高频电子专业课程设计晶体振荡器.doc

通信电子线路课程设计阐明书 晶体正弦波振荡 院 、部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指引教师： 张松华 职称 讲师 专 业： 通信工程 完毕时间： 12月09日 摘 要 石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度振荡器，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。石英谐振器因具备极高频率稳定性，故重要用在规定频率十分稳定振荡电路中作谐振元件。但石英晶体成本较高，故在规定不太高电路中普通采用陶瓷谐振元件。本设计对运用石英晶体压电效应，对构成正弦波振荡器办法做了较进一步研究，对振荡器原理及石英晶体振荡器原理做了详细简介并通过Multisim 软件设计、仿真出并联型石英晶体振荡器，最后按照原理图进行参数计算和实物制作、调试。对实物和仿真进行调试，并成功浮现波形，证明了上述理论可靠性，且符合设计规定。是一次成功课程设计。核心词：晶体；振荡器；并联；Multisim仿真ABSTRACT Quartz crystal oscillator is a kind of high precision and high stability of the oscillator，which has been widely used in color TV computer remote control and other kinds of oscillation circuit，and communication system used for frequency generator quartz resonator for high frequency stability，it is mainly used in request frequency is very stable oscillation circuit of resonance element but quartz crystal cost is higher，so in less demanding circuit usually use ceramic resonance element.This design using quartz crystal piezoelectric effect，made of crystal oscillator method to do a more in-depth study on the oscillator principle and quartz crystal oscillator principle are described in detail and through the Multisim software design simulation the parallel type quartz crystal oscillator，according to the parallel resonance type crystal oscillator principle using carat splash circuit draw the schematic diagram of the parameters，the calculation and real production debugging in physical and simulation debugging，and successfully appear waveform，proved the reliability of the above theory，and comply with the design requirements is a successful course design. Key words Crystal；Oscillator；Series parallel；Multisim simulation目 录1 课程设计任务书21.1 设计任务21.2 重要技术指标21.3设计思想22 概论32.1 设计目32.2 振荡基本知识32.2.1引言32.2.2振荡产生原理42.2.3起振和稳幅52.2.4振荡器频率稳定度63 晶体振荡器设计与仿真63.1 石英晶体特性简介63.2 晶体振荡器电路类型及其工作原理73.2.1串联型谐振晶体振荡器73.2.2 并联谐振型晶体振荡器83.2.3泛音晶体振荡器103.3 晶体正弦波振荡器原理图及参数计算113.3.1 电路原理图113.3.2 静态工作点及回路参数拟定113.4 电路仿真123.5 元器件清单124 制板与调试134.1 电路调试134.2 电路制作14结束语15致 谢16参照文献17附 录181 课程设计任务书1.1 设计任务设计一种晶体振荡器1.2 重要技术指标晶振频率为10MHZ，输出信号幅度=0.5V（峰-峰值），可调课程设计规定：规定有课程设计阐明书，并制作出实际电路。实验仪器设备： 数字存储示波器 1台 无感起子 1把 数字万用表 1台 12V直流稳压电源 1台1.3设计思想本次设计一方面以NPN型晶体管2N2222和10M石英晶体为基本设计出并联型振荡器，通过对各种不同形式并联型振荡器做出比较之后，综合设计出一种通过开关可实现并联转换石英晶体正弦波振荡器。将两某些连接之后依照电路图基本形式和设计规定计算出各元件参数和性能规定。依照仿真后电路原理图进行实物连接和调试，从而完毕整个正弦波振荡器设计。2 概论2.1 设计目 通过设计晶体振荡器，理解石英晶体构造和特性，提高动手能力，掌握晶体振荡器设计办法以及设计思路。2.2 振荡基本知识2.2.1引言石英晶体振荡器是运用石英晶体即二氧化硅结晶体压电效应制成一种谐振器件，它基本构成大体是：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），在它两个相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。其产品普通用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装。变电场频率与田英晶体固有频率相似时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性反映。运用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具备体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等长处，被应用于家用电器和通信设备中图1 基本构造 与LC振荡器相比，晶体振荡器原则性较好，谐振回路Q值较高，有载状况下Q值依然很高。因此晶体振荡器频率稳定度高。因此在需要频率稳定度高振荡电路时就选用晶体振荡器。2.2.2振荡产生原理如果在放大器输入端不加输入信号，输出端仍有一定幅值和频率输出信号，这种现象叫做自激振荡。自激振荡器产生波形也许是正弦波，也也许是非正弦波。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自激振荡，基本放大器输入端反馈信号必要和原输人信号幅度相等，同步相位也应相似。AF=1就是产生自激振荡时A、F应满足基本数学条件。其中A和F是频率函数，普通也可以表达为复数形式。复数乘积AF=1涵义就是振荡器电路环路放大倍数等于l ，同步复数相位值等于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AF1,则XfXi，则振荡幅度越来越小，最后将导致振荡电路停振。这也从反面阐明了，只有AF1，电路才干维持振荡。依照振荡条件，信号由图2.1中输人端开始，沿环路绕行一周，必要保证其振幅与相位不变。一种振荡器必要同步满足这两个条件，才有也许产生自激振荡。图2. 1 自激振荡器方框图2.2.3起振和稳幅i. 起振过程在自激振荡器中，起始瞬间输入电压Xi产生因素有两种：一是在电路接通电源时获得。由于接通电源时，电路各处都存在瞬变过程，在输人端瞬变电压即可作为起始输人电压；二是放大器中存在各种微小电扰动和噪声电压。这两种因素所获得起始电压包括着极为丰富各种频率分量）它们中总会有符合相位条件某个频率成分，最后成为自激信号最初来源。至于振幅条件更容易满足，由于开环放大倍数A是无穷大，很容易满足起振条件AFl规定。为了保证电路在指定频率上振荡起来，经常为这种自激振荡器安排一种谐振在指定频率上选频回路，使电路更容易在指定频率上满足产生自激振荡条件。放大器获得起始瞬时榆入电压了Xi后，接着产生输出信号电压和正反馈电压，并且通过放大器选频后，指定频率输出电压幅度增大了，反馈电压幅度也增大，通过电路正反馈、放大、再反溃、再放大循环过程，使振荡电压由小到大逐渐建立起来。ii. 振幅稳定振荡器接通电源开始起振时，起始信号也许很弱。此时放大器工作在线性放大区，信号被放大，其振幅逐渐增长，反馈信号振幅也随之增长。促使它们不断增大因素是放大作用和正反馈。当振幅增大到某种限度后，由于二极管特性非线性，晶体三极管工作范畴将超过放大区进人饱和区或截止区。放大器放大倍数将明显下降，因而使输出信号振幅增大限度变缓。另一方面，能量损耗也会使输出信号振幅增大限度变缓。由于振荡器所消耗能量来自电源，故电路中所能获得能量总是有限。当振荡器输出信号幅度加大时，其电路各某些能量消耗也加大了（涉及负载功率输出），由于能量供应有限，使电路输出振幅不也许无限增大。因此振荡器振幅只能增大到某种限度，此后形成等幅振荡波形输出。2.2.4振荡器频率稳定度反馈振荡器若满足起振、平衡，稳定三个条件，就可以产生等幅持续振荡波形。当受到外界不稳定因素影响时，振荡器相位或振荡频率也许发生些微变化，虽然能自动回到平衡状态，但振荡频率在平衡点附近随机变化这一现象却是不可避免。为了衡量实际振荡频率f相对于标称振荡频率f0变化限度，提出了频率稳定度这一性能指标。频率稳定度是将振荡器实测数据代入规定公式中计算后得到。依照测试时间长短，将频率稳定度提成长期频稳度、短期频稳度和瞬时频稳度三种。测试时间分别为一天以上、一天以内、和一秒以内。时间划分并无严格界限，它是按照引起频率不稳定因素来区别。长期频稳度重要取决于元器件老化特性，短期频稳度重要取决于电源电压和环境温度变化以及电路参数变化等等，而瞬时频稳度则与元器件内部噪声关于。 3 晶体振荡器设计与仿真3.1 石英晶体特性简介 晶体基本特性是它压电效应。依托这种效应，可以将机械能转变为电能；反之，也可以将电能转变为机械能。所谓压电效应就是在石英晶体两个电极上加直流电场，晶体就会产生机械形变，反之，若在晶体两侧施加以机械压力，则会在晶体相应方向上产生电场，这种现象称为为压电效应。若是在晶体两级上加上交变勉励电压，晶体就会产生机械振动，同样晶片机械振动又会产生交变电场。且当外加交变电压频率为一特定值时，振幅明显加大，比其她频率勉励下振幅大得多，这种现象称为压电谐振。3.2 晶体振荡器电路类型及其工作原理3.2.1串联型谐振晶体振荡器串联型晶体振荡器是将石英晶体用于正反馈支路中，运用其串联谐振时等效为短路元件特性，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶体串联谐振频率fs上起振。图3.2.1是 一种串联型单管晶体振荡器电路，图3.2.2是其高频等效电路。这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只但是在正反馈支路上增长了一种晶体。、和构成并联谐振回路并且调谐在振荡频率上。图3.2.1 串联谐振型晶体振荡器图3.2.2 串联晶体振荡器交流等效电路3.2.2 并联谐振型晶体振荡器图3.2.3 并联谐振型晶体 cb型振荡器电路（皮尔斯电路）图3.2.4 并联谐振型晶体振荡器高频回路等效电路a) 振荡回路与晶体管、负载之间耦合很弱。晶体管、端,、端和、端接入系数是：(3.2.1)（3.2.2）以上三个接入系数普通均不大于，因此外电路中不稳定参数对振荡回路影响很小，提高了回路原则性。b) 振荡频率几乎由石英晶体参数决定，而石英晶体自身参数具备高度稳定性。其中是和晶体两端并联外电路各电容等效值，即依照产品规定负载电容。在实用时，普通需加入微调电容，用以微调回路谐振频率，保证电路工作在晶体外壳上所注明标称频率fn上。c) 由于振荡频率普通调谐在标称频率上，位于晶体感性区内，电抗曲线陡峭，稳频性能极好。d) 石英晶体Q值和特性阻抗都很高，因此晶体谐振电阻也很高，普通可达以上。这样虽然外电路接入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端阻抗仍很大，使晶体管电压增益能满足振幅起振条件规定。3.2.3泛音晶体振荡器在工作频率较高晶体振荡器中，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，为了保证振荡器能精确地振荡在所需要奇次泛音上，不但必要有效地抑制掉基频和低次泛音上寄生振荡并且必要对的地调节电路环路增益，使其在工作泛音频率上略不不大于1，满足起振条件，而在更高泛音频率上都不大于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电抗元件，使这一支路在基频和低次泛音上呈现电抗性质不满足三点式振荡器构成法则，不能起振；而在所需要泛音频率上呈现电抗性质正好满足构成法则，达到起振。图3.2.5给出了一种并联泛音晶体振荡电路。假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为5MHz，基频为1MHz，则LC1回路必要调谐在三次和五次泛音频率之间。这样在5MHz频率上，LC1回路呈容性，振荡电路满足构成法则。对于基频和三次泛音频率来说，LC1回路呈感性，电路不符合构成法则，不能起振。而在七次及其以上泛音频率，LC1回路呈现容性，但等效容抗减小，从而使电路电压放大倍数减小，环路增益不大于1，不满足振幅起振条件。图3.2.5 泛音晶体振荡器电路3.3 晶体正弦波振荡器原理图及参数计算3.3.1 电路原理图 图3.3.1 PCB图3.3.2 静态工作点及回路参数拟定 高频振荡器工作点要适当，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=0.55mA之间，若取=2mA，则有：(4.2.1)为提高电路稳定性，Re值可恰当增大，取Re=1，则Rc=2，则有： (4.2.2) 若取流过电流为10，则=10=0.33mA，则取：(4.2.3)(4.2.4)实际电路中，可用50k电位器。3.4 电路仿真 在multisim软件环境下进行仿真，按照原理图，一一找好元器件，将线练好。摆放整洁。其仿真图如下： 图3.3.2multisim仿真原理图3.5 元器件清单 电阻2k2个 电阻 33K 1个 电阻 3.3k 1个 电阻 1k 1个 电容 100uF 1个 电容 50pF 3个 电容 560pF 1个 三极管 2N2219 1个 晶振 11MHZ 1个 拨码开关 2个 可变电容 30pF 1个 可变电阻 50k 1个 插针 4个 4：制板与调试4.1 电路调试在Multisim软件环境下进行仿真，此时开关S11接通，S21接通，形成并联型振荡器，为了便于观测振荡器工作时各某些电路工作状况，在振荡器输出端接入示波器观测波形，记录示波器上显示输出振幅和输出频率，仿真波形如图所示。 图3.3.3仿真波形图 从图中可以看出，输出波形为正弦波，波形有较小失真，这是由于元件参数精度较低导致，该振荡器设计符合设计规定。4.2 电路制作 实物买回来后，出于想提高自己能力，没有选取万能版，于是按照电路图按部就班画好PCB板图，然后打印，打孔及腐蚀，再一一把元器件焊上，检查电路。实践再一次考验咱们焊接技术。通过半彻夜作业咱们终于完毕了咱们实物制作。在制作过程中咱们需要对电路原理图了然于心，这样可以提高咱们效率、纯熟限度。照片如下： 图3.3.4 实物图 在实物调试中遇到问题：当咱们把实物做好时，兴致盎然跑去用示波器调试，成果什么波形都没有，一下子不懂得从何开始。于是开始检查板子线路，看有无地方连锡或虚焊，成果毫无发现，没办法又继续检查。终于发现电位器焊反了，咱们觉得找到问题所在了，成果还是没波形。终于在教师指引下，懂得了是没有满足起振条件，于是调节静态工作点，计算反馈系数，终于功夫不负有心人，调出了波形。谢谢教师指引！结束语 通过为期一周高频电子线路课程设计，我发现了自己能力局限性和知 识上欠缺，同步也学到了诸多东西。接到晶体振荡器课程设计任务书后，我一方面将课本上关于晶体振荡器及其有关内容仔细看了好几遍，然后针对课程设计任务书上规定认真思考，从图书馆借了与晶体振荡器关于参照书，也从网上下载了某些别人设计方案，最后综合课本、参照书及网上资料进行原理设计。在设计原理图时我曾一度迷茫感觉无从下手，感觉书上图过于简朴设计出来线路不够稳定，而从别处看到又过于复杂分析不明白，最后通过与其她同窗共同讨论终于弄懂了许多东西。通过查阅参照书和阅读网上资料，我学到了诸多关于晶体振荡器新知识，而这些都是课本上没有讲到，这些都使我对晶体振荡器有了更进一步理解。这次课程设计，一方面使我深刻体会到了自学重要性，仅仅靠课本和教师上课是讲东西，诸多问题是不能解决，重要是学会自学，对问题进一步思考并通过各种途径解决，才干得到最大收获。另一方面，我也更加结识到团队合伙重要性，许多东西，一种人能想到往往有限，人们在一起则可以集思广益，发现许多新问题想出许多新解决办法。并且，由于同窗之间对所学东西理解相似性，彼此讨论问题往往更容易理解 。再次，在拟定器件参数时，看到了许多其她器件性能参数，不但拓宽了我知识面，并且培养了科学严谨求学态度。最后，通过比较自己设计方案与参照书上设计方案，意识到自己知识欠缺，同步体会到了教师们编书设计艰难，也不由十分佩服她们学识。这些都是值得我认真思考好好学习。这次课程设计时间虽然不长，但却感觉比此前上学时都累，由于每时每刻都在思考如何搜索更多资料，如何使设计方案更加完善。虽然不轻松，但毕竟学到了许多东西，也锻炼了自己意志。因而，我感觉这次课程设计很故意义。 同步，本文尚有诸多局限性，恳请教师批评指正。致 谢 这次课程设计，历时两周。在本报告完毕之际，一方面要向我指引教师张松华教师致以诚挚谢意。在报告书编写过程中，教师给了我许许多多协助和关怀。在咱们板子未调出波形时，教师以足够耐心教咱们不要灰心，冷静思考。教师学识渊博、治学严谨，待人平易近人，在教师悉心指引中，我不但学到了夯实专业知识，也在如何处人处事等方面收益诸多；同步教师对工作积极热情、认真负责、有条不紊、实事求是态度，给我留下了深刻印象，使我受益非浅。在此我仅向教师表达衷心感谢和深深敬意。同步，我要感谢咱们学院和咱们授课各位教师，正是由于她们传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从她们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。我也要感谢我母校湖南工学院，是她提供了良好学习环境和生活环境，让我大学生活丰富多姿，为我人生留下精彩一笔。最后，向我亲爱家人和亲爱朋友表达深深谢意，她们予以我爱、理解、关怀和支持是我不断迈进动力，学无止境。明天，将是我终身学习另一天开始。再次感谢张教师辛勤指引！参照文献 胡宴如 高频电子线路 高等教诲出版社 实验指引书附 录PCB图