高頻電子課程設(shè)計晶體振蕩器

通信電子線路課程設(shè)計說明書晶體正弦波振蕩院部：電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：李職稱實驗師專業(yè)：通信工程完成時間：2012年12月09日摘要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(yīng)用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中，及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器。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。但石英晶體成本較高，故在要求不太高的電路中一般采用陶瓷諧振元件。本設(shè)計對利用石英晶體的壓電效應(yīng)，對構(gòu)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(xì)的介紹并通過Multisim軟件設(shè)計、仿真出并聯(lián)型石英晶體振蕩器，最后按照原理圖進行參數(shù)的計算和實物的制作、調(diào)試。對實物和仿真進行調(diào)試，并成功出現(xiàn)波形，證明了上述理論的可靠性，且符合設(shè)計要求。是一次成功的課程設(shè)計。關(guān)鍵詞：晶體；振蕩器；并聯(lián)；Multisim仿真ABSTRACTQuartzcrystaloscillatorisakindofhighprecisionandhighstabilityoftheoscillator,whichhasbeenwidelyusedincolorTVcomputerremotecontrolandotherkindsofoscillationcircuit,andcommunicationsystemusedforfrequencygeneratorquartzresonatorforhighfrequencystability,itismainlyusedinrequestfrequencyisverystableoscillationcircuitofresonanceelementbutquartzcrystalcostishigher,soinlessdemandingcircuitusuallyuseceramicresonanceelement.Thisdesignusingquartzcrystalpiezoelectriceffect,madeofcrystaloscillatormethodtodoamorein-depthstudyontheoscillatorprincipleandquartzcrystaloscillatorprinciplearedescribedindetailandthroughtheMultisimsoftwaredesignsimulationtheparalleltypequartzcrystaloscillator,accordingtotheparallelresonancetypecrystaloscillatorprincipleusingcaratsplashcircuitdrawtheschematicdiagramoftheparameters,thecalculationandrealproductiondebugginginphysicalandsimulationdebugging,andsuccessfullyappearwaveform,provedthereliabilityoftheabovetheory,andcomplywiththedesignrequirementsisasuccessfulcoursedesign.KeywordsCrystal;Oscillator;Seriesparallel;Multisimsimulation目錄TOC\o"1-3"\h\u279291課程設(shè)計任務(wù)書 2270021.1設(shè)計任務(wù) 2185421.2主要技術(shù)指標(biāo) 2145901.3設(shè)計思想 2250822概論 3200162.1設(shè)計目的 337082.2振蕩的基本知識 3203552.2.1引言 352762.2.2振蕩產(chǎn)生的原理 4171392.2.3起振和穩(wěn)幅 5154832.2.4振蕩器的頻率穩(wěn)定度 625383晶體振蕩器的設(shè)計與仿真 6236763.1石英晶體特性簡介 6146803.2晶體振蕩器電路的類型及其工作原理 7218883.2.1串聯(lián)型諧振晶體振蕩器 760193.2.2并聯(lián)諧振型晶體振蕩器 8168873.2.3泛音晶體振蕩器 1054653.3晶體正弦波振蕩器原理圖及參數(shù)計算 11303123.3.1電路原理圖 1118653.3.2靜態(tài)工作點及回路參數(shù)的確定 11100893.4電路仿真 12168793.5元器件清單 12266504制板與調(diào)試 1384714.1電路調(diào)試 1334794.2電路制作 1429667結(jié)束語 159996致謝 1624344參考文獻 1730538附錄 181課程設(shè)計任務(wù)書1.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個晶體振蕩器1.2主要技術(shù)指標(biāo)晶振頻率為10MHZ，輸出信號幅度>=0.5V（峰-峰值），可調(diào)

課程設(shè)計要求：要求有課程設(shè)計說明書，并制作出實際電路。實驗儀器設(shè)備：數(shù)字存儲示波器1臺無感起子1把數(shù)字萬用表1臺12V直流穩(wěn)壓電源1臺1.3設(shè)計思想本次設(shè)計首先以NPN型晶體管2N2222和10M石英晶體為基礎(chǔ)設(shè)計出并聯(lián)型振蕩器，通過對各種不同形式的并聯(lián)型振蕩器做出比較之后，綜合設(shè)計出一個通過開關(guān)可實現(xiàn)并聯(lián)轉(zhuǎn)換的石英晶體正弦波振蕩器。將兩部分連接之后根據(jù)電路圖的基本形式和設(shè)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(diào)試，從而完成整個正弦波振蕩器的設(shè)計。2概論設(shè)計目的通過設(shè)計晶體振蕩器，了解石英晶體的結(jié)構(gòu)和特性，提高動手能力，掌握晶體振蕩器的設(shè)計方法以及設(shè)計思路。振蕩的基本知識2.2.1引言石英晶體振蕩器是利用石英晶體即二氧化硅的結(jié)晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)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(yīng)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(gòu)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(yīng)。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(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中圖1基本構(gòu)造與LC振蕩器相比，晶體振蕩器的標(biāo)準(zhǔn)性較好，諧振回路的Q值較高，有載情況下Q值依然很高。所以晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度高。所以在需要頻率穩(wěn)定度高的振蕩電路時就選用晶體振蕩器。2.2.2振蕩產(chǎn)生的原理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(xiàn)象叫做自激振蕩。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，這些信號可以用于測量設(shè)備、數(shù)字系統(tǒng)、自動控制及計算機設(shè)備中。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必須和原輸人信號幅度相等，同時相位也應(yīng)相同。AF=1就是產(chǎn)生自激振蕩時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,同時復(fù)數(shù)的相位值等于2Nπ，其中N=0,士1,士2，…?？傊?，產(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<1,則Xf＜Xi，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AF≥1，電路才能維持振蕩。根據(jù)振蕩條件，信號由圖2.1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。一個振蕩器必須同時滿足這兩個條件，才有可能產(chǎn)生自激振蕩。圖2.1自激振蕩器方框圖2.2.3起振和穩(wěn)幅起振過程在自激振蕩器中，起始瞬間的輸入電壓Xi?的產(chǎn)生原因有兩種：一是在電路接通電源時取得。因為接通電源時，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）它們中總會有符合相位條件的某個頻率成分，最終成為自激信號的最初來源。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AF≥l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榆入電壓了Xi?后，接著產(chǎn)生輸出信號電壓和正反饋電壓，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。振幅的穩(wěn)定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(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，因而使輸出信號振幅的增大程度變緩。另一方面，能量的損耗也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(dāng)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(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。2.2.4振蕩器的頻率穩(wěn)定度反饋振蕩器若滿足起振、平衡，穩(wěn)定三個條件，就能夠產(chǎn)生等幅持續(xù)的振蕩波形。當(dāng)受到外界不穩(wěn)定因素影響時，振蕩器的相位或振蕩頻率可能發(fā)生些微變化，雖然能自動回到平衡狀態(tài)，但振蕩頻率在平衡點附近隨機變化這一現(xiàn)象卻是不可避免的。為了衡量實際振蕩頻率f相對于標(biāo)稱振蕩頻率f0變化的程度，提出了頻率穩(wěn)定度這一性能指標(biāo)。頻率穩(wěn)定度是將振蕩器的實測數(shù)據(jù)代入規(guī)定的公式中計算后得到的。根據(jù)測試時間的長短，將頻率穩(wěn)定度分成長期頻穩(wěn)度、短期頻穩(wěn)度和瞬時頻穩(wěn)度三種。測試時間分別為一天以上、一天以內(nèi)、和一秒以內(nèi)。時間劃分并無嚴(yán)格的界限，它是按照引起頻率不穩(wěn)定的因素來區(qū)別的。長期頻穩(wěn)度主要取決于元器件的老化特性，短期頻穩(wěn)度主要取決于電源電壓和環(huán)境溫度的變化以及電路參數(shù)的變化等等，而瞬時頻穩(wěn)度則與元器件的內(nèi)部噪聲有關(guān)。3晶體振蕩器的設(shè)計與仿真石英晶體特性簡介晶體的基本特性是它壓電效應(yīng)。依靠這種效應(yīng)，可以將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；反之，也可以將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。所謂壓電效應(yīng)就是在石英晶體兩個電極上加直流電場，晶體就會產(chǎn)生機械形變，反之，若在晶體的兩側(cè)施加以機械壓力，則會在晶體相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為為壓電效應(yīng)。若是在晶體的兩級上加上交變激勵電壓，晶體就會產(chǎn)生機械振動，同樣晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。且當(dāng)外加交變電壓的頻率為一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率激勵下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。晶體振蕩器電路的類型及其工作原理3.2.1串聯(lián)型諧振晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器是將石英晶體用于正反饋支路中，利用其串聯(lián)諧振時等效為短路元件的特性，電路反饋作用最強，滿足振幅起振條件，使振蕩器在晶體串聯(lián)諧振頻率fs上起振。圖3.2.1是一種串聯(lián)型單管晶體振蕩器電路，圖3.2.2是其高頻等效電路。這種振蕩器與三點式振蕩器基本類似，只不過在正反饋支路上增加了一個晶體。Ｌ、、和組成并聯(lián)諧振回路而且調(diào)諧在振蕩頻率上。圖3.2.1串聯(lián)諧振型晶體振蕩器圖3.2.2串聯(lián)晶體振蕩器交流等效電路3.2.2并聯(lián)諧振型晶體振蕩器圖3.2.3并聯(lián)諧振型晶體c—b型振蕩器電路（皮爾斯電路）圖3.2.4并聯(lián)諧振型晶體振蕩器高頻回路等效電路振蕩回路與晶體管、負(fù)載之間的耦合很弱。晶體管ｃ、ｂ端,ｃ、ｅ端和ｅ、ｂ端的接入系數(shù)是： (3.2.1) （3.2.2） 以上三個接入系數(shù)一般均小于，所以外電路中的不穩(wěn)定參數(shù)對振蕩回路影響很小，提高了回路的標(biāo)準(zhǔn)性。振蕩頻率幾乎由石英晶體的參數(shù)決定，而石英晶體本身的參數(shù)具有高度的穩(wěn)定性。其中是和晶體兩端并聯(lián)的外電路各電容的等效值，即根據(jù)產(chǎn)品要求的負(fù)載電容。在實用時，一般需加入微調(diào)電容，用以微調(diào)回路的諧振頻率，保證電路工作在晶體外殼上所注明的標(biāo)稱頻率fn上。由于振蕩頻率一般調(diào)諧在標(biāo)稱頻率上，位于晶體的感性區(qū)內(nèi)，電抗曲線陡峭，穩(wěn)頻性能極好。石英晶體的Q值和特性阻抗都很高，所以晶體的諧振電阻也很高，一般可達(dá)以上。這樣即使外電路接入系數(shù)很小，此諧振電阻等效到晶體管輸出端的阻抗仍很大，使晶體管的電壓增益能滿足振幅起振條件的要求。3.2.3泛音晶體振蕩器在工作頻率較高的晶體振蕩器中，多采用泛音晶體振蕩電路。泛音晶振電路與基頻晶振電路有些不同。在泛音晶振電路中，為了保證振蕩器能準(zhǔn)確地振蕩在所需要的奇次泛音上，不但必須有效地抑制掉基頻和低次泛音上的寄生振蕩而且必須正確地調(diào)節(jié)電路的環(huán)路增益，使其在工作泛音頻率上略大于1，滿足起振條件，而在更高的泛音頻率上都小于1，不滿足起振條件。在實際應(yīng)用時，可在三點式振蕩電路中，用一選頻回路來代替某一支路上的電抗元件，使這一支路在基頻和低次泛音上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)不滿足三點式振蕩器的組成法則，不能起振；而在所需要的泛音頻率上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)恰好滿足組成法則，達(dá)到起振。圖3.2.5給出了一種并聯(lián)泛音晶體振蕩電路。假設(shè)泛音晶振為五次泛音，標(biāo)稱頻率為5MHz，基頻為1MHz，則LC1回路必須調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間。這樣在5MHz頻率上，LC1回路呈容性，振蕩電路滿足組成法則。對于基頻和三次泛音頻率來說，LC1回路呈感性，電路不符合組成法則，不能起振。而在七次及其以上泛音頻率，LC1回路呈現(xiàn)容性，但等效容抗減小，從而使電路的電壓放大倍數(shù)減小，環(huán)路增益小于1，不滿足振幅起振條件。圖3.2.5泛音晶體振蕩器電路3.3晶體正弦波振蕩器原理圖及參數(shù)計算電路原理圖圖3.3.1PCB圖靜態(tài)工作點及回路參數(shù)的確定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(chǎn)生嚴(yán)重失真，甚至停振。實際中取=0.5~5mA之間，若取=2mA，，則有： (4.2.1)為提高電路的穩(wěn)定性，Re值可適當(dāng)增大，取Re=1，則Rc=2，則有：(4.2.2)若取流過的電流為10，則=10=0.33mA，則?。?(4.2.3) (4.2.4)實際電路中，可用50k的電位器。3.4電路仿真在multisim軟件環(huán)境下進行仿真，按照原理圖，一一找好元器件，將線練好。擺放整齊。其仿真圖如下：圖3.3.2 multisim仿真原理圖3.5元器件清單電阻 2k 2個電阻33K1個電阻3.3k1個電阻1k2個電容100uF1個電容50pF3個電容560pF2個三極管2N22191個晶振11MHZ1個撥碼開關(guān)2個可變電容30pF1個可變電阻50k1個插針4個4：制板與調(diào)試4.1電路調(diào)試在Multisim軟件環(huán)境下進行仿真，此時開關(guān)S1的1接通，S2的1接通，形成并聯(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，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，仿真波形如圖所示。圖3.3.3仿真波形圖從圖中可以看出，輸出波形為正弦波，波形有較小的失真，這是由于元件參數(shù)的精度較低導(dǎo)致的，該振蕩器的設(shè)計符合設(shè)計要求。4.2電路制作實物買回來后，出于想提高自己能力，沒有選擇萬能版，于是按照電路圖按部就班的畫好PCB板圖，然后打印，打孔及腐蝕，再一一把元器件焊上，檢查電路。實踐再一次考驗我們的焊接技術(shù)。經(jīng)過半通宵作業(yè)我們終于完成了我們的實物制作。在制作過程中我們需要對電路原理圖了然于心，這樣可以提高我們的效率、熟練程度。照片如下：圖3.3.4實物圖在實物調(diào)試中遇到的問題：當(dāng)我們把實物做好時，興致盎然的跑去用示波器調(diào)試，結(jié)果什么波形都沒有，一下子不知道從何開始。于是開始檢查板子的線路，看有沒有地方連錫或虛焊，結(jié)果毫無發(fā)現(xiàn)，沒辦法又繼續(xù)檢查。終于發(fā)現(xiàn)電位器焊反了，我們以為找到問題所在了，結(jié)果還是沒波形。終于在老師的指導(dǎo)下，知道了是沒有滿足起振條件，于是調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點，計算反饋系數(shù)，終于功夫不負(fù)有心人，調(diào)出了波形。謝謝老師的指導(dǎo)！結(jié)束語經(jīng)過為期一周的高頻電子線路課程設(shè)計，我發(fā)現(xiàn)了自己能力的不足和知識上的欠缺，同時也學(xué)到了很多東西。接到晶體振蕩器的課程設(shè)計任務(wù)書后，我首先將課本上關(guān)于晶體振蕩器及其相關(guān)內(nèi)容仔細(xì)看了好幾遍，然后針對課程設(shè)計任務(wù)書上的要求認(rèn)真思考，從圖書館借了與晶體振蕩器有關(guān)的參考書，也從網(wǎng)上下載了一些別人的設(shè)計方案，最后綜合課本、參考書及網(wǎng)上資料進行原理設(shè)計。在設(shè)計原理圖時我曾一度迷茫感覺無從下手，感覺書上的圖過于簡單設(shè)計出來的線路不夠穩(wěn)定，而從別處看到的又過于復(fù)雜分析不明白，最后通過與其他同學(xué)共同討論終于弄懂了許多東西。通過查閱參考書和閱讀網(wǎng)上資料，我學(xué)到了很多關(guān)于晶體振蕩器的新知識，而這些都是課