基于石英晶体的正弦波振荡器设计报告

PAGE课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：信息工程学院题目一：高频石英晶体正弦波振荡器初始条件： 具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、采用晶体三极管构成一个多功能正弦波振荡器；2、额定电源电压5.0V，电流1～3mA;输出频率10MHz；3、通过跳线可构成串、并联晶体振荡器；4、有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压≥1V(D-P);5、完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。时间安排：二十周一周，其中4天硬件设计与制作，3天调试及答辩。指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 IAbstract II1绪论 12设计内容及要求 12.1设计目的及主要任务 12.1.1设计目的 12.1.2设计任务及要求 12.2设计思想 23石英晶体特性简介 23.1物理特性 23.2等效电路及阻抗特性 23.3晶体谐振器的应用 34晶体正弦波振荡器的设计 34.1串联型晶体振荡器 44.2并联型晶体振荡器 54.2.1c-b型并联晶体振荡器 54.2.2b-e型并联晶体振荡器 64.3输出缓冲级设计 74.4晶体振荡器设计总原理图 74.4.1电路原理图的设计 74.4.2元件参数的计算 85电路仿真与硬件调试 95.1电路仿真 95.1.1静态工作点的测试 95.1.2串联型振荡器输出测试 105.1.3并联型振荡器输出测试 115.2硬件调试 116元器件清单 137总结与心得体会 14参考文献 15PAGEI摘要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，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，如彩电的色副载波振荡器、电子钟表的时基振荡器及游戏机中的时钟脉冲振荡器等，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。本设计对利用石英晶体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、仿真出串并联可交换的石英晶体振荡器，最后按照原理图进行实物的连接、调试和参数的计算。关键词：晶体；振荡器；串并联；Multisim仿真；Abstract

Quartzcrystaloscillatorisahighprecisionandhighstabilityoftheoscillator,iswidelyusedincolortelevisionsets,computers,remotecontrolsandotherkindsofoscillatorcircuits,andcommunicationssystemsforthefrequencygenerator,generatetheclockforthedata-processingequipmentsignalandreferencesignalsforaparticularsystem.Quartzresonatorsforveryhighfrequencystability,itismainlyusedintherequiredoscillationfrequencyisverystableasresonantcircuitelementssuchascolorTVcolorsubcarrieroscillator,electronicwatchesandgameswhenthebaseoftheclockoscillatorpulseoscillators,quartzcrystalhighcost,itisnottoohighintherequiredcircuitcomponentsgenerallyuseceramicresonators.Thisdesignconstitutesasinewaveontheuseofquartzcrystaloscillatormethodtodoamorein-depthresearchontheoscillatorprincipleandprincipleofquartzcrystaloscillatorsmadeadetailedintroductionandadoptionofMultisimsoftwaredesign,simulationacommutativeseries-parallelquartzcrystaloscillator,andfinallyinaccordancewiththeschematicdiagramforphysicalconnections,debuggingandparametercalculation.Keywords：Crystal；Oscillator；Series-parallel；MultisimSimulation；武汉理工大学《高频课程设计》报告PAGEPAGE151绪论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。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。本次设计给出了两种较为实用的晶体振荡器电路，对这两种电路做了各方面的比较，并对振荡器的输出特性做了细致的测试。2设计内容及要求2.1设计目的及主要任务2.1.1设计目的（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通过跳线可实现串并联变换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。2.1.2设计任务及要求根据已知条件，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多功能正弦波振荡器；（2）额定电源电压5.0V，电流1～3mA;输出频率10MHz；（3）通过跳线可构成串、并联晶体振荡器；（4）有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压≥1V(D-P)。2.2设计思想本次设计首先以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。3石英晶体特性简介3.1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。3.2等效电路及阻抗特性图3-1是石英晶体谐振器的等效电路。图中C0是晶体作为电介质的静电容，其数值一般为几个皮法到几十皮法。Lq、Cq、rq是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数。rq是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。由图3-1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fq和并联谐振频率f0分别为fq=1/2π，f0=fq图3-1晶体振荡器的等效电路当W＜Wq或W>Wo时，晶体谐振器显容性；当W在Wq和Wo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Lq很大，即使在Wq处其电抗变化率也很大。其电抗特性曲线如图3-2所示。实际应用中晶体工作于Wq~Wo之间的频率，因而呈现感性。图3-2晶体的电抗特性曲线3.3晶体谐振器的应用晶体谐振器主要应用于晶体振荡器中。振荡器的振荡频率决定于其振荡回路的频率。由于晶体振荡器的输出频率具有很高的稳定度，因此它主要有以下应用：通用晶体振荡器，用于各种电路中，产生振荡频率；时钟脉冲用石英晶体谐振器，与其它元件配合产生标准脉冲信号，广泛用于数字电路中；微处理器用石英晶体谐振器；CTVVTR用石英晶体谐振器；钟表用石英晶体振荡器。4晶体正弦波振荡器的设计振荡器电路属于一种信号发生器类型，即表现为没有外加信号的情况下能自动生成具有一定频率、一定波形、一定振幅的周期性交变振荡信号的电子线路。振荡器起振时是将电路自身噪声或电源跳变中频谱很广的信号进行放大选频。此时振荡器的输出幅值是不断增长的，随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区或者截止区，其增益逐渐下降，当放大器增益下降而导致环路增益下降到1时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡，进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态后，直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。4.1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4-1和图4-2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4-1串联型晶体振荡器实际电路图4-2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。4.2并联型晶体振荡器4.2.1c-b型并联晶体振荡器c-b型并联晶体振荡器的典型电路如图4-3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4-4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4-3c-b型并联晶体振荡器实际线路图4-4c-b型并联晶体振荡器等效线路4.2.2b-e型并联晶体振荡器b-e型并联晶体振荡器的典型电路如图4-5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4-6所示。图4-5b-e型并联晶体振荡器实际电路图4-6b-e型并联晶体振荡器等效电路和一般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。4.3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4-7所示。图4-7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。4.4晶体振荡器设计总原理图4.4.1电路原理图的设计根据设计要求，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。依据各部分的方案设计并结合设计要求，综合考虑各种影响因素，设计系统原理图如图4-8所示。图4-8晶体振荡器总原理图从图4-8中可以看到，图中R1和R2分压为三极管Q1提供偏置电压，通过改变R8阻值的大小可以改变Q1的静态工作点，C1用于在振荡器起振时将R2短路从而可以是振荡器可以正常的振荡，C2、C3组成反馈分压，用于为振荡器提供反馈信号，ZL1和ZL2为高频扼流圈，目的是防止高频信号流经电源。C6、C7、C8、C9为高频旁路电容，Q2连接成射极跟随器，用于提高系统的带负载能力。J1上端打开时，J2断开时振荡器为串联型晶体振荡器，此时晶体相当于选频短路线；当J1下端打开，J2接通时振荡器为并联型晶体振荡器，此时晶体相当于一等效电感。4.4.2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4-9所示。图4-9直流通路等效电路如图4-9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=5.1KΩ，R2=400Ω，β=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=2π回路总电容C=253.3pF，即C2，C3串联后的总电容为253.3pF，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，其各参数如图4-8所示。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=10nF，扼流圈L=330mF。5电路仿真与硬件调试5.1电路仿真5.1.1静态工作点的测试根据设计好的静态工作点的电路图，在Multisim软件中分别在晶体管Q1、Q2的b、e、c三端接入示波器，观察静态时各极上的电压。测量结果如表5-1所示。表5-1静态工作时各极电压参数VbVcVeVbeQ11.901V1.168V5.00V0.733VQ24.535V3.805V5.00V0.720V根据表5-1中的数据可以看出，Q1、Q2均工作在放大状态，满足起振条件，该电路的静态工作点符合要求。5.1.2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5-1所示。图5-1串联型振荡器输出波形从图5-1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。5.1.3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5-2所示。图5-2并联型振荡器输出波形从图5-1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。5.2硬件调试根据本设计中的电路原理图进行实物的连接，本次使用的是面包板，不需要焊接直接用导线连接各元件即可。连接完成后，引出三根导线，红色导线接+5V电源的正极，黑色导线接地，绿色导线为输出端，接入示波器的CH1通道，观察输出的波形。一边调整可变电容和电位器，一边观察输出的波形。观察可知，当该振荡器接为串联型振荡器时，输出波形为正弦波，频率为7.5MHZ，幅值为1.317V；当该振荡器接为并联型振荡器时，输出波形为正弦波，频率为7.8MHZ，幅值为1.384V。这是由于元器件参数的精度不够、实物连接时引入附加阻值、面包板的性能不够高以及环境温度等多方面的影响所致。在实际生活中可以通过多种措施来提高石英晶体正弦波振荡器的稳定度，如可以选择温度系数小的石英晶体；可以采取恒温措施，是外界温度恒定