石英晶体正弦波振荡器设计.doc

郑 州 轻 工 业 学 院
目 录
第一章 振荡器的基本常识……………………………..1
第一节 振荡器的分类……………..…………………..1
第二节 振荡产生的原理…………..…………………..1
一 自激振荡的产生……..…………………………..1
二 产生振荡的条件………..………………………..2
第三节 起振和稳幅…… ………….…………………..3
一 起振过程……………..……………………..……3
二 振幅的稳定…..…………………………………..3
第四节 正弦波振荡器……………..……………………4
第五节 频率稳定度…..….……….……………………..5
第二章 石英晶体………………………………………..6
第一节 石英晶体的基本特性…..….………………….6
一 石英晶体的基本结构……..……………….…….6
二 压电效应…………………..……………………..6
第二节 石英晶体等效电路和振荡电路……..………..7
第三章 12MHz石英晶体正弦波振荡器……………...10
第一节 电路的选择………………....…………………10
第二节 石英晶体振荡器设计…………………………10
一 主要技术指标…....……………………..………10
二 设计说明…………....……..………….………...10
（一） 选择电路………………….…..……………...10
（二） 选择晶体管和石英晶体…………..………....11
（三） 确定直流工作点并计算偏置电路元件参数…11
（四） 求C1\C2\Ct的电容值….……………………12
心得体会…………………………………………………13
参考文献…………………………………………………13

第一章 振荡器的基本常识
第一节 振荡器的分类
震荡器（Oscillator）是一种能量转换装置。它的能量来源一般是直流形式（振荡器电路的直流供电电源）。经过振荡器转换后，此直流能量转换为一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出。这种电能的“转换”过程被称作“振荡”(Oscillation）。振荡器的作用是产生特定的输出信号，因此也常常被称为信号发生器（signal creator）。振荡器的类型繁多，按照振荡过程是否依赖于外部激励信号的参与，可以分为他激振荡器和自激振荡器；按照波形分类有正弦波振荡器和非正弦波振荡器；按照振荡器振荡频率的高低，可以分为低频振荡器、高频振荡器、超高频振荡器等；按照振荡器的选频元件分类，则有RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器等。
第二节 振荡产生的原理
一 自激振荡的产生
无需外加激励就能产生特定波形的交流输出信号，这种振荡电路称为自激振荡器。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。
振荡产生的原理并不复杂，有时甚至会在不经意中自动发生。例如，当我们演唱卡拉OK时，话筒将唱歌的信号转变为电信号，经扩音机放大后推动扬声器发出声音。这个过程可以用图1.1（a）
表示。
如果扬声器和话筒的相对位置安排不当，如图1.1（b）所示那样，扬声器发出的声音将和歌唱声同时进人话筒，形成正反馈。如此反复循环，将形成声-电和电-声变换系统的自激振荡。此时即使没有输入信号，在扬声器中也会出现啸叫声，这是“声回授”参与到电路中产生的振荡。
上述的“同授”也叫作反馈。在设置有反馈支路的放大器中，若在某些频率点上由于反馈不当，形成了正反馈所需的相移量并具有足够的强度，符合自激振荡的条件，就会产生一种不希望的“寄生振荡”它常常会淹没“有用”的信号而使放大器的工作不稳定。在正常放大器中不希望振荡出现，但是可以利用这一现象制成振荡器。事实上，振荡器都是利用电路中的正反馈来工作的。正反馈放大器形成自激振荡的原理可以用图1.2来解释。

图 1.2.1

图1.2.2 正反馈放大器形成自激振荡的原理
二 产生振荡的条件
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2Nπ，其中N=0,士1, 士2，士3，…。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AF<1,则Xf＜Xi，则振荡幅度越来越小，最终将导致振荡电路停振。这也从反面说明了，只有AF≥1，电路才能维持振荡。
根据振荡条件，信号由图1.3中的输人端开始，沿环路绕行一周，必须保证其振幅与相位不变。一个振荡器必须同时满足这两个条件，才有可能产生自激振荡。

图 1.2.3 自激振荡器方框图
振荡器中的反馈支路常常采用电抗元件构成二当信号频率确定后，这些电抗元件和信号的频率就共同决定了此信号相移的大小。电路的起振如果是由频率成分丰富的噪声引起的，那么总会有其中的一个频率满足相位平衡条件。有了噪声作为起始信号，电路不需要另外送人信号，就能产生输出信号。
第三节 起振和稳幅
一 起振过程
在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压Xì的产生原因有两种：一是在电路接通电源时取得。因为接通电源时，电路各处都存在瞬变过程，在输人端的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的电扰动和噪声电压。这两种原因所取得的起始电压包含着极为丰富的各种频率分量）它们中总会有符合相位条件的某个频率成分，最终成为自激信号的最初来源。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AF≥l的要求。
为了保证电路在指定的频率上振荡起来，常常为这种自激振荡器安排一个谐振在指定频率上的选频回路，使电路更容易在指定的频率上满足产生自激振荡的条件。放大器获得起始瞬时榆入电压了Xì后，接着产生输出信号电压和正反馈电压，并且经过放大器的选频后，指定频率的输出电压幅度增大了，反馈电压的幅度也增大，经过电路的正反馈、放大、再反溃、再放大的循环过程，使振荡电压由小到大逐渐建立起来。
二 振幅的稳定
振荡器接通电源开始起振时，起始信号可能很弱。此时放大器工作在线性放大区，信号被放大，其振幅逐渐增加，反馈信号的振幅也随之增加。促使它们不断增大的因素是放大作用和正反馈。当振幅增大到某种程度后，由于二极管特性的非线性，晶体三极管工作范围将超出放大区．进人饱和区或截止区。放大器的放大倍数将显著下降，因而使输出信号振幅的增大程度变缓。另一方面，能量的损耗也会使输出信号振幅的增大程度变缓。因为振荡器所消耗的能量来自电源，故电路中所能取得的能量总是有限的。当振荡器输出信号的幅度加大时，其电路各部分的能量消耗也加大了（包括负载的功率输出），由于能量的供给有限，使电路的输出振幅不可能无限增大。所以振荡器的振幅只能增大到某种程度，此后形成等幅振荡波形输出。
第四节 正弦波振荡器

图 1.4.1
正弦波振荡器（sin-wave oscillator）可以输出单一颗率的正弦波，是应用最为广泛的振荡器。从结构上看， 正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器。图1.4.1（a）表示接成正反馈时，因此有
放大电路在输入信号时的方框图。可改画成图1.4.1（b）所示。由图可知，若在放大器的输入端（1端）外接一定频率、一定幅度的正弦波信号经过基本放大器和反馈网络构成的环路传输后,在反馈网络的输出端（2端) ，得到反馈信号与在大小和相位上都一致,那么就可以去除外接信号，而将（1）、（2）两端连接在一起(如图中的虚线所示）而形成闭环系统， 其输出端可能继续维持与开环时一样的输出信号。这样由于便有
　　　 或

正弦波振荡器的振荡条件为：
幅度平衡条件： ，
相位平衡条件：
第五节 频率稳定度
在工程应用中，要求正弦波振荡电路的振荡频率有一定的稳定度，有必要引用频率稳定度来作为衡量振荡电路的质量指标之一。频率稳定度一般用频率的相对变化量△f/f0来表示，f0为振荡频率，△f为频率偏移。频率稳定度有时附加时间条件，如一小时或一日内的频率相对变化量。各振荡电路频率特性如图1.5.1

图 1.5.1 振荡电路频率特性

第一章 石英晶体
第一节 石英晶体基本特性
石英晶体振荡电路之所以具有极高的频率稳定度，主要是由于采用了具有极高Q值的石英晶体元件。
一 石英晶体的基本结构
石英晶体是一种各向异性的结晶体，它是硅石的一种，其化学成分是二氧化硅 。 从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片称为晶片（可以是正方形、矩形或圆形等)， 然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板，就构成石英晶体产品，如图2.1.1所示，一般用金属外壳密封，也有用玻璃壳封装的。

图 2.1.1 石英晶体结构
二 压电效应
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。
第二节 石英晶体等效电路
石英晶体的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值 (等效于L/C)，因而它的品质因数Q高达10000~500000的范围内。等效电路中元件的典型参数为：Co分布电容很小：几pF～几十pF，L：几十mH～几百mH，C动态电容：0.0002 pF ～0.1pF。如图2.2.1所示。由等效电路可知，石英晶体有两个谐振频率，即

图2.1.2 石英晶体的符号、等效电路和电抗特性。
（1）L-C-R支路串联谐振

（2）当f>fs时，L-C-R支路呈感性，与Co产生并联谐振。

由于Co>>C，故fP≈fS.

图2.1.3 外接可调电容
在实际应用中，通常串入一个用于校正振荡频率的小电容CS，如图2.1.3所示，图电路的电抗为X'，则

　　令上式中的分子为零得（串联谐振）：

　　CS一般采用微调电容，使fs'在fs和fP之间的一个狭窄的范围内调整。
　　将上式展开成幂级数的形式，并考虑到C<<（C0+CS），则

　　因为Co（几pF～几十pF），C（0.0002pF～0.1pF），CS>C，所以振荡频率的相对变化量很小。

串并联石英晶体振荡电路
　由英晶体的频率特性可构成两种不同类型的频率高度稳定的正弦波振荡电路：
1）当石英晶体发生串联谐振时，它呈纯阻性，相移是0。若把石英晶体作为放大电路的反馈网络，并起选频作用，只要放大电路的相移也是0，则满足相位条件。形成串联型石英晶体正弦波振荡电路。
2）当频率在fs与fp之间，石英晶体呈感性，可将它与两个C构成电容三点式正弦波振荡电路，形成并联型石英晶体正弦波振荡电路。如图2.1.4

如图 2.1.4 串并联石英晶体正弦波振荡器

第二章 12Mhz石英晶体正弦波振荡器
第一节 电路的选择
晶体振荡电路中，与一般LC振荡器的振荡原理相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡电路之中，作为一感性元件，与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据实际常用的两种类型，电感三点式和电容三点式。常用电路简单结构如图3.1.1和3.1.2所示。由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性荣性之间有一条极陡峭的感抗曲线，而振荡器又被限定在此频率范围内工作。该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。所以他具有很高的稳频能力，或者说具有很高的电感补偿能力。因此选用c-b型皮尔斯电路进行制作。

图3.1.1 c-b型电路 图3.1.2 b-e型电路
第二节 石英晶体振荡器设计
一 主要技术指标：
振荡频率：ƒ。=12MHz
短期稳定度：∆ƒ。/ƒ。优于士15×10-6
工作环境温度范围：-40℃~+85℃
电源电压：+12V
二 设计说明
（1）选择电路形式：选用12MHz皮耳斯c-b型电路如图3.2.1所示

图 3.2.1 12MHz 皮尔斯c-b型电路
（2）选择晶体管和石英晶体。
根据设计要求，按公式ƒmax=
ƒT≥(2∽10)ƒH=（24∽120MHz）
选择高频管3DG6C型晶体管作为振荡管。查手册其参数如下： ƒT =250MHz；ß≥40，取ß =50；NPN型通用；额压：20V；Icm=20mA；Po= 0.1W；ƒß≈ƒT / ß=5 MHz。
石英谐振器可选用HC-49S系列，其性能参数为：
标称频率ƒ。=12 MHz；工作温度：-40℃~+85℃；25℃时频率偏差：士3×10-6士30×10-6；串联谐振电阻：60；负载电容：CL=10PF,激励功率：0.01~0.1mW。
（3）确定直流工作点并计算偏置电路元件参数
根据3DG6C的静态特性曲线选取工作点为：
IE=2mA, Uce=0.6Vcc=0.6×12=7.2V；
取Uc=0.8Vcc=0.8×12=9.6V；Ue=0.2Vcc=0.2×12=2.4V
则有 Rc=（Vcc-Uc）/ IE=（12-9.6）/0.002=1.2K
Re= Ue/ IE=2.4/0.002=1.2 K
取RB2=5Re=6 K
RB1={（Vcc-Ue）/Ue}×RB2=24 K
根据实际的标称电阻值，取Rc、Re、RB1、RB2取精度为1%的金属膜电阻
Rc= Re= 1.2K；RB1= 24 K ，RB2=6.2 K；
（4）求C1\C2\Ct的电容值 在计算时，由下式计算的值
=26 ß/ IE=650
根据C1×C2= =50/{（2π×12×106）×650×1200[1+( ƒ/ƒß)2]½}= 4341.3(PF)2
根据负载电容的定义，对于图3.2.1所示的电路可以得出
CL=1/[(1/C1,2)+1/Ct]
式中，C1，2为C1与C2相串联的电容值，由上式可得
C1,2= Ct CL/ （Ct- CL） 若取Ct=30pF（一般Ct应略大于负载电容值），则
C1,2= Ct CL/ （Ct- CL）=（30×10）/（30-10）=15 pF
由反馈系数F=C1/C2和C1,2=C1C2/C1-C2两式联立解，并取F=1/2
则C1=C1,2(1+F)=22.5 pF
C2=C1,2(1+1/F)=45 pF
根据电容量的标称值，取C1、C2为聚苯乙烯电容， C1=20pF, C2=40pF ，C1× C2=20×40=800(PF)2≤4341.3(PF)2
可见该值远小于由C1×C2乘机的极限值，故该电路满足起振条件。

心 得 体 会
这次课程设计历时一个星期多左右，通过这一个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，理论知识还不够扎实。
这次的课程设计也让我看到了个人力量的渺小，我认为一个人工作是很艰难的工作，自己犯了错误是很难发现的，只有等到做完在同学们检查以后才知道还有许多不足之处。我需要团队，需要合作，需要帮助。
刚开始的时候，按照老师给的任务书，去找了资料，后来又积极的查询了相关资料，自己就动手开始一星期的设计。在课程设计中一个人知识的有限性往往是导致最终设计的片面，甚至是失败。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。
在这个过程中，我也曾经因为无从下手，对设计问题的迷茫而失落过，也曾经为成功的画了一个原理图而热情高涨过。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程设计，可是平心而论，也耗费了我不少的心血，这就让我不得不佩服技术编书方面前辈，让我意识到老一辈对我们社会的付出是艰辛的。
通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，和自己的这一星期一起面对，和同学们一起忙碌的日子，让我们相互帮助，多少人间欢乐在这里洒下。
对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！最后，我要感谢我的高频老师，谢谢老师这一学期来对我的教导。

参考文献：
1、李银华 电子线路设计指导 北京航天航空大学出版社 2005.6
2、谢自美 电子线路设计·实验·测试 华中科技大学出版社 2003.10
3、张肃文 高频电子线路 高等教育出版社 2004.11
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