石英晶體正弦波振蕩器設(shè)計(jì)

1、目 錄第一章 振蕩器的基本常識(shí).1第一節(jié) 振蕩器的分類.1第二節(jié) 振蕩產(chǎn)生的原理.1一 自激振蕩的產(chǎn)生.1二 產(chǎn)生振蕩的條件.2第三節(jié) 起振和穩(wěn)幅 .3一 起振過程.3二 振幅的穩(wěn)定.3第四節(jié) 正弦波振蕩器.4第五節(jié) 頻率穩(wěn)定度.5第二章 石英晶體.6第一節(jié) 石英晶體的基本特性.6一 石英晶體的基本結(jié)構(gòu).6二 壓電效應(yīng).6第二節(jié) 石英晶體等效電路和振蕩電路.7第三章 12MHz石英晶體正弦波振蕩器.10第一節(jié) 電路的選擇.10第二節(jié) 石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)10一 主要技術(shù)指標(biāo).10二 設(shè)計(jì)說明.10（一） 選擇電路.10（二） 選擇晶體管和石英晶體.11（三） 確定直流工作點(diǎn)并計(jì)算偏置電路元件參數(shù)

2、11（四） 求C1C2Ct的電容值.12心得體會(huì)13參考文獻(xiàn)13第一章 振蕩器的基本常識(shí)第一節(jié) 振蕩器的分類震蕩器（Oscillator）是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。它的能量來源一般是直流形式（振蕩器電路的直流供電電源）。經(jīng)過振蕩器轉(zhuǎn)換后，此直流能量轉(zhuǎn)換為一定頻率、一定幅度和一定波形的交流能量輸出。這種電能的“轉(zhuǎn)換”過程被稱作“振蕩”(Oscillation）。振蕩器的作用是產(chǎn)生特定的輸出信號(hào)，因此也常常被稱為信號(hào)發(fā)生器（signal creator）。振蕩器的類型繁多，按照振蕩過程是否依賴于外部激勵(lì)信號(hào)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

3、頻率的高低，可以分為低頻振蕩器、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。第二節(jié) 振蕩產(chǎn)生的原理一 自激振蕩的產(chǎn)生無需外加激勵(lì)就能產(chǎn)生特定波形的交流輸出信號(hào)，這種振蕩電路稱為自激振蕩器。自激振蕩器產(chǎn)生的波形可能是正弦波，也可能是非正弦波。其中正弦波自激振蕩器在廣播通訊、自動(dòng)控制、儀器儀表、高頻加熱、超聲探傷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；而非正弦振蕩器能產(chǎn)生出矩形波（方波）、三角波、鋸齒波等信號(hào)，這些信號(hào)可以用于測(cè)量設(shè)備、數(shù)字系統(tǒng)、自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)設(shè)備中。振蕩產(chǎn)生的原理并不復(fù)雜，有時(shí)甚至?xí)诓唤?jīng)意中自動(dòng)發(fā)生。例如，當(dāng)我們演唱卡拉OK時(shí)，話筒將唱歌

4、的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)擴(kuò)音機(jī)放大后推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。這個(gè)過程可以用圖1.1（a） 表示。如果揚(yáng)聲器和話筒的相對(duì)位置安排不當(dāng)，如圖1.1（b）所示那樣，揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音將和歌唱聲同時(shí)進(jìn)人話筒，形成正反饋。如此反復(fù)循環(huán)，將形成聲-電和電-聲變換系統(tǒng)的自激振蕩。此時(shí)即使沒有輸入信號(hào)，在揚(yáng)聲器中也會(huì)出現(xiàn)嘯叫聲，這是“聲回授”參與到電路中產(chǎn)生的振蕩。上述的“同授”也叫作反饋。在設(shè)置有反饋支路的放大器中，若在某些頻率點(diǎn)上由于反饋不當(dāng)，形成了正反饋所需的相移量并具有足夠的強(qiáng)度，符合自激振蕩的條件，就會(huì)產(chǎn)生一種不希望的“寄生振蕩”它常常會(huì)淹沒“有用”的信號(hào)而使放大器的工作不穩(wěn)定。在正常放大器中不希望振蕩出現(xiàn)

5、，但是可以利用這一現(xiàn)象制成振蕩器。事實(shí)上，振蕩器都是利用電路中的正反饋來工作的。正反饋放大器形成自激振蕩的原理可以用圖1.2來解釋。圖 1.2.1圖1.2.2 正反饋放大器形成自激振蕩的原理二 產(chǎn)生振蕩的條件在振蕩器中要維持等幅的自激振蕩，基本放大器輸入端的反饋信號(hào)必須和原輸人信號(hào)幅度相等，同時(shí)相位也應(yīng)相同。AF=1就是產(chǎn)生自激振蕩時(shí)A、F應(yīng)滿足的基本數(shù)學(xué)條件。其中A和F是頻率的函數(shù)，一般也可以表示為復(fù)數(shù)形式。復(fù)數(shù)乘積AF=1的涵義就是振蕩器電路的環(huán)路放大倍數(shù)等于l , 同時(shí)復(fù)數(shù)的相位值等于2N，其中N=0,士1, 士2，士3，?？傊a(chǎn)生自激振蕩既要滿足幅度條件，也要滿足相位條件。假若AF&

6、lt;1,則XfXi，則振蕩幅度越來越小，最終將導(dǎo)致振蕩電路停振。這也從反面說明了，只有AF1，電路才能維持振蕩。根據(jù)振蕩條件，信號(hào)由圖1.3中的輸人端開始，沿環(huán)路繞行一周，必須保證其振幅與相位不變。一個(gè)振蕩器必須同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，才有可能產(chǎn)生自激振蕩。 圖 1.2.3 自激振蕩器方框圖振蕩器中的反饋支路常常采用電抗元件構(gòu)成二當(dāng)信號(hào)頻率確定后，這些電抗元件和信號(hào)的頻率就共同決定了此信號(hào)相移的大小。電路的起振如果是由頻率成分豐富的噪聲引起的，那么總會(huì)有其中的一個(gè)頻率滿足相位平衡條件。有了噪聲作為起始信號(hào)，電路不需要另外送人信號(hào)，就能產(chǎn)生輸出信號(hào)。第三節(jié) 起振和穩(wěn)幅一 起振過程在自激振蕩器中，起

7、始瞬間的輸入電壓Xi的產(chǎn)生原因有兩種：一是在電路接通電源時(shí)取得。因?yàn)榻油娫磿r(shí)，電路各處都存在瞬變過程，在輸人端的瞬變電壓即可作為起始輸人電壓；二是放大器中存在各種微小的電擾動(dòng)和噪聲電壓。這兩種原因所取得的起始電壓包含著極為豐富的各種頻率分量）它們中總會(huì)有符合相位條件的某個(gè)頻率成分，最終成為自激信號(hào)的最初來源。至于振幅條件更容易滿足，由于開環(huán)放大倍數(shù)A是無窮大，很容易滿足起振條件AFl的要求。為了保證電路在指定的頻率上振蕩起來，常常為這種自激振蕩器安排一個(gè)諧振在指定頻率上的選頻回路，使電路更容易在指定的頻率上滿足產(chǎn)生自激振蕩的條件。放大器獲得起始瞬時(shí)榆入電壓了Xi后，接著產(chǎn)生輸出信號(hào)電壓和正反

8、饋電壓，并且經(jīng)過放大器的選頻后，指定頻率的輸出電壓幅度增大了，反饋電壓的幅度也增大，經(jīng)過電路的正反饋、放大、再反潰、再放大的循環(huán)過程，使振蕩電壓由小到大逐漸建立起來。二 振幅的穩(wěn)定振蕩器接通電源開始起振時(shí)，起始信號(hào)可能很弱。此時(shí)放大器工作在線性放大區(qū)，信號(hào)被放大，其振幅逐漸增加，反饋信號(hào)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(dāng)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(jìn)人飽和區(qū)或截止區(qū)。放大器的放大倍數(shù)將顯著下降，因而使輸出信號(hào)振幅的增大程度變緩。另一方面，能量的損耗也會(huì)使輸出信號(hào)振幅的增大程度變緩。因?yàn)檎袷幤魉牡哪芰縼碜噪娫矗孰娐?/p>

9、中所能取得的能量總是有限的。當(dāng)振蕩器輸出信號(hào)的幅度加大時(shí)，其電路各部分的能量消耗也加大了（包括負(fù)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。第四節(jié) 正弦波振蕩器圖 正弦波振蕩器（sin-wave oscillator）可以輸出單一顆率的正弦波，是應(yīng)用最為廣泛的振蕩器。從結(jié)構(gòu)上看， 正弦波振蕩電路就是一個(gè)沒有輸入信號(hào)的帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器。圖（a）表示接成正反饋時(shí)，因此有放大電路在輸入信號(hào)時(shí)的方框圖。可改畫成圖（b）所示。由圖可知，若在放大器的輸入端（1端）外接一定頻率、一定幅度的正弦波信號(hào)經(jīng)過基本放大器和

10、反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的環(huán)路傳輸后,在反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端（2端) ，得到反饋信號(hào)與在大小和相位上都一致,那么就可以去除外接信號(hào)，而將（1）、（2）兩端連接在一起(如圖中的虛線所示）而形成閉環(huán)系統(tǒng)， 其輸出端可能繼續(xù)維持與開環(huán)時(shí)一樣的輸出信號(hào)。這樣由于便有 或 正弦波振蕩器的振蕩條件為：幅度平衡條件： ，相位平衡條件： 第五節(jié) 頻率穩(wěn)定度在工程應(yīng)用中，要求正弦波振蕩電路的振蕩頻率有一定的穩(wěn)定度，有必要引用頻率穩(wěn)定度來作為衡量振蕩電路的質(zhì)量指標(biāo)之一。頻率穩(wěn)定度一般用頻率的相對(duì)變化量f/f0來表示，f0為振蕩頻率，f為頻率偏移。頻率穩(wěn)定度有時(shí)附加時(shí)間條件，如一小時(shí)或一日內(nèi)的頻率相對(duì)變化量。各振蕩電路頻率特性如圖

11、 圖 振蕩電路頻率特性第一章 石英晶體第一節(jié) 石英晶體基本特性石英晶體振蕩電路之所以具有極高的頻率穩(wěn)定度，主要是由于采用了具有極高Q值的石英晶體元件。一 石英晶體的基本結(jié)構(gòu)石英晶體是一種各向異性的結(jié)晶體，它是硅石的一種，其化學(xué)成分是二氧化硅 。 從一塊晶體上按一定的方位角切下的薄片稱為晶片（可以是正方形、矩形或圓形等)， 然后在晶片的兩個(gè)對(duì)應(yīng)表面上涂敷銀層并裝上一對(duì)金屬板，就構(gòu)成石英晶體產(chǎn)品，如圖所示，一般用金屬外殼密封，也有用玻璃殼封裝的。圖 石英晶體結(jié)構(gòu)二 壓電效應(yīng)若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種

12、物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。 第二節(jié) 石英晶體等效電路石英晶體的特點(diǎn)在于它具有很高的質(zhì)量與彈性的比值 (等效于L/C)，因而它的品質(zhì)因數(shù)Q高達(dá)10000500000的范圍內(nèi)。等效電路中元件的典型參數(shù)為：Co分布電容很?。簬譸F幾十pF，L：幾十mH幾百mH，C動(dòng)態(tài)電容：0.0

13、002 pF 0.1pF。如圖所示。由等效電路可知，石英晶體有兩個(gè)諧振頻率，即圖 石英晶體的符號(hào)、等效電路和電抗特性。（1）L-C-R支路串聯(lián)諧振（2）當(dāng)f>fs時(shí)，L-C-R支路呈感性，與Co產(chǎn)生并聯(lián)諧振。由于Co>>C，故fPfS. 圖 外接可調(diào)電容在實(shí)際應(yīng)用中，通常串入一個(gè)用于校正振蕩頻率的小電容CS，如圖所示，圖電路的電抗為X'，則令上式中的分子為零得（串聯(lián)諧振）：CS一般采用微調(diào)電容，使fs'在fs和fP之間的一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)調(diào)整。將上式展開成冪級(jí)數(shù)的形式，并考慮到C<<（C0+CS），則 因?yàn)镃o（幾pF幾十pF），C（0.0002pF

14、0.1pF），CS>C，所以振蕩頻率的相對(duì)變化量很小。串并聯(lián)石英晶體振蕩電路由英晶體的頻率特性可構(gòu)成兩種不同類型的頻率高度穩(wěn)定的正弦波振蕩電路：1）當(dāng)石英晶體發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，它呈純阻性，相移是0。若把石英晶體作為放大電路的反饋網(wǎng)絡(luò)，并起選頻作用，只要放大電路的相移也是0，則滿足相位條件。形成串聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路。2）當(dāng)頻率在fs與fp之間，石英晶體呈感性，可將它與兩個(gè)C構(gòu)成電容三點(diǎn)式正弦波振蕩電路，形成并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路。如圖 如圖 串并聯(lián)石英晶體正弦波振蕩器第二章 12Mhz石英晶體正弦波振蕩器第一節(jié) 電路的選擇晶體振蕩電路中，與一般LC振蕩器的振蕩原理相同，只是把晶

15、體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路之中，作為一感性元件，與其他回路元件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成三端振蕩器。根據(jù)實(shí)際常用的兩種類型，電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式。常用電路簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)如圖由于石英晶體存在感性和容性之分，且在感性榮性之間有一條極陡峭的感抗曲線，而振蕩器又被限定在此頻率范圍內(nèi)工作。該電抗曲線對(duì)頻率有極大的變化速度，亦即石英晶體在這頻率范圍內(nèi)具有極陡峭的相頻特性曲線。所以他具有很高的穩(wěn)頻能力，或者說具有很高的電感補(bǔ)償能力。因此選用c-b型皮爾斯電路進(jìn)行制作。 圖3.1.1 c第二節(jié) 石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)一 主要技術(shù)指標(biāo)：振蕩頻率：。=12MHz短期穩(wěn)定度：。/。優(yōu)于士15×10-6工作環(huán)境溫

16、度范圍：-40+85電源電壓：+12V二 設(shè)計(jì)說明（1）選擇電路形式：選用12MHz皮耳斯c-b型電路如圖所示 圖 12MHz 皮爾斯c-b型電路（2）選擇晶體管和石英晶體。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按公式max= T(210)H=（24120MHz）選擇高頻管3DG6C型晶體管作為振蕩管。查手冊(cè)其參數(shù)如下： T =250MHz；ß40，取ß =50；NPN型通用；額壓：20V；Icm=20mA；Po= 0.1W；ßT / ß=5 MHz。 石英諧振器可選用HC-49S系列，其性能參數(shù)為： 標(biāo)稱頻率。=12 MHz；工作溫度：-40+85；25時(shí)頻率偏差：士3

17、15;10-6士30×10-6；串聯(lián)諧振電阻：60；負(fù)載電容：CL=10PF,激勵(lì)功率：0.010.1mW。（3）確定直流工作點(diǎn)并計(jì)算偏置電路元件參數(shù) 根據(jù)3DG6C的靜態(tài)特性曲線選取工作點(diǎn)為：IE=2mA, Uce=0.6Vcc=0.6×12=7.2V； 取Uc=0.8Vcc=0.8×12=9.6V；Ue=0.2Vcc=0.2×12=2.4V則有 Rc=（Vcc-Uc）/ IE=（12-9.6）/0.002=1.2K Re= Ue/ IE=2.4/0.002=1.2 K 取RB2=5Re=6 K RB1=（Vcc-Ue）/Ue×RB2=24

18、K根據(jù)實(shí)際的標(biāo)稱電阻值，取Rc、Re、RB1、RB2取精度為1%的金屬膜電阻Rc= Re= 1.2K；RB1= 24 K ，RB2=6.2 K；（4）求C1C2Ct的電容值 在計(jì)算時(shí)，由下式計(jì)算的值=26 ß/ IE=650根據(jù)C1×C2= =50/（2×12×106）×650×12001+( /ß)2½= 4341.3(PF)2根據(jù)負(fù)載電容的定義，對(duì)于圖所示的電路可以得出 CL=1/(1/C1,2)+1/Ct式中，C1，2為C1與C2相串聯(lián)的電容值，由上式可得 C1,2= Ct CL/ （Ct- CL） 若取Ct

19、=30pF（一般Ct應(yīng)略大于負(fù)載電容值），則C1,2= Ct CL/ （Ct- CL）=（30×10）/（30-10）=15 pF由反饋系數(shù)F=C1/C2和C1,2=C1C2/C1-C2兩式聯(lián)立解，并取F=1/2 則C1=C1,2(1+F)=22.5 pF C2=C1,2(1+1/F)=45 pF根據(jù)電容量的標(biāo)稱值，取C1、C2為聚苯乙烯電容， C1=20pF, C2=40pF ，C1× C2=20×40=800(PF)24341.3(PF)2可見該值遠(yuǎn)小于由C1×C2乘機(jī)的極限值，故該電路滿足起振條件。心 得 體 會(huì)這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)一個(gè)星期多左右，通過這一個(gè)星期的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識(shí)的很多漏洞，理論知識(shí)還不夠扎實(shí)。 這次的課程設(shè)計(jì)也讓我看到了個(gè)人力量的渺小，我認(rèn)為一個(gè)人工作是很艱難的工作，自己犯了錯(cuò)誤是很難發(fā)現(xiàn)的，只有等到做完在同學(xué)們檢查以后才知道還有許