高频电子线路课程设计--晶体振荡器的制作.doc

高频电子线路课程设计 晶体振荡器的制作 姓名：李莅 学号： 10071201039 班级： 电信10-2 院系： 电子与信息工程学院 指导老师：石雁祥一、课程设计名称：晶体振荡器的制作二、设计目的 （1）、掌握三端式振荡电路的基本原理，起振条件，振荡电路设计及电路参数计算。 （2）、提高电子电路的理论知识及较强的实践能力，能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。 三、实验设备及材料 示波器 电烙铁 万用电路板- 1张 电阻 20KW-1只 电阻2.2KW-1只 电阻 1.6KW-1只 电阻680W-1只 电容 0.03uF/6v- 2只 电容 1600pF- 2只 电容 4.7uF- 2只 电容 100pF- 2只 电容 0.03uF- 2只 电容 0.01uF/6v- 2只 电感 3.3uH- 2只 晶振 5M- 2只 三极管- 2只四、振荡器的基本常识1 振荡器的分类振荡器是一种能量转换装置。它的能量来源一般是直流形式（振荡器电路的直流供电电源）。经过振荡器转换后，此直流能量转换为一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出。这种电能的“转换”过程被称作“振荡”。振荡器的作用是产生特定的输出信号，因此也常常被称为信号发生器。振荡器的类型繁多，按照振荡过程是否依赖于外部激励信号的参与，可以分为他激振荡器和自激振荡器；按照波形分类有正弦波振荡器和非正弦波振荡器；按照振荡器振荡频率的高低，可以分为低频振荡器、高频振荡器、超高频振荡器等；按照振荡器的选频元件分类，则有RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器等。2 振荡产生的原理2.1 自激振荡的产生无需外加激励就能产生特定波形的交流输出信号，这种振荡电路称为自激振荡器。自激振荡器产生的波形可能是正弦波，也可能是非正弦波。其中正弦波自激振荡器在广播通讯、自动控制、仪器仪表、高频加热、超声探伤等领域有着广泛的应用；而非正弦振荡器能产生出矩形波（方波）、三角波、锯齿波等信号，这些信号可以用于测量设备、数字系统、自动控制及计算机设备中。振荡产生的原理并不复杂，有时甚至会在不经意中自动发生。例如，当我们演唱卡拉OK时，话筒将唱歌的信号转变为电信号，经扩音机放大后推动扬声器发出声音。这个过程可以用图2.1.1（a） 表示。如果扬声器和话筒的相对位置安排不当，如图2.1.1（b）所示那样，扬声器发出的声音将和歌唱声同时进人话筒，形成正反馈。如此反复循环，将形成声-电和电-声变换系统的自激振荡。此时即使没有输入信号，在扬声器中也会出现啸叫声，这是“声回授”参与到电路中产生的振荡。上述的“同授”也叫作反馈。在设置有反馈支路的放大器中，若在某些频率点上由于反馈不当，形成了正反馈所需的相移量并具有足够的强度，符合自激振荡的条件，就会产生一种不希望的“寄生振荡”它常常会淹没“有用”的信号而使放大器的工作不稳定。在正常放大器中不希望振荡出现，但是可以利用这一现象制成振荡器。事实上，振荡器都是利用电路中的正反馈来工作的。正反馈放大器形成自激振荡的原理可以用图2.2.2来解释。图 2.2.1图2.2.2 正反馈放大器形成自激振荡的原理2.2 产生振荡的条件在振荡器中要维持等幅的自激振荡，基本放大器输入端的反馈信号必须和原输人信号幅度相等，同时相位也应相同。AF=1就是产生自激振荡时A、F应满足的基本数学条件。其中A和F是频率的函数，一般也可以表示为复数形式。复数乘积AF=1的涵义就是振荡器电路的环路放大倍数等于l , 同时复数的相位值等于2N，其中N=0,士1, 士2，士3，。总之，产生自激振荡既要满足幅度条件，也要满足相位条件。假若AF1,则XfXi，则振荡幅度越来越小，最终将导致振荡电路停振。这也从反面说明了，只有AF1，电路才能维持振荡。根据振荡条件，信号由图2.2.3中的输人端开始，沿环路绕行一周，必须保证其振幅与相位不变。一个振荡器必须同时满足这两个条件，才有可能产生自激振荡。 图 2.2.3 自激振荡器方框图振荡器中的反馈支路常常采用电抗元件构成二当信号频率确定后，这些电抗元件和信号的频率就共同决定了此信号相移的大小。电路的起振如果是由频率成分丰富的噪声引起的，那么总会有其中的一个频率满足相位平衡条件。有了噪声作为起始信号，电路不需要另外送人信号，就能产生输出信号。3 起振和稳幅3.1 起振过程在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压Xi的产生原因有两种：一是在电路接通电源时取得。因为接通电源时，电路各处都存在瞬变过程，在输人端的瞬变电压即可作为起始输人电压；二是放大器中存在各种微小的电扰动和噪声电压。这两种原因所取得的起始电压包含着极为丰富的各种频率分量）它们中总会有符合相位条件的某个频率成分，最终成为自激信号的最初来源。至于振幅条件更容易满足，由于开环放大倍数A是无穷大，很容易满足起振条件AFl的要求。为了保证电路在指定的频率上振荡起来，常常为这种自激振荡器安排一个谐振在指定频率上的选频回路，使电路更容易在指定的频率上满足产生自激振荡的条件。放大器获得起始瞬时榆入电压了Xi后，接着产生输出信号电压和正反馈电压，并且经过放大器的选频后，指定频率的输出电压幅度增大了，反馈电压的幅度也增大，经过电路的正反馈、放大、再反溃、再放大的循环过程，使振荡电压由小到大逐渐建立起来。3.2 振幅的稳定振荡器接通电源开始起振时，起始信号可能很弱。此时放大器工作在线性放大区，信号被放大，其振幅逐渐增加，反馈信号的振幅也随之增加。促使它们不断增大的因素是放大作用和正反馈。当振幅增大到某种程度后，由于二极管特性的非线性，晶体三极管工作范围将超出放大区进人饱和区或截止区。放大器的放大倍数将显著下降，因而使输出信号振幅的增大程度变缓。另一方面，能量的损耗也会使输出信号振幅的增大程度变缓。因为振荡器所消耗的能量来自电源，故电路中所能取得的能量总是有限的。当振荡器输出信号的幅度加大时，其电路各部分的能量消耗也加大了（包括负载的功率输出），由于能量的供给有限，使电路的输出振幅不可能无限增大。所以振荡器的振幅只能增大到某种程度，此后形成等幅振荡波形输出。4 正弦波振荡器图 2.4.1正弦波振荡器（sin-wave oscillator）可以输出单一颗率的正弦波，是应用最为广泛的振荡器。从结构上看， 正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器。图2.4.1（a）表示接成正反馈时，因此有放大电路在输入信号时的方框图。可改画成图2.4.1（b）所示。由图可知，若在放大器的输入端（1端）外接一定频率、一定幅度的正弦波信号经过基本放大器和反馈网络构成的环路传输后,在反馈网络的输出端（2端) ，得到反馈信号与在大小和相位上都一致,那么就可以去除外接信号，而将（1）、（2）两端连接在一起(如图中的虚线所示）而形成闭环系统， 其输出端可能继续维持与开环时一样的输出信号。这样由于便有 或 正弦波振荡器的振荡条件为：幅度平衡条件： ，相位平衡条件： 5 频率稳定度在工程应用中，要求正弦波振荡电路的振荡频率有一定的稳定度，有必要引用频率稳定度来作为衡量振荡电路的质量指标之一。频率稳定度一般用频率的相对变化量f/f0来表示，f0为振荡频率，f为频率偏移。频率稳定度有时附加时间条件，如一小时或一日内的频率相对变化量。五、设计方法步骤及注意事项1电路的选择晶体振荡电路中，与一般LC振荡器的振荡原理相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡电路之中，作为一感性元件，与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据实际常用的两种类型，电感三点式和电容三点式。由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性容性之间有一条极陡峭的感抗曲线，而振荡器又被限定在此频率范围内工作。该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。所以他具有很高的稳频能力，或者说具有很高的电感补偿能力。因此选用石英晶体电路进行制作。2 石英晶体振荡器设计（1）选择电路形式：选用电路如图所示（2）选择晶体管和石英晶体。根据设计要求，按公式max= T(210)H=（24120MHz）选择5M晶体管作为振荡管。（3）将各元件安装到电路板上1)把晶振插入万用板，然后焊接好。2)注意直流源的正负及接地端。3) 分别把各电阻，电容放入所定位置，注意电容的极性，然后焊接好。安装完各元件后的得到的电板实物图所示：六、电路的实验结果在用示波器对实际电路产生波形的测量中，波形出现少量失真的情况。七、心得体会这学期下来，我对电路故障的排查能力有了很大的提高。当然，经过了课程设计，我也发现了自己的很多不足。但是通过自己的动手动脑，既增加了知识，又给了我专业知识以及专业技能上的提升，我也会更加努力，认真学习，争取在以后的课程中做得更好！生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。虽然自己对于这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法