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第3章正弦波振荡器 3 4 1石英谐振器的电特性 3 4 2晶体振荡电路 3 4晶体振荡器 3 4晶体振荡器 晶体振荡器 采用石英谐振器控制和稳定振荡频率的振荡器 3 4 1石英谐振器的电特性 1 石英晶体的性能与等效电路 1 结构 利用石英晶体 Quartz Crystal 的压电效应制成的一种谐振器件 a b c 图3 4 1石英谐振器的内部结构 2 性能 晶片有一固有振动频率 与切割方位 形状 大小有关 且十分稳定 将其接到振荡器的闭合环路中 利用其固有频率 能有效地控制和稳定振荡频率 压电效应 机械与电的相互转换效应 正压电效应 外加力 产生电荷现象 逆压电效应 外加电压 产生机械振动现象 振动特性 具有多谐性 除基频 FundamentalFrequency 振动外还有奇次谐波的泛音 Overtones 振动 3 等效电路 C0 静态电容和支架引线分布电容之和 Lq1 Cq1 rq1 晶体基频等效电路 Lq3 Cq3 rq3 晶体三次泛音等效电路 Lq很大 Qq很大 Cq很小且数值极其稳定 当外加交变电压与石英晶片的机械振动发生共振时 石英晶片两极上的交变电荷量即通过的交变电流量最大 因而具有串联谐振特性 2 电抗特性 可证 忽略rq时 晶体两端呈现纯电抗 其值近似为 图3 4 3晶体的阻抗曲线 讨论 在 s p之间为正值 呈感性 其他频段内为负值 呈容性 在 s上Xcr 0 为串联谐振 在 p上Xcr 为并联谐振 又 或 因为C0 Cq 所以 p很靠近 s 例如5MHz的晶振体 fp fs 6 5kHz 小结 晶振体两个谐振频率 fs fp 且fs fp 工作于fs fp之间为高Q电感 并联谐振 工作于fs附近为串联谐振 对fs 相当于短路 晶振体只能工作于上述两种方式 否则频稳度下降 3 4 2晶体振荡电路 一 并联型晶体振荡电路 晶体振荡器 1 电路 皮尔斯 Pirece 晶体振荡电路 a 实际电路 b 交流通路图3 4 1皮尔斯振荡电路 RB1 RB2和RE 分压偏置电路 LC 高频扼流圈 CB 旁路电容 CC 耦合电容 2 原理 由等效电路 它与Clapp电路十分相似 Cq类似于C3 3 频率准确度微调 实际频率与标称频率往往有偏差 若要求准确度高 必须设频率微调 4 提高频稳度的措施 图3 4 6采用微调电容的晶体振荡电路 1 恒温槽 将晶体或振荡器置于恒温槽内 槽内温度控制在晶体拐点温度 在该温度范围内 晶振温度系数为0 附近 频稳度可达10 10数量级 2 变容管的温度补偿电路 电路 T1 Pirece晶体振荡电路 原理 温度控制电路中 热敏元件使Vi反映了温度的变化 作用到变容二极管 使其电容改变 补偿因温度引起振荡频率的变化 5 泛音振动 基波和低次泛音的抑制 1 电路 将Pirece电路中C1用LC1谐振回路取代 2 原理 假设取五次泛音晶体 标称频率5MHz 为了抑制基波和三次泛音的寄生振荡 LC1应调谐在三次和五次泛音之间 例如3 5MHz 图3 4 8 在5MHz频率上 LC1呈容性 满足电容三点式 对基频 三次泛音 LC1呈感性 组成法则不满足 对高于七次以上泛音 虽LC1呈容性 但分压比n过小 不满足起振条件 二 串联型晶体振荡电路 1 电路1 当f fs时 晶体串联谐振 等效为短路元件 T1 T2管和外接晶体构成正反馈放大器 满足相位平衡条件 且反馈最强 满足起振条件 图3 4 9XK76集成晶体振荡的内部电路 谐振频率 fs f fs时 晶体呈高阻抗 反馈显著减弱 不能满足振幅和相位起振条件 所以这种振荡器的振荡频率受晶体串联谐振频率的控制 具有很高的频稳度 2 电路2 晶体串联谐振频率 等效为短路元件 电路符合三点式组成法则