章緒論1.1 石英晶體振蕩器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

4、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振蕩器，簡稱為石英晶體或晶體、振蕩。其產(chǎn)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，被應用于家用電器和通信設備中。1.2 設計要求1設計一個石英晶體振蕩器2能夠觀察輸

5、入輸出波形。3觀察振蕩頻率。4. 參數(shù)：振蕩頻率10000HZ 左右。1本科生課程設計 （論文）第 2 章 石英晶體振蕩器設計電路2.1 石英晶體振蕩器總體設計方案本次設計首先以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的

6、設計。2.2 具體電路設計根據(jù)設計要求，該晶體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，則電路

7、變成電容三點式振蕩器，并且可以正常起振。2.2.1 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 2.1 和圖 2.2 顯示出了一串聯(lián)型振蕩器的實際路線和等效電路?？梢钥闯觯绻麑⑹⒕w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2本科生課程設計 （論文）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。圖 2.1串聯(lián)型晶體振蕩器實際電路圖 2

8、.2串聯(lián)型晶體振蕩器等效電路串聯(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。3本科生課程設計 （論文）2.2.2 并聯(lián)型晶體振蕩器c-b 型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖2.3 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 2.4 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

9、體管CE兩端的阻抗仍很高，因此放大器的增益高，電路容易滿足振幅齊起振條件。圖 2.3 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器實際線路圖 2.4 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器等效線路4本科生課程設計 （論文）2.2.3 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2.5 所示。圖 2.5輸出緩沖級電路輸出緩沖級主要完成對所產(chǎn)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

10、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。2.3 元件參數(shù)的計算正確的靜態(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，將電感短路，電容斷路，得到直流通路如圖2.6 所示。5本科生課程設計 （論文）圖 2.6直流通路等效電路如圖 2.6 所示，

11、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=5.1K，R2=400， =45 則 Vb=2.5V ，Ie=4.5mA,I b=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， 輸出頻率應為 10MHZ ，不妨取 L1=1uH, 則由 f0=2 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=3

12、00pF，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。 為了提高振蕩器的工作性能和穩(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=330mF。2.4Multisim 軟件仿真2.4.1 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，6本科生課程設計 （

13、論文）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 2.7 所示。圖 2.7串聯(lián)型振蕩器輸出波形從圖2.7 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。2.4.2 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， 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

14、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2.8 所示。7本科生課程設計 （論文）圖 2.8并聯(lián)型振蕩器輸出波形從圖2.8 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。8本科生課程設計 （論文）第 3 章 課程設計總結本次課設是完成一個高頻晶體正弦波振蕩器的設計，首先在 Multisim 軟件環(huán)境下進行電路原理圖的設計、 繪制和仿真， 然后對電路中的各個部分進行調整修改， 按照設計的電路原理圖完成實物的連接， 連接后

15、在實驗室不斷地調試、 修改，最后得到設計要求的輸出波形。 此次高頻課程設計對我們的總體電路的設計的要求更嚴格， 需要通過翻閱復習以前學過的知識確立了實驗總體設計方案， 然后逐步細化進行各模塊的設計；其次，在電路仿真的過程中總會出現(xiàn)一些問題，需要我們細心解決，所以這周下來，我對電路故障的排查能力有了很大的提高；再次，通過此次課程設計，我對設計所用到的軟件有了更加深刻地了解， 這對我們以后的工作和學習的幫助都很有用處。當然，經(jīng)過了課程設計， 我也發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足。 但是通過自己的動手動腦，既增加了知識， 又給了我專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升， 我也會更加努力， 認真學習，爭取在以后的課程中做得

16、更好！在這次課設中， 我首先要感謝學校給我們提供的機會， 其次我要感謝我的老師在課程設計上給予我的指導、 提供給我的支持和幫助， 這是我能順利完成這次報告的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術上的難題， 讓我能把設計做得更加完善。在此期間，我不僅學到了許多新的知識， 而且也開闊了視野， 提高了自己的設計能力。最后，我要感謝幫助過我的同學， 他們也為我解決了不少我不太明白的設計上的難題。同時也感謝學院為我提供良好的做課程設計的環(huán)境。 最后再一次感謝所有在設計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學。9本科生課程設計 （論文）參考文獻1 曾興雯、劉乃安、陳建高頻電路原理與分析西安：線電子科技大學出版社，2007.9 2 劉泉通信電子線路北京：高等教育出版社， 2005.5 3 林嘉瑞高頻電路原理北京：電子工業(yè)出版社 ,2003.1 4 高吉祥高頻電子線路北京：電子工業(yè)出