石英晶体振荡器电路设计

本科生课程设计 论文 I 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 高频电子线路高频电子线路 课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 石英晶体振荡器电路设计石英晶体振荡器电路设计 院 系 院 系 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 专业班级 专业班级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 起止时间 起止时间 2014 6 16 2014 6 272014 6 16 2014 6 27 本科生课程设计 论文 II 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电子与信息工程学院 教研室 电子信息工程 学 号学生姓名专业班级 课程设计 论文 题目 石英晶体振荡器电路设计石英晶体振荡器电路设计 课程设计 论文 任务 要求要求 1 设计一个石英晶体振荡器 2 能够观察输入输出波形 3 观察振荡频率 参数参数 振荡频率 10000HZ 左右 设计要求 设计要求 1 分析设计要求 明确性能指标 必须仔细分析课题要求 性能 指标及应用 环境等 广开思路 构思出各种总体方案 绘制结构框图 2 确定合理的总体方案 对各种方案进行比较 以电路的先进性 结构的繁简 成本的高低及制作的难易等方面作综合比较 并考虑器件的来源 敲定可行方 案 3 设计各单元电路 总体方案化整为零 分解成若干子系统或单元电路 逐个 设计 4 组成系统 在一定幅面的图纸上合理布局 通常是按信号的流向 采用左进 右出的规律摆放各电路 并标出必要的说明 指导教师评语及成绩 平时成绩 20 论文成绩 50 答辩成绩 30 总成绩 学生签字 本科生课程设计 论文 III 注 成绩 平时20 论文质量50 答辩30 以百分制计算 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 石英晶体振荡器 1 1 2 设计要求 1 第 2 章 石英晶体振荡器设计电路 2 2 1 石英晶体振荡器总体设计方案 2 2 2 具体电路设计 2 2 2 1 串联型晶体振荡器 2 2 2 2 并联型晶体振荡器 4 2 2 3 输出缓冲级设计 5 2 3 元件参数的计算 5 2 4Multisim 软件仿真 6 2 4 1 串联型振荡器输出测试 6 2 4 2 并联型振荡器输出测试 7 第 3 章 课程设计总结 9 参考文献 10 附录 总体电路图 11 附录 元器件清单 12 年 月 日 本科生课程设计 论文 IV 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 石英晶体振荡器 石英晶体振荡器是利用石英晶体即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 振荡器 简称为石英晶体或晶体 振荡 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 变电场的频率与田英晶体的固有频率相同时 振动便变得 很强烈 这就是晶体谐振特性的反应 利用这种特性 就可以用石英谐振器取代LC 谐振回路 滤波器等 由于石英谐振器具有体积小 重量轻 可靠性高 频率稳定 度高等优点 被应用于家用电器和通信设备中 1 2 设计要求 1 设计一个石英晶体振荡器 2 能够观察输入输出波形 3 观察振荡频率 4 参数 振荡频率 10000HZ 左右 本科生课程设计 论文 2 第 2 章 石英晶体振荡器设计电路 2 1 石英晶体振荡器总体设计方案 本次设计首先以 NPN 型晶体管 2N2222 和 10M 石英晶体为基础分别设计出不同 形式的串并联型振荡器 通过对各种不同形式的串联型振荡器和并联型振荡器做出 比较之后 综合设计出一个通过跳线可实现串并联转换的石英晶体正弦波振荡器 然后根据石英晶体振荡器的输出要求设计出对应的缓冲输出级 将两部分连接之后 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 的电路原理图进行实物的连接和调试 从而完成整个正弦波振荡器的设计 2 2 具体电路设计 根据设计要求 该晶体振荡器通过跳线能够实现串联谐振和并联谐振晶体振荡 器的转换 通过比较并联谐振晶体振荡器和串联谐振晶体振荡器的原理可以发现 串联型晶体振荡器同 c b 型并联晶体振荡器结构类似 二者同为电容三点式反馈振 荡器 晶体在并联和串联振荡器方式下作用不同 在并联方式下 要求晶体工作于 感性区 其等效电感与外部电容构成振荡回路 该回路满足电容三点式条件 而在 串联谐振振荡器中晶体则充当选频短路线作用 因晶体 Q 值很高 通频带很窄 而 频率选择性很高 可以从振荡回路中选出频率为晶体振荡频率的谐波 反馈至振荡 器的输入 从而使振荡器输出频率稳定的正弦波 若将晶体短路 则电路变成电容 三点式振荡器 并且可以正常起振 2 2 1 串联型晶体振荡器 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 本科生课程设计 论文 3 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 2 1 串联型晶体振荡器实际电路 图 2 2 串联型晶体振荡器等效电路 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 本科生课程设计 论文 4 2 2 2 并联型晶体振荡器 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 2 3 c b 型并联晶体振荡器实际线路 本科生课程设计 论文 5 图 2 4 c b 型并联晶体振荡器等效线路 2 2 3 输出缓冲级设计 常用的输出缓冲级是在电路的输出端加一射极跟随器 从而提高回路的带负载 能力 射极跟随器的特点是输入阻抗高 输出阻抗低 电压放大倍数略低于 1 带 负载能力强 具有较高的电流放大能力 它可以起到阻抗变换和极间隔离的作用 因而可以减小负载对于振荡回路的影响 射极跟随器的典型电路如图 2 5 所示 图 2 5 输出缓冲级电路 输出缓冲级主要完成对所产生的振荡信号进行输出 不管是并联谐振正弦波晶 体电路还是串联谐振晶体电路 它们的带负载都不是很强 负载值改变时可能造成 振荡器的输出频率变化 也可能影响振荡器的输出幅度 输出缓冲级的作用就是提 高整个振荡器的带负载能力 即使振荡器的输出特性不受负载影响 或影响较小 2 3元件参数的计算 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 本科生课程设计 论文 6 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 R3 R8 决定 将电感短路 电容断路 得到直流通路如图 2 6 所示 图 2 6 直流通路等效电路 如图 2 6 所示 其中 V1 5V 要使三极管满足起振条件 则静态时它应工作在 放大区 故 R3 两端电压应大于 0 7V 一般情况下发射极电流为 mA 级 基极电流 uA 级 不妨取 R1 R3 5 1K R2 400 45 则 Vb 2 5V Ie 4 5mA Ib 100uA 符合射级要求 为了调节方便 在 R1 处在串联一电位器 最大阻值为 10K 对于 振荡器 当该电路接为串联型振荡器时 晶体起到选频短路线的作用 输出频率应 为 10MHZ 不妨取 L1 1uH 则由f0 2 回路总电容 C 253 3pF 即 C2 C3 串LC 联后的总电容为 253 3 pF 则取 C2 300pF C3 1600pF 为了便于调节 C2 由一定值 电阻和可变电阻并联而成 当该电路接为并联型振荡器时 晶体起到等效电感的作 用 此时工作频率介于两谐振频率之间 同时为了提高振荡器的带负载能力 应附 加一个缓冲输出级 本设计中使用的是一个射级跟随器 为了提高振荡器的工作性 能和稳定度 在电路中还应有高频电源去耦电容和高频扼流圈 一般取电解电容 C 100nF 瓷片电容 C 10 nF 扼流圈 L 330mF 本科生课程设计 论文 7 2 4Multisim 软件仿真 2 4 1 串联型振荡器输出测试 在 Multisim 软件环境下进行仿真 此时开关 J1 上端接通 下断开 J2 全部断 开 形成串联型振荡器 为了便于观察振荡器工作时各部分电路的工作情况 分别 在振荡器输出端和缓冲级输出端接入示波器观察波形 记录示波器上显示的输出振 幅和输出频率 仿真波形如图 2 7 所示 图 2 7 串联型振荡器输出波形 从图 2 7 中可以看出 输出波形为正弦波 幅值为 Vo 1 535V 输出频率 f 9 85MHZ 波形有较小的失真 这是由于元件参数的精度较低导致的 该振荡器 的设计符合设计要求 本科生课程设计 论文 8 2 4 2 并联型振荡器输出测试 在 Multisim 软件环境下进行仿真 此时开关 J1 上端断开 下端接通 J2 接通 形成并联联型振荡器 为了便于观察振荡器工作时各部分电路的工作情况 分别在 振荡器输出端和缓冲级输出端接入示波器观察波形 记录示波器上显示的输出振幅 和输出频率 仿真波形如图 2 8 所示 图 2 8 并联型振荡器输出波形 从图 2 8 中可以看出 输出波形为正弦波 幅值为 Vo 1 554V 输出频率 f 10 08MHZ 波形有较小的失真 这是由于元件参数的精度较低导致的 该振 荡器的设计符合设计要求 本科生课程设计 论文 9 第 3 章 课程设计总结 本次课设是完成一个高频晶体正弦波振荡器的设计 首先在 Multisim 软件环境 下进行电路原理图的设计 绘制和仿真 然后对电路中的各个部分进行调整修改 按照设计的电路原理图完成实物的连接 连接后在实验室不断地调试 修改 最后 得到设计要求的输出波形 此次高频课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严 格 需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案 然后逐步细化进 行各模块的设计 其次 在电路仿真的过程中总会出现一些问题 需要我们细心解 决 所以这周下来 我对电路故障的排查能力有了很大的提高 再次 通过此次课 程设计 我对设计所用到的软件有了更加深刻地了解 这对我们以后的工作和学习 的帮助都很有用处 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 在这次课设中 我首先要感谢学校给我们提供的机会 其次我要感谢我的老师 在课程设计上给予我的指导 提供给我的支持和帮助 这是我能顺利完成这次报告 的主要原因 更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题 让我能把设计做得更 加完善 在此期间 我不仅学到了许多新的知识 而且也开阔了视野 提高了自己 的设计能力 最后 我要感谢帮助过我的同学 他们也为我解决了不少我不太明白 的设计上的难题 同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境 最后再一次 感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学 本科生课程设计 论文 10 参考文献 1 曾兴雯 刘乃安 陈建 高频电路原理与分析 西安 线电子科技大学出版社 2007 9 2 刘泉 通信电子线路 北京 高等教育出版社 2005 5 3 林嘉瑞 高频电路原理 北京 电子工业出版社 2003 1 4 高吉祥 高频电子线路 北京 电子工业出版社 2005 7 5 刘骋 高频电子技术 北京 人民邮