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通信电子线路课程设计报告章雅婷通信电子线路课程设计报告学 院： 信息科学与工程学院 课题名称： 晶体振荡器的设计 姓 名: 指导老师： 专业班级： 学 号： 目 录绪 论21. 课程设计题目与要求31.1 课程设计题目：31.2 课程设计题目要求：31.3 课程设计目的：32. 晶体振荡器原理说明32.1 石英晶体振荡器简介32.2 晶体管内部工作原理62.3 振荡产生的原理62.4 起振的过程72.5 振幅的稳定73. 系统方案设计分析73.1 设计思路73.2 设计方框图83.3 电路的选择83.4各部分电路的设计113.5 电路器件与参数的设计124. 系统仿真与调试过程184.1 电路仿真184.2 电路调试194.3 电路调试结果205. 系统性能进一步改进286. 实验中遇到的问题及解决方案296.1 波形截止失真问题296.2 负载变化对输出振幅频率的影响296.3 峰峰值的影响因素307. 总结与心得体会30参考文献32绪 论石英晶体振荡器是一种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，及通信系统中用于频率发生器。石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。但石英晶体成本较高，故在要求不太高的电路中一般采用陶瓷谐振元件。此次通信电子电路课程设计利用石英晶体的压电效应，对构成正弦波的振荡器的方法做了较深入的研究，对振荡器的原理及石英晶体振荡器原理做了详细的介绍。并通过Multisim 软件设计、仿真出并联型及串联型石英晶体振荡器，还对并联型的石英晶体振荡器进行了改进，加上了射极跟随器以达到更稳定的频率输出。最后，按照原理图进行参数的计算和仿真、调试，成功输出符合设计要求的波形，即完成了晶振频率为20MHz，输出信号幅度5V（峰-峰值）的石英晶体振荡器的设计。另一方面，也通过实验证明了上述理论的可靠性。在本文总结中，通过对系统性能分析，找出了系统的不足之处，并提出了符合实际情况且有可行性的改进方案，整体来说较成功地完成了这次通信电子电路的课程设计。1. 课程设计题目与要求1.1 课程设计目的：正弦波高频振荡器的设计与实现，通过设计晶体振荡器，了解石英晶体的结构和特性，振荡器工作状态，反馈系数、品质因素等对振荡器的影响，掌握振荡器的设计，掌握晶体振荡器的设计方法以及设计思路。通过课程设计，使自己加强对高频电子技术电路的理解，学会查寻资料方案比较，以及设计、计算等环节。进一步提高分析、解决实际问题的能力，创造一个动脑动手独立开展电路实验的机会，锻炼分析解决高频电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强自己的实践能力。1.2 课程设计题目：晶体振荡器的设计1.3 课程设计题目要求：设计一个晶振振荡器。主要技术指标：1、晶振频率为20MHz；2、 输出信号幅度5V（峰-峰值）。2. 晶体振荡器原理说明2.1 石英晶体振荡器简介2.1.1石英晶体的基本结构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。图2.1是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。图2-1 石英晶体结构2.1.2 石英晶体的物理特性石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英晶体切片制成。石英是二氧化硅，在自然界中以六角锥体出现，常用的石英晶体是压电石英，它是一种各向异性的结晶体，振荡器中所用的石英片或石英棒都是按一定的方位从石英晶体中切割出来的。在晶体的两面制作金属电极，并与底座的插座相连，最后以金属壳封装或玻璃壳封装，成为晶体谐振器。石英晶体之所以能够成为电的谐振器，是由于它具有压电效应。所谓压电效应，就是当晶体受外力的作用而变形时，就在它对应的表面上产生正、负电荷，呈现出电压。如果在晶体振子板极上施加交变电压，就会是晶片产生机械变形振动。此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体振荡器的固有频率时就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。对于一定形状和尺寸的某一晶体，它既可以在某一基频上谐振，也可以在某一高次谐波上谐振。通常把利用晶片基频共振的谐振器称为基频谐振器，频率用KHZ表示。把利用晶片谐频共振的谐振器称为谐频谐振器，频率用MHZ表示。与LC振荡器相比，晶体振荡器的标准性较好，谐振回路的Q值较高，有载情况下Q值依然很高。所以晶体振荡器的频率稳定度高。所以在需要频率稳定度高的振荡电路时就选用晶体振荡器。2.1.3 等效电路及阻抗特性图2-1是石英晶体谐振器的电路符号和等效电路。图2-2 晶体振荡器的电路符号与等效电路图中是晶体作为电介质的静电容，即晶体不振动时两极板间的等效电容，与晶片尺寸有关，一般约为几到几十pF。、是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数。是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗，它们的数值与晶片切割方位、形状和大小有关，一般它的非常大，而、又非常小。品质因数，故Q 值很高，在之间，由于石英晶振的接入系数很小，所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。由图2-1可以看出，晶体振荡器是一串并联的振荡回路，其串联谐振频率和并联谐振频率分别为：由上式可出求出它的阻抗频率特性曲线如图2-2所示：图2-3 晶体的电抗特性曲线当或时，晶体谐振器显容性；当在和之间，晶体谐振器等效为一电感，而且为一数值巨大的非线性电感。由于很大，即使在处其电抗变化率也很大。实际应用中晶体工作于之间的频率，因而呈现感性。2.2 晶体管内部工作特点石英晶体作为振荡回路元件能使振荡器的频率稳定度大大提高的原因在于：（1）、石英晶体的物理和化学性能都十分稳定，因此，它的等效谐振回路有很高的标准性；（2）、它具有正、反压电效应，而且在谐振频率附近，晶体的等效参数Lq很大、Cq很小、Rq也不高。因此，晶体的Q值可高达数百万数量级；（3）、在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。2.3 振荡产生的原理如果在放大器的输入端不加输入信号，输出端仍有一定的幅值和频率的输出信号，这种现象叫做自激振荡。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。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，。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AFUbUe根据设计好的静态工作点的电路图，在Multisim软件中晶体管Q1的b、e、c三端接入示波器，观察静态时各极上的电压，如图所示。 图4-4 静态工作点测试结果图测量结果如表4-1所示。表4-1 静态工作时各极电压参数VbVcVeVbeQ14.682V6.646V3.982V0.700V根据表4-1中的数据可以看出，Q1、Q2均工作在放大状态，满足UcUbUe,满足起振条件，该电路的静态工作点符合要求。4.3 电路调试结果本次设计首先以NPN型晶体管2SC2786和标称频率为15MHz的石英晶体为基础设计并联型振荡器，通过22V的直流电源和调节100K的电位器W为三极管提供合适的静态工作点，、组成振荡回路。静态电流的选择既要保证振荡器处于截止平衡状态也要兼顾开始建立振荡时有足够大的电压增益。这里，以改进前的并联型晶体振荡器为例，在Multisim软件环境下进行仿真，为了便于观察振荡器工作时各部分电路的工作情况，在振荡器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。4.3.1起振过程开关闭合，开始运行初始阶段，能通过示波器观察到振荡器起振过程，如图4-5所示，可观察到起振速度较快，如图4-6所示。图4-5 初始起振过程仿真图图4-5 起振过程仿真图4.3.2稳频后波形起振完成后，频率稳定了的波形如图4-6、图4-7所示：图4-6 稳定后的仿真形图4-7 稳频后的波形图由示波器所示图形可知，在石英晶体振荡器起振并稳定后，能输出幅度峰峰值超过5V，振荡频率稳定在20MHz的正弦波。4.3.3输出幅度、晶振频率测试结果对该20MHz石英晶体振荡器的输出信号幅度进行观察测设，测得此时输出信号幅度（峰峰值）为5V以上，并可通过调节电位器来调节静态工作点，并进一步调节输出信号的幅度大小，串联型晶振电路和并联型晶振电路的测试结果如下所示。（1）串联型晶体振荡器稳频后结果示波器显示稳定后的振荡波形，振荡频率Freq=20.1MHz，峰峰值Pk-Pk=5.04V。测试结果如下所示：图4-8 串联晶振稳频后结果图（2）并联型晶体振荡器稳频后结果示波器显示稳定后的振荡波形，振荡频率Freq=20.0MHz，峰峰值Pk-Pk=5.41V。测试结果如下所示：图4-9 并联晶振稳频后结果图4.3.4输出结果分析（1）串联型晶体振荡器输出结果分析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等幅条件，电路不能正常工作。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。晶振频率也较稳定在20MHz左右，利用频率计显示测试结果如下图所示： 图4-10 晶振稳频后频率计测试结果图不足：但是在仿真的过程中可以感受到，串联型晶振调节电路中各个参数的时候，比较麻烦，最后即使达到要求输出的频率和峰峰值时，波形的峰峰值（即幅值）波动很大，波形也并不是很稳定，可以在上面的结果图中明显看到波峰值参差不齐，得到结果不理想。（2）并联型晶体振荡器输出结果分析并联型晶振电路的仿真也同样实现了振荡频率20MHz和峰峰值大于等于5V的要求。与串联型晶振电路相比，并联型晶振电路的调试过程比较顺利，调节好静态工作点和选频网络后，最后即可得到输出波形。相比之下，并联型的输出波形更稳定。对电路进行瞬态分析，结果如下图4-11所示，可见波形会在一定时间有微小的失真：图4-11 并联型晶体振荡器瞬态分析结果图对电路的输出点V(4)点进行了傅里叶分析如下图4-12所示，可见直流分量接近于零。图4-12 并联型晶体振荡器傅里叶分析结果图由仿真输出波形可知，输出可为波频率约为20MHZ，幅度为5V的正弦波，可以通过改变滑动变阻器来调整输出幅度的大小满足设计的要求幅度5V可微调，频率和幅度均满足设计要求的指标，且在该电路中其输出频率几乎不受外围电路的影响，严格按照石英晶体振荡器的频率工作，达到了设计的要求指标。不足之处：虽然并联型晶振电路已满足设计要求，但是仔细观察还是可以发现这个电路也存在一定的问题。最基础的这样一个并联型晶振电路在输出的时候峰峰值的波动并不很稳定，可以看到其平均值在5V左右，但是一直有从4V至5V左右的跳变，这对于实际中振荡器的稳定输出有一定的影响。因此，在并联型晶振电路的基础上还需要进行优化。4.4电路改进及分析4.4.1 改进后的电路仿真特点：增加了射极跟随器。它是一个电压串联负反馈放大电路，不仅输出电压与输入电压大小相等，而且相位也相同。具有高输入阻抗、低输出阻抗、输入信号与输出信号相位相同的特点。一般射极限随器的输出电阻在几十到几百欧之内，比共发射极电路小得多。输出电阻小，带负载的能力就强，可以带阻抗比较小的负载。图4-13 并联型晶体振荡器改进后仿真电路图利用射极限随器输入电阻大、输出电阻小的特点，还可以进行阻抗匹配。多级放大器中有时在两级之间加入一级射极限随器，使它的高输入阻抗与前级的高输出阻抗匹配；低输出阻抗与后级的低输入阻抗相匹配，起到缓冲作用，减少了前后级之间的影响，即可以起到隔离的作用。根据射极跟随器的动态特点：Au=(1+)RE/RL/rbe+(1+)RE/RL Ai=（1+） ri=rbe+(1+)RE/RLro=rbe/（1+） 可知，当负载电阻阻值确定的时候，很显然RE越大，Au越接近于1，并且在交流通路中，RE和RL是并联关系，要让放大了的电流尽可能多的流向RL，RE也应该大些。但是RE太大，电路中引入的负反馈会随之增大，降低放大倍数。则RE太大也不行。故，在这个电路调试的过程中，依据此原理，对参数进行选择测试，最后得到可行电路，如上图4-13所示。示波器显示稳定后的振荡波形，振荡频率Freq=20.0MHz，峰峰值Pk-Pk=5.41V。测试结果如下图4-14所示： 图4-14 并联型晶体振荡器改进后测试结果图此时通过观察，可以明显地发现，加了射极跟随器后的输出峰峰值非常稳定，几乎没有跳变，一直稳定在5.41V上，获得了理想的效果。对电路进行瞬态分析如下，相比原先，失真有所缓解：图4-15 并联型晶体振荡器改进后瞬态分析图 对电路的V(6)和V(7)点进行了傅里叶分析如下图4-16和4-17所示图4-16 并联型晶振器改进后V(6)点傅里叶分析图图4-17 并联型晶振器改进后V(7)点傅里叶分析图V(6)是输出级未经过电容C5前的分析，V(7)是经过电容后的分析。可以发现，在V(6)点和V(7)点，voltage的频谱并没有变化，而其DC component直流分量有明显的不同，通过电容C5后，直流分量接近0值。说明电容C5的功能是滤除直流分量，进一步提高输出稳定性。5. 系统性能进一步改进在实际应用中，我们还应考虑到石英晶体振荡器稳定度的问题。 所谓频率稳定,就是在各种外界条件发生变化时，振荡器实际工作频率与指定频率之间偏差最小，稳定的振荡频率，才能使一些电路对信号能够正确处理准确输出。为使石英晶体振荡器频率稳定，要考虑以下因素，并采取相应措施。石英晶体的老化效应，是指它的谐振频率随时间作缓慢变化的现象。石英晶体虽经过厂家老化处理,但还须在使用数十天后，或调整频率补偿电容，才能使振荡器工作在指定频率上。石英晶体工作时，两端加有激励电压，要消耗一定功率。激励电压过高，损耗产生的热效应过大，而使谐振频率变化，产生不可逆的老化漂移，或使晶片振动振幅过大，甚至可造成晶片振裂损坏，过小的激励电压，将使振荡器输出减小，甚至不能维持振荡。为使石英谐振器频率稳定,激励电平要合适且稳定。石英晶体振荡器，除有良好的振荡电路外，还要采取措施，减小外界温度对振荡频率的影响。所以，可以考虑简单的温度补偿石英振荡器的电路，如图5-1,所示。图5-1 简单的温度补偿石英振荡器的电路原理图变容二极管与石英晶体串联，热敏电阻Rt为变容二极管提供随温度变化的偏压。外界温度改变时，变容二极管的电容变化，使石英晶体随温度变化的谐振频率，向相反方向变化，以减小温度对振荡频率的影响。6. 实验中遇到的问题及解决方案6.1 波形截止失真问题由于元件参数的精度较低，该电路仿真也有很大的不足之处。首先是，波形有出现截止失真，即通过示波器输出端观察，会出现底部削平的波形（如图），一般原因通常都是，静态工作点设置的太低，需要将静态工作点Q上调。因此调节三极管基极增大下拉电阻的阻值，或降低上拉电阻的阻值。修改静态工作点后的输出如下图6-1和6-2所示： 图6-1 Q修改前底部有截止失真现象 图6-2 Q修改后失真缓解6.2 负载变化对输出振幅频率的影响在并联型晶振电路中R6是负载（串联型中R3是负载，改进后电路中R7是负载），在还未完成电路参数设计时，经过多次尝试发现振荡器负载的变化也会引起输出振幅和频率的变化。负载一般是和谐振回路并联，一同接在放大器后级。负载阻抗和谐振回路的特性阻抗合成一个总阻抗，可以视为放大器的输出阻抗。由于放大器的放大系数很大程度上决定于它的输出阻抗，阻抗大则放大系数大。如果负载变得太小，就会导致回路的整体Q值急剧下降，结果导致振荡器稳定度下降，波形变坏，甚至停振。要是阻抗过大，会导致输出功率减小。故最后经过多