高频课程设计word格式可编辑.doc

1 总体设计方案与要求1.1 设计任务的目的 （1） 掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，并在此基础上设计一个可实现调频，调幅功能的晶体正弦波振荡器。（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。1.2 设计任务的性能指标根据已知条件，完成通过基于石英晶体的正弦波振荡器的设计、连接与仿真。该振荡器须符合以下要求： （1）采用晶体三极管构成一个正弦波振荡器；（2）额定电源电压12.0V ，电流13mA; 其中本振的输出频率为16.455MHz;振荡器的输出频率为10MHz;（3）振荡器输出信号幅度 0.5 V (P-P)。 2 设计课题总体方案及工作原理说明2.1 设计方案 本次设计首先以NPN型晶体管9014/9013和标称频率为10MHz/16.455MHz的石英晶体为基础分别设计出16.455MHz本振信号振荡器和10MHz的晶体振荡器，然后根据石英晶体振荡器的输出要求设计电路，然后根据电路图的基本形式和设计的要求计算出各元件的参数和性能要求。根据仿真后的电路原理图进行调试，从而完成整个正弦波振荡器的设计。2.2 设计方案晶体管的介绍和工作原理2.2.1 石英晶体的详细介绍 石英晶体作为滤波、振荡元件已广泛应用在广播通讯、电子测量、航空、航天等方面。其发展历史只有短短几十年,美国是发展石英晶体最早的国家,而像CORNIGN这样的老牌公司也只是在1941年才注册成立。最近一、二十年来,由于PCS、GSM、GPS、PDC、CDMA等诸多移动通讯技术的需求,石英晶体振荡器中的石英晶体谐振器不再是单一元件,它已发展成为组件,而且几乎全部以集成化、全集成化、全数字化形式展现出来,体积比过去缩小了数倍乃至数十倍。石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。2.2.2 晶体振荡器的原理及特性(1)原理：本次设计首先以NPN振荡器由一个放大器和反馈网络组成，反馈网络起到频率选择的作用。图2.1通过一个框图来说明振荡器的基本原理。图2.1 振荡器的基本原理 其中： A(f)是放大器部分，给这个闭环系统提供能量以保持其振荡。 式2.1B(f)是反馈通道，它决定了振荡器的频率。 式2.2为了起振，Baukhausen条件必须得到满足。即闭环增益应大于1，并且总相移为360。 式2.3 为了让振荡器工作，要保证|A(f)|.|B(f)| 1。这意味着开环增益应远大于1，到达稳定振荡所需的时间取决于这个开环增益。然而，仅满足以上条件是不够解释为什么晶体振荡器可以开始振荡。为了起振，还需要向其提供启动所需的电能。一般来说，上电的能量瞬变以及噪声可以提供所需的能量。应当注意到，这个启动能量应该足够多，从而能够保证通过触发使振荡器在所需的频率工作。 实际上，在这种条件下的放大器是非常不稳定的，任何干扰进入这种正反馈闭环系统都会使其不稳定并引发振荡启动。干扰可能源于上电，器件禁用/使能的操作以及晶振热噪声等.。同时必须注意到，只有在晶振工作频率范围内的噪声才能被放大，这部分相对于噪声的全部能量来说只是一小部分，这也就是为什么晶体振荡器需要相当长的时间才能启动的原因。（2）特性：石英晶体是一种可将电能和机械能相互转化的压电器件，能量转变发生在共振频率点上。它可用如下模型表示：图2.2 振荡器的模型 C0：等效电路中与串联臂并接的电容(译注：也叫并电容，静电电容，其值一般仅与晶振的尺寸有关)。 Lm：(动态等效电感)代表晶振机械振动的惯性。 Cm：(动态等效电容)代表晶振的弹性。 Rm：(动态等效电阻)代表电路的损耗。 晶振的阻抗可表示为以下方程(假设Rm可以忽略不计)： 式2.4 图2.3 石英晶振的频域电抗特性 其中Fs的是当电抗Z=0时的串联谐频率(译注：它是Lm、Cm和Rm支路的谐振频率)，其表达式如下： 式2.5 Fa是当电抗Z趋于无穷大时的并联谐振频率(译注：它是整个等效电路的谐振频率)，使用式2.4，其表达式如下： 式2.6在Fs到Fa的区域即通常所谓的：“并联谐振区”(图2.3中的阴影部分)，在这一区域晶振工作在并联谐振状态(译注：该区域就是晶振的正常工作区域，FaFs就是晶振的带宽。带宽越窄，晶振品质因素越高，振荡频率越稳定)。在此区域晶振呈电感特性，从而带来了相当于180 的相移。其频率FP(或者叫FL:负载频率)表达式如下： 式2.7从表达式2.7，我们知道可以通过调节负载电容CL来微调振荡器的频率，这就是为什么晶振制造商在其产品说明书中会指定外部负载电容CL值的原因。通过指定外部负载电容CL值，可以使晶振晶体振荡时达到其标称频率。 下表给出了一个例子来说明如何调整外部参数来达到晶振电路的8MHz标称频率： 表2.1 等效电路参数实例 等效元件数值Rm8Lm14.7mHCm0.027pFC05.57pF使用表达式2.5、2.6和2.7，我们可以计算出该晶振的Fs、Fa 及FP： Fs = 7988768Hz，Fa = 8008102Hz 如果该晶振的CL为10pF，则其振荡频率为：FP = 7995695Hz。 要使其达到准确的标称振荡频率8MHz，CL应该为4.02pF。 。 3 石英晶体管部分电路设计3.1 串联型谐振晶体振荡器在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路中。图2-1和图2-2显示出了一串联型振荡器的实际路线和等效电路。可以看出，如果将石英晶体短路，该电路即为电容反馈的振荡器。电路的实际工作原理为：当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，晶体的阻抗最小，近似为一短路线，电路满足相位条件和振幅条件，故能正常工作；当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时，晶体阻抗增大，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作。图3-1 串联型谐振型晶体振荡器实际电路 图3-2 串联型振荡器等效电路串联型晶体振荡器只能适应高次泛音工作，这是由于晶体只起到控制频率的作用，对回路没有影响，只要电路能正常工作，输出幅度就不受晶体控制。为了减小L、C1、C3回路对频率稳定度的影响，要求将该回路调谐在石英晶体的串联谐振频率上。3.2 并联型谐振晶体振荡器 c-b型并联晶体振荡器的典型电路如图2-3所示，振荡管的基极对高频接地，晶体接集电极与基极之间，C2和C3位于回路的另外两个电抗元件，振荡器的回路等效电路如图2-4所示，它类似于克拉泼振荡器，由于Cq非常小，因此，晶体振荡器的谐振回路与振荡管之间的耦合电容非常弱，从而使频率稳定度大大提高。由于晶体的品质因数很高，故其并联谐振阻抗也很高，虽然接入系数很小，但等效到晶体管CE两端的阻抗仍很高，因此放大器的增益高，电路容易满足振幅齐起振条件。图3-3 c-b型并联晶体振荡器实际电路 图3-4 c-b型并联晶体等效电路 b-e型并联晶体振荡器的典型电路如图2-5所示，该电路是一个双回路振荡器，它的固有谐振频率略高于振荡器的工作频率，负载回路选用的是并联谐振回路，可以抑制其他谐波，有利于改善输出波形，并且电路的输出信号较大，但频率稳定度不如b-c型振荡电路，因为在b-e型电路中，石英晶体则接在输入阻抗低的b-e之间，降低了石英晶体的标准性。其等效电路如图2-6所示图3-5 b-e型并联晶体振荡器实际电路 图3-6 b-e型并联晶体振荡器等效电路一般LC振荡器相比，石英晶体振荡器在外界因素变化而影响到晶体的回路固有频率时，它还具有使频率保持不变的电抗补偿能力，原因是石英晶体谐振器的等效电感Le与普通电感不同，当频率由Wq变化到Wo时，等效电感值将由零变到无穷大，这段曲线十分陡峭，而振荡器又刚好被限定在工作在这段线性范围内，也就是说，石英晶体在这个频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线，因而它具有很高的电感补偿能力。而本次设计为并联谐振型晶体振荡器。3.2 泛音晶体振荡器在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电路中，为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上，不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡而且必须正确地调节电路的环路增益，使其在工作泛音频率上略大于1，满足起振条件，而在更高的泛音频率上都小于1，不满足起振条件。在实际应用时，可在三点式振荡电路中，用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件，使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则，不能起振；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振。图2.3.1给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为MHz，基频为MHz，则回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样在MHz频率上，回路呈容性，振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说，回路呈感性，电路不符合组成法则，不能起振。而在七次及其以上泛音频率，回路虽呈现容性，但等效容抗减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于1，不满足振幅起振条件。图3.7 泛音晶体振荡器电路4 硬件电路各部分电路设计4.1 硬件电路图及各模块功能简要介绍4.1.1 Multisim仿真图 图4.1 电路原理图 图中VT10为第一级放大，VT9为第二级放大，C5、C8作为晶振芯片的外部匹配电容，输出端的电位器作为调节频率的幅度。 图4.2 电路的交流通路4.1.2 电路仿真（1）波形输出图4.3 电路的仿真波形图4.3中波形周期为93.5nS,得出频率约等于10MHz（2） 三极管的静态工作点 图4.4 三极管的测量电压如图4.4中Uc=9.393V,Ub=4.963V,Ue=4.332V,即Uce=5.061V,Ube=0.631V。正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。振荡器主电路的静态工作点主要由R1、R2、R4、W决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图4-5所示： 图4-5 直流通路的等效电路高频振荡器的工作点要合适，若偏低、偏高都会使振荡波形产生严重失真，甚至停振。实际中取，若取则有： 式4.1为提高电路的稳定性，Re值可以适当增大，取，则： 式4.2 式4.3若取流过的电流为，则取： 式4.4 式4.6实际电路中，可用电阻与电位器串联，可以取，以便工作点的调整。由此知该实际电路三极管工作在放大状态（甲类）。4.2 PCB图4.3 实物图4.4 元器件清单 见附表I5 protel99SE绘图5.1 对元器件的前期准备确定原理图后，就得开始对各个元器件的阻值和符号进行标注。最关键的还是各个元器件的封装，一定要根据实物的大小了封装。像一些电阻、电容等常用的就库里就有的，不过有些元器件的封装还得自己画。原理图设计布局、布线PCB加工、装配机盘调试通过?设计成功图5.1 画PCB图总的顺序5.2 Sch原理图应注意常见问题根据自己元器件的复杂程度和数量来确定框的大小，把元器件根据输入和输出分别放两端，调整元器件使它看起来最简单，然后在规则中设定一些值，如焊盘大小2.5mm，线与线间距最小距离为0.7mm，连线大小GND为1.5mm，VCC为1.2mm，信号线为1mm等等。这些弄好后就可以开始进行手工布线了，布线的时候注意线要尽量的拉直，但是线转方向的时候最好不要有直角，能粗的就要粗点，还有最好没有跳线。5.3 PCB设计中应注意的问题1、布线方向：从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修。2、各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求。 3、设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。 4、设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。5、布线条宽窄和线条间距要适中，电容器两焊盘间距应尽可能与电容引线脚的间距相符；6、设计应按一定顺序方向进行，例如可以由左往右和由上而下的顺序进行。7在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线，并按一 定顺充要求走线，力求直观，便于安装，高度和检修。5.4焊盘应注意的常见问题1、 焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。2、焊盘的开口：有些器件是在经过波峰焊后补焊的，但由于经过波峰焊后焊盘内孔被锡封住，使器件无法插下去，解决办法是在印制板加工时对该焊盘开一小口，这样波峰焊时内孔就不会被封住，而且也不会影响正常的焊接。 3、焊盘补泪滴：当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。 4、相邻的焊盘要避免成锐角或大面积的铜箔，成锐角会造成波峰焊困难，而且有桥接的危险，大面积铜箔因散热过快会导致不易焊接。心得体会这次课程设计给我带来了很大的收获，让我学到了许多在课堂上学不到的知识，不仅掌握了简单的电子电路的设计与制作，也掌握了一些芯片的原理与作用。在制作电路时，我深深体会到连接电路时一定要认真仔细，而且要确保每条导线接触良好。在接电路之前，一定要把电路的原理搞清楚，通过查资料把电路中的每个元件的作用弄明白和把每个芯片的管脚的功能弄清楚，明白每个元件的各个管脚与它哪里相对应，其实最主要的是要搞清楚元件与元件之间的连接关系，它们接在一起可以实现哪些功能，明白后，就可以去接电路了。接线时不仅要仔细并且还要有耐心，不能急于求成，只要做到了这些才能保证电路成功率比较高。通过此次课程设计，还让我们对仿真和实物的结果有了一定的了解，有时候仿真出来了，实物却出不来，而有时候恰恰相反，当然有时候仿真和实物都能出结果，而且结果相仿。我们做设计时就要努力达到此要求。此次课程设计跟以往有所不同，以往是独自完成，而这一次是四个人一起合作。在合作当中，我们取长补短，互相合作，以此来弥补自己在课堂上漏掉的知识和空缺。通过此次课程设计，我对晶体管的构造及其功能有了充足的了解，也能涉及到晶体振荡器的一些衍生产品，比如温控型晶体振荡器。致 谢 本次设计得到了张老师和同组员的大力支持，在此一并致谢！限于本人的能力和水平，错误和不妥之处在所