畢業(yè)論文----高穩(wěn)定振蕩器的研究

1、<p><b>　　高穩(wěn)定振蕩器的研究</b></p><p>　　摘 要 </p><p>　　石英晶體振蕩器是目前頻率穩(wěn)定度和精確度較高的晶體振蕩器。它在老化率、溫度穩(wěn)定性、長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度等方面的性能都非常好，作為精密時(shí)頻信號(hào)源被廣泛應(yīng)用在全球定位系統(tǒng)、通信、計(jì)量、

2、遙測(cè)遙控，頻譜及網(wǎng)絡(luò)分析儀等電子儀器中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)石英晶體振蕩器的性能提出了更高的要求。本文主要研究普通高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器的設(shè)計(jì)。</p><p>　　圍繞著如何提高石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度，本文集中探討了以下幾個(gè)方面的工作：分析了石英諧振器的特性及其對(duì)晶體振蕩器性能的影響，從而為高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器中對(duì)石英晶體的選擇提供了依據(jù)。分析了振蕩電路基本原理，從而設(shè)計(jì)出由2N3904構(gòu)成的石英晶體振

3、蕩電路，并對(duì)電路中輸出電路部分及穩(wěn)壓部分設(shè)計(jì)中的問(wèn)題進(jìn)行討論。最后，論述了恒溫晶體振蕩器的主要制作過(guò)程和技術(shù)指標(biāo)，并對(duì)試制石英晶體振蕩器樣品技術(shù)性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：石英晶體振蕩器；壓電效應(yīng)；頻率穩(wěn)定度；穩(wěn)壓電路；射極輸出器</p><p>　　The research of high stable oscillator</p><p>

4、;<b>　　Abstract</b></p><p>　　Quartz crystal oscillators as a high frequency stability among crystal oscillator is widely used in communications equipment, measuring instruments, navigation, rada

5、r, mobile communication, programmed telephone, audio-visual equipment etc. With the development of science and technology, quartz crystal oscillator for the performance of a higher demand. This paper on the general high

6、stability crystal oscillator design.</p><p>　　Centered on how to improve the quartz crystal oscillator frequency stability, the paper focused on the following aspects of work: analysis of the quartz resonato

7、r and the characteristics of the performance of crystal oscillator, so as to the high degree of stability in the quartz crystal oscillator The crystal to provide the basis for the choice. Analysis of the basic tenets of

8、oscillation circuit, designed by 2 N3904 posed by quartz crystal oscillator circuit, and circuits in output regulators </p><p>　　Keyword: Quartz crystal oscillator, Piezoelectricity, Frequency stability, Reg

9、ulators circuit, Emitter output</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　振蕩器發(fā)展簡(jiǎn)史</b></p><p>　　振蕩器（oscillator）是不需外信號(hào)激勵(lì)、自身將

10、直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的裝置。凡是可以完成這一目的的裝置都可以作為振蕩器。例如，無(wú)線電發(fā)明初期所用的火花發(fā)射機(jī)、電弧發(fā)生器等，都是振蕩器。它與放大器的區(qū)別在于，無(wú)需外加激勵(lì)信號(hào)，就能產(chǎn)生具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交流信號(hào)。</p><p>　　正弦波振蕩器在各種電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。例如，無(wú)線發(fā)射機(jī)中的載波信號(hào)源，接收設(shè)備中的本地振蕩信號(hào)源，各種測(cè)量?jī)x器如信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)、fT測(cè)試儀中的核心部分以及

11、自動(dòng)控制環(huán)節(jié)，數(shù)字系統(tǒng)中的時(shí)鐘信號(hào)源，都離不開(kāi)正弦波振蕩器。在這些應(yīng)用中，對(duì)振蕩器提出的主要要求是振蕩頻率和振蕩幅度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，其中尤以振蕩頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性最為重要。</p><p>　　對(duì)于振蕩器的輸出信號(hào)，應(yīng)該由以下指標(biāo)來(lái)衡量：一是頻率，即頻率的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度；二是振幅，即振幅的大小與穩(wěn)定性；三是波形及波形的失真；四是輸出功率，要求該振蕩器能帶動(dòng)一定阻抗的負(fù)載。</p><p&g

12、t;　　振蕩器的種類(lèi)很多。從振蕩電路中有源器件的特性和形成振蕩的原理來(lái)看，可以把振蕩器分為反饋式振蕩器和負(fù)阻式振蕩器兩大類(lèi)。反饋式振蕩器是目前應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)振蕩器，它是在放大器電路中加入正反饋，當(dāng)正反饋?zhàn)銐虼髸r(shí)，放大器產(chǎn)生振蕩，變成振蕩器。所謂產(chǎn)生振蕩是指這時(shí)放大器不需要外加激勵(lì)信號(hào)，而是由本身正反饋信號(hào)來(lái)代替外加激勵(lì)信號(hào)的作用。而這里所說(shuō)的負(fù)阻式振蕩器主要是指它是將負(fù)阻器件直接接到諧振回路中，利用負(fù)阻器件的負(fù)電阻效應(yīng)去抵消回路中的損

13、耗，從而產(chǎn)生出等幅自由振蕩。在反饋式振蕩器中，按所采用的選頻網(wǎng)絡(luò)的形式，分為L(zhǎng)C振蕩器、晶體振蕩器、RC振蕩器以及壓控振蕩器等。</p><p>　　用電感線圈和電容器做成的LC振蕩器，由于受到諧振回路標(biāo)準(zhǔn)性的限制，采用一般穩(wěn)頻措施時(shí)，其頻率穩(wěn)定度在10-3～10-4之間。要想進(jìn)一步提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，應(yīng)采用其他類(lèi)型的高穩(wěn)定度振蕩器。</p><p>　　1.2 采用石英晶振的原因&l

14、t;/p><p>　　通過(guò)對(duì)振蕩器的頻率穩(wěn)定度進(jìn)行分析可知，LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度最多只能達(dá)到10-4數(shù)量級(jí)。但是，在許多應(yīng)用場(chǎng)合要求振蕩器能提供比10-4數(shù)量級(jí)高得多的頻率穩(wěn)定度。例如，在廣播發(fā)射機(jī)、單邊帶發(fā)射機(jī)及頻率標(biāo)準(zhǔn)振蕩器中，分別要求振蕩頻率穩(wěn)定度高達(dá)10-5、10-6、10-8～10-9數(shù)量級(jí)。顯然，普通的LC振蕩器是不可能滿足上述要求的。為了獲得頻率穩(wěn)定度這樣高的振蕩信號(hào)，需要采用石英晶體振蕩器。<

15、/p><p>　　利用石英晶體的壓電效應(yīng)，將石英晶體作為濾波元件，構(gòu)成石英晶體振蕩器，可以獲得很高的穩(wěn)定度。采用中精度的晶體，頻穩(wěn)度可達(dá)10-6數(shù)量級(jí)；若加單層恒溫控制，則頻穩(wěn)度可提高到10-7～10-8數(shù)量級(jí)；在實(shí)驗(yàn)室條件下。采用高精度晶體，并用雙層恒溫控制。則頻穩(wěn)度可以高達(dá)10-9～10-10數(shù)量級(jí)。 </p><p>　　為什么用石英晶體作為諧振元件，就能使振蕩器的穩(wěn)定度大大提高呢？石英

16、晶體諧振器與一般的LC諧振回路相比具有優(yōu)良的特性，具體表現(xiàn)為：</p><p>　　石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。石英晶體振蕩器的振蕩頻率主要由石英晶體諧振器的諧振頻率決定。石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fq主要取決于晶片的尺寸，石英晶體的物理性能和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定，它的尺寸受外界條件如溫度、濕度等影響很小，因而其等效電路的Lq、Cq值很穩(wěn)定，使得fq很穩(wěn)定。</p><p>　　石英晶體諧振

17、器與有源器件的接入系數(shù)n=Cq/(Cq+C0)<<1,一般為10-3～10-4數(shù)量級(jí)，這大大減弱了有源器件的極間電容等參數(shù)和外電路中不穩(wěn)定因素對(duì)石英晶體的影響，使石英晶體振蕩器的振蕩頻率基本不受外界不穩(wěn)定因素的影響。</p><p>　　石英晶體諧振器具有非常高的Q值。因?yàn)镼q=1/rq。Q值可達(dá)幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)，與Q值僅為幾百數(shù)量級(jí)的普通LC回路相比，其Q值極高，維持振蕩頻率穩(wěn)定不變的能力極強(qiáng)。<

18、/p><p>　　石英晶體在工作頻率﹙fq＜f＜fp＝附近阻抗變化率大，有很高的并聯(lián)諧振阻抗，且呈電感性。</p><p>　　基于上述特性，采用高精度和穩(wěn)頻措施后，有石英晶體構(gòu)成的振蕩器就可</p><p>　　以具有較高的穩(wěn)頻度。</p><p>　　石英晶體振蕩器的原理、類(lèi)型及參數(shù)</p><p>　　2.1 石英晶

19、體諧振器的基本原理 </p><p>　　一、石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　石英晶體諧振器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的 一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn)稱(chēng)為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱(chēng)為

20、石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。下圖2.2.1是一種金屬外殼封裝的石英晶</p><p><b>　　體結(jié)構(gòu)示意圖。</b></p><p><b>　　圖 2.2.1</b></p><p>　　二、壓電效應(yīng) 若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。

21、反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。 </p&g

22、t;<p>　　三、符號(hào)和等效電路 石英晶體諧振器的符號(hào)和等效電路如圖2.1.2所示。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱(chēng)為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)pF到幾十pF。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效。一般L的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來(lái)等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來(lái)等效，它的數(shù)值約為10

23、0Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。 </p><p><b>　　四、諧振頻率</b></p><p>　　從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個(gè)諧振頻率，即（

24、一）當(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，它的等效阻抗最小（等于R）。串聯(lián)揩振頻率用fs表示，石英晶體對(duì)于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，（二）當(dāng)頻率高于fs時(shí)L、C、R支路呈感性，可與電容C。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd表示。根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性畫(huà)出它的電抗—頻率特性曲線如圖2.1.2所示。可見(jiàn)當(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時(shí)，石英晶體呈容性。僅在fs＜f＜fd極窄的范圍內(nèi)，石英晶體呈感性。</p&g

25、t;<p><b>　　圖2.1.2</b></p><p>　　2.2 石英晶體振蕩器的類(lèi)型特點(diǎn)</p><p>　　石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素極高的石英晶體振子（即諧振器）和振蕩電路組成，晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類(lèi)：普通晶體振蕩（PXO），電壓控制式晶體振蕩

26、器（VCXO），溫度補(bǔ)償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補(bǔ)償式晶體振蕩（DCXO）等。普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10-5～10-4量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1～100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒(méi)有采用任何溫度頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉，通常用作微處理器的時(shí)鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。電

27、壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10-6～10-5量級(jí)，頻率范圍1～30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償，頻率精度達(dá)到10-7～10-6量級(jí)，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)定度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從30×30×15mm至11.

28、4×</p><p>　　2.3 石英晶體諧振器的主要參數(shù)</p><p>　　晶體的主要參數(shù)有標(biāo)稱(chēng)頻率，負(fù)載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶體標(biāo)稱(chēng)頻率不同，標(biāo)稱(chēng)頻率大都標(biāo)明在晶體外殼上。如常用普通晶體標(biāo)稱(chēng)頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對(duì)于特殊要求的晶體頻率可達(dá)到1000 MHz以上，也有的沒(méi)有標(biāo)稱(chēng)頻率，如CRB、Z

29、TB、Ja等系列。負(fù)載電容是指晶體的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶體在電路中串接電容。負(fù)載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標(biāo)稱(chēng)頻率相同的晶體，負(fù)載電容不一定相同。因?yàn)槭⒕w振蕩器有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是串聯(lián)揩振晶振的低負(fù)載電容晶振：另一個(gè)為并聯(lián)揩振晶振的高負(fù)載電容晶振。所以，標(biāo)稱(chēng)頻率相同的晶體互換時(shí)還必須要求負(fù)載電容一至，不能冒然互換，否則會(huì)造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩(wěn)定度：由于普通晶體的性能基本都能達(dá)

30、到一般電器的要求，對(duì)于高檔設(shè)備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。頻率精度從10-4量級(jí)到10-10量級(jí)不等。穩(wěn)定度從±1到±100ppm不等。這要根據(jù)具體的設(shè)備需要而選擇合適的晶體，如通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶體的</p><p>　　高穩(wěn)定石英晶體振蕩器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 振蕩器的頻率穩(wěn)定度</p>

31、;<p>　　一、頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度</p><p>　　評(píng)價(jià)振蕩器頻率的主要指標(biāo)有兩個(gè)，即準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。</p><p>　　所謂頻率準(zhǔn)確度是指振蕩器實(shí)際工作頻率f與標(biāo)稱(chēng)頻率f0之間的偏差，即</p><p>　　△f=f-fo (3.1.1)</p>

32、;<p>　　為了合理評(píng)價(jià)不同標(biāo)稱(chēng)頻率下振蕩器的頻率偏差，頻率準(zhǔn)確度也常用其相對(duì)值來(lái)表示，即</p><p>　　△f／fo=(f-fo)／fo (3.1.2)</p><p>　　頻率穩(wěn)定度通常定義為在一定時(shí)間間隔內(nèi)，振蕩器頻率的相對(duì)偏差的最大值。用公式表示為</p><p>　　頻率穩(wěn)定度

33、 δ=△fmax／fo│時(shí)間間隔 (3.1.3)</p><p>　　按照時(shí)間間隔長(zhǎng)短不同，通?？梢苑譃橄旅嫒N頻率穩(wěn)定度。</p><p>　　長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以上乃至幾個(gè)月內(nèi)振蕩頻率的相對(duì)變化量。這種變化量主要取決于有源器件、電路元件的老化特性。</p><p>　　短期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以?xún)?nèi)振蕩頻率的相對(duì)變化量。它主要與溫

34、度、電源電壓變化和電路參數(shù)不穩(wěn)定因素有關(guān)。</p><p>　　瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度：一般指秒或毫秒內(nèi)振蕩頻率的相對(duì)變化量。這種頻率變化一般都具有隨機(jī)性質(zhì)并伴隨著相位的隨機(jī)變化，這些變化均有設(shè)備內(nèi)部噪聲或各種突發(fā)性干擾所引起。</p><p>　　以上三種頻率穩(wěn)定度的劃分并沒(méi)有嚴(yán)格的界限，但這種大致的區(qū)分還是有一定實(shí)際意義的。因?yàn)槿藗兏嘧⒁舛唐诜€(wěn)定度的提高問(wèn)題，所以通常講的頻率穩(wěn)定度一般是指短

35、期頻率穩(wěn)定度。</p><p>　　二、提高頻率穩(wěn)定度的措施</p><p><b>　　減小外界因素的變化</b></p><p>　　減小外界因素變化的措施很多，例如為了減小溫度變化對(duì)振蕩頻率的影響，</p><p>　　可將整個(gè)振蕩器或諧振器回路置于恒溫槽內(nèi)，以保持溫度的恒定；采用高穩(wěn)定度直流穩(wěn)壓源來(lái)減小電源電壓的

36、波動(dòng)而帶來(lái)晶體管工作點(diǎn)電壓、電流發(fā)生的變化；</p><p>　　采用金屬屏蔽罩減小外界磁場(chǎng)的變化而引起電感量的變化；采用減震器可減小由于機(jī)械振動(dòng)而引起電感、電容值的變化；采用密封工藝來(lái)減小大氣壓力和濕度變化而帶來(lái)電容器介電系數(shù)的變化；在負(fù)載和振蕩器之間加一級(jí)射極跟隨器作為緩沖，可減小負(fù)載變化等。</p><p>　　提高諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性</p><p>　　所謂諧

37、振回路的標(biāo)準(zhǔn)性是指諧振回路在外界因素變化時(shí)，保持其諧振頻率不</p><p>　　變的能力?；芈窐?biāo)準(zhǔn)性越高，頻率穩(wěn)定度就越好。實(shí)質(zhì)上，提高諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性就是從振蕩電路本身入手來(lái)提高頻率的穩(wěn)定度?？刹捎靡韵麓胧?lt;/p><p>　?、挪捎脜?shù)穩(wěn)定的回路電感和電容器。</p><p>　?、撇捎脺囟妊a(bǔ)償法。選擇合適的具有不同溫度系數(shù)的電感和電容，同時(shí)接入諧振回路，從

38、而使因溫度變化引起的電感和電容值的變化相互抵消，使回路總電抗量變化減小。</p><p>　　⑶改進(jìn)安裝工藝。縮短引線、加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度、牢固安裝元件和引線可減小分布電容和分布電感及其變化量。</p><p>　　3.2 三種方案的提出與比較</p><p>　　一、有溫度補(bǔ)償?shù)木w振蕩器電路（TCXO）</p><p>　　采用溫度補(bǔ)償法，一般

39、可以使晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，即在-40～+70℃的環(huán)境溫度中，可以使晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度達(dá)到+5×10-7數(shù)量級(jí)。實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏啵旅嬉宰畛Ｓ玫臒崦綦娮杈W(wǎng)絡(luò)和變?nèi)荻O管所組成的補(bǔ)償電路，來(lái)說(shuō)明溫度補(bǔ)償石英晶體振蕩器的工作原理，如圖3.2.1所示。 </p><p><b>　　圖 3.2.1</b></p><p>

40、　　圖中，VT1結(jié)成皮爾斯晶體振蕩器，VT2為共射極放大器，VT3為射極跟隨器。虛線方框?yàn)闇囟妊a(bǔ)償電路，它是由R1、R2、Rt1和Rt2、R3構(gòu)成的電阻分壓器，其中，Rt1和Rt2為阻值隨周?chē)鷾囟茸兓臒崦綦娮?，該電路的作用是使Rt2和R3上的分壓值Ut反應(yīng)周?chē)鷾囟茸兓?。將Ut加到與晶體相串聯(lián)的變?nèi)荻O管上，可控制變?nèi)荻O管的電容量變化。由于當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，石英晶體的標(biāo)稱(chēng)頻率隨溫度改變而略有變化，因而振蕩器的頻率也就有所變化。如果Ut

41、的溫度特性與晶體的溫度特性相匹配，當(dāng)變?nèi)荻O管的電容隨Ut改變時(shí)，可補(bǔ)償因溫度變化而引起的晶體頻率的變化，則整個(gè)振蕩器頻率受溫度變化的影響便大大減小，從而得到比較高的頻率穩(wěn)定度，振蕩器的頻率穩(wěn)定度就可提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。</p><p>　　然而，變?nèi)荻O管上的反向偏壓是由圖3.2.1中虛線框內(nèi)的與石英諧振器處于同樣環(huán)境溫度的熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)產(chǎn)生的。它的阻值通常都是利用曲線擬合法通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，得到熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)

42、的具體阻值數(shù)據(jù)，鑒于目前實(shí)驗(yàn)室條件，熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)的機(jī)輔設(shè)計(jì)還難以實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　二、LC振蕩電路</b></p><p>　　如圖3.2.2所示的電路是由晶體管T1組成的電容三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)型電路即西勒電路。Cb對(duì)交流短路，因此是基極接地電路。對(duì)于振蕩電路選擇共基組態(tài)主要考慮變?nèi)荻O管接入對(duì)實(shí)現(xiàn)振蕩電路有利。晶體管T1的靜態(tài)工作點(diǎn)由Rb1、Rb2

43、、Re、Rc所決定，振蕩器的靜態(tài)工作電流IcQ通常選在（1～4）mA。IcQ偏大，可使輸出電壓幅度增加，但波形失真加重，頻率穩(wěn)定度變差。IcQ過(guò)小，起振困難。為了減小晶體管的極間電容對(duì)回路振蕩頻率的影響，C1、C2的取值要大。</p><p>　　該電路頻率穩(wěn)定性較好，振蕩頻率可以較高。但是即使采取各種基本穩(wěn)頻措施，其頻率穩(wěn)定度只能達(dá)到10-4，對(duì)于本課題要求來(lái)說(shuō)還不夠高。</p><p>

44、;<b>　　圖 3.2.2</b></p><p>　　三、4M石英晶體振蕩器</p><p>　　如圖3.2.3所示，該電路所產(chǎn)生的頻率由石英晶體的固有頻率所決定。電路由晶體管T1構(gòu)成克拉潑振蕩電路部分，晶體管T2是一個(gè)射極跟隨器，用于緩沖驅(qū)動(dòng)負(fù)載。穩(wěn)壓二極管Vz和電阻Rs構(gòu)成的穩(wěn)壓回路可以減小電源電壓波動(dòng)給晶體管工作點(diǎn)帶來(lái)的影響。用鍍銀云母電容C2、C3消除引起

45、振蕩頻率的內(nèi)阻抗變化。該電路使用各種提高頻率穩(wěn)定度的方法和手段，電路模式清晰易懂，在實(shí)際</p><p><b>　　操作中可以實(shí)現(xiàn)。</b></p><p><b>　　圖 3.2.3 </b></p><p>　　經(jīng)過(guò)三種方案的提出與比較，選擇最為合適的第三套電路作為最后確定的方案。</p><p&

46、gt;　　3.3 最后選定方案的設(shè)計(jì)過(guò)程與原理分析</p><p><b>　　選定方案的原理框圖</b></p><p><b>　　圖 3.3.1</b></p><p>　　如圖 3.3.1所示，選定方案的總電路可以被分成三部分，下面將分別對(duì)這三部分進(jìn)行說(shuō)明和分析。</p><p>　　二、選

47、定方案的分部分析</p><p>　　1、振蕩電路部分的設(shè)計(jì)與分析</p><p><b>　?。╝）</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p><b>　　圖 3.3.2</b></p><p>　　如圖 3.3.2(a)所示

48、，為圖3.3.1的第一部分，即振蕩電路部分。（b）為其對(duì)應(yīng)的交流等效電路圖。正是這部分電路使石英晶體在它的標(biāo)稱(chēng)頻率上起振。該電路采用的是并聯(lián)型晶振電路中的皮爾斯振蕩電路模型。并聯(lián)型晶振電路的工作原理和一般三點(diǎn)式LC振蕩器相同，只是把其中的一個(gè)電感元件用石英晶體置換了,石英晶體接在晶體管T1的c、b極之間.皮爾斯電路類(lèi)似于克拉潑電路，但由于石英晶振中Cq極小，Qq極高，所以皮爾斯電路具有以下特點(diǎn)：</p><p>

49、　　振蕩回路與晶體管、負(fù)載之間的耦合很弱。晶體管c、b端，c、e端和e、</p><p>　　b端的接入系數(shù)一般均小于10-4～10-3，所以外電路的不穩(wěn)定參數(shù)對(duì)振蕩回路影響很小，提高了回路的標(biāo)準(zhǔn)性。</p><p>　　振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數(shù)決定，而石英晶振本身的參數(shù)具有高度</p><p><b>　　的穩(wěn)定性。</b></p&

50、gt;<p>　　由于振蕩頻率f0一般調(diào)諧在標(biāo)稱(chēng)頻率fN上，位于晶振電抗曲線陡峭的感</p><p>　　性區(qū)內(nèi)，所以穩(wěn)頻性能極好。</p><p>　　由于晶振的Q值和特性阻抗很高，所以晶振的諧振電阻也很高，一般可</p><p>　　達(dá)1010Ω以上。這樣即使外電路接入系數(shù)很小，此諧振電阻等效到晶體管輸出端的阻抗仍很大，使晶體管的電壓增益能滿足振幅

51、起振條件的要求。</p><p>　　在石英晶體旁串聯(lián)一個(gè)容值為51pF的電容C0，使皮爾斯電路變?yōu)榭死瓭婋娐?。這樣電容C2、C3對(duì)振蕩頻率的影響顯著減小，那么與之并聯(lián)的晶體管T1極間電容的影響也就很小了，提高了振蕩頻率的穩(wěn)定度。從減小晶體管極間電容的影響出發(fā)，必須滿足C2、C3較大。這樣雖然使頻率穩(wěn)定性得到了改善，但是晶體管c、e端與回路的接入系數(shù)卻要下降，這將影響振蕩器的起振，振蕩幅度將會(huì)降低。所以設(shè)計(jì)C2、

52、C3的值也不可以過(guò)大。可調(diào)電容C7起到了微調(diào)振蕩頻率的作用。</p><p>　　由于選擇了標(biāo)稱(chēng)頻率為4MHz的石英晶體，所以注意到振蕩電路中所使用的晶體管的中心頻率fT 至少應(yīng)為數(shù)十兆或數(shù)百兆赫茲的晶體管。而2N3904的中心頻率fT 為300MHz，所以應(yīng)用在該振蕩電路中綽綽有余。而且考慮到要提高電路的頻率穩(wěn)定度，電容C2、C3均使用參數(shù)性能較為穩(wěn)定的鍍銀云母電容，盡可能地提高了回路的標(biāo)準(zhǔn)性。</p&g

53、t;<p>　　2、射極輸出器部分的設(shè)計(jì)與分析</p><p><b>　　圖3.3.3</b></p><p>　　如圖3.3.3所示，這是一個(gè)由高頻管9014構(gòu)成的射極跟隨器作為整個(gè)電路的輸出部分，它起到了緩沖和減小負(fù)載變化對(duì)振蕩回路的影響等作用。C6和R7構(gòu)成自舉電路，提高輸入阻抗使輸出電壓的幅度得到較大的動(dòng)態(tài)范圍。在4MHz頻率下工作，電容C6的

54、等效阻抗大約應(yīng)為幾個(gè)歐姆到十幾歐姆之間，經(jīng)過(guò)計(jì)算令C6的容值為0.01uF。而電阻R8上的電流應(yīng)為幾毫安以?xún)?nèi)的數(shù)值，最終確定阻值為2KΩ。</p><p>　　2、穩(wěn)壓電路部分的設(shè)計(jì)與分析</p><p><b>　　圖 3.3.4</b></p><p>　　如圖3.3.4所示，由穩(wěn)壓二極管Vz和限流電阻Rs所組成的穩(wěn)壓電路是一種</p

55、><p>　　最簡(jiǎn)單的直流穩(wěn)壓電源。根據(jù)圖3.3.5所示的穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線，進(jìn)行電路參數(shù)的選擇設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　圖 3.3.5</b></p><p>　?、欧€(wěn)壓電路輸入電壓Ui的選擇</p><p>　　輸入電壓為Ui，輸出電壓Uo就是負(fù)載振蕩電路所要求的穩(wěn)定電壓+12V.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般選擇<

56、/p><p>　　Ui=（1～3）Uo （3.3.1）</p><p>　　所以可以設(shè)Ui=1.25×12=15V。</p><p><b>　?、品€(wěn)壓管的選擇</b></p><p>　　在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中Uo=Uz；當(dāng)輸入電壓Ui隨電網(wǎng)電壓升高而增大時(shí)，限流電

57、阻Rs的電壓增量與Ui的增量幾乎相等，它所引起的增大部分電流幾乎全部流過(guò)穩(wěn)壓管；另外電路空載時(shí)穩(wěn)壓管流過(guò)的電流Iz將與Rs上的電流IR相等，所以穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流IZM的選取應(yīng)留有充分的余量。選擇穩(wěn)壓管的原則可歸納為</p><p><b>　　Uz=Uo=12V</b></p><p>　　IZM≥IL+Iz

58、 (3.3.2)</p><p>　　經(jīng)測(cè)量IL=0.24mA，一般最小穩(wěn)定電流Iz=5mA，所以必須滿足IZM≥5.24mA。選擇功率為1W的12V穩(wěn)壓管，IZM==83.3mA≥5.24mA，滿足所需條件。</p><p>　?、窍蘖麟娮鑂s的選擇</p><p>　　Rs的選擇必須滿足兩個(gè)條件：一是穩(wěn)壓管流過(guò)的最小電流應(yīng)大于穩(wěn)壓管的最小穩(wěn)定電流Iz；二是穩(wěn)壓管

59、流過(guò)的最大電流應(yīng)小于穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流IZM。</p><p><b>　　即 </b></p><p>　　Iz≤IVZ≤IZM (3.3.3)</p><p>　　假設(shè)負(fù)載電流不變且電網(wǎng)電壓允許波動(dòng)范圍為±10%。當(dāng)電網(wǎng)電壓最低（即Ui最低）時(shí)，流過(guò)

60、穩(wěn)壓管的電流最小，根據(jù)式（3.3.3）可寫(xiě)成表達(dá)式</p><p>　　IVZ=-IL≥Iz </p><p>　　由此得出限流電阻的上限值為</p><p>　　Rsmax= (3.3.4)</p><p>　　當(dāng)電網(wǎng)電壓最高（即Ui最高）時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流最大，根據(jù)式（3.3.

61、3）可寫(xiě)成表達(dá)式</p><p>　　IVZ=- IL≤IZM </p><p>　　由此得出限流電阻的下限值為</p><p>　　Rsmin= (3.3.5)</p><p>　　在該實(shí)際電路中Uimin=15×(1-10%)=13.5V, Uimax=15×(1+1

62、0%)=16.5V, Uz=12V, Iz=5mA, IZM==83.3mA,根據(jù)式（3.3.4），（3.3.5）可得</p><p>　　Rsmax=≈286.26Ω</p><p>　　Rsmin=≈53.87Ω</p><p>　　所以Rs的取值范圍是53.87～286.26Ω，令Rs=250Ω即可。</p><p>　　電路的調(diào)試和數(shù)

63、據(jù)的整理</p><p>　　4.1 振蕩電路部分的調(diào)試和修改</p><p>　　出現(xiàn)問(wèn)題：根據(jù)圖3.3.2在硬件上實(shí)現(xiàn)振蕩電路部分（未加射極輸出器</p><p>　　和穩(wěn)壓電路部分）。起先電容C2、C3都設(shè)為56pF。用示波器測(cè)試輸出波形，發(fā)現(xiàn)波形頻率大約為10MHz，而不是石英晶體的標(biāo)稱(chēng)頻率4MHz。 </p><p>　　解

64、決方法： 分別在C2、C3兩端并聯(lián)一個(gè)51 pF的電容，使其適當(dāng)增大，之</p><p>　　后發(fā)現(xiàn)波形頻率正常。確定C2=107pF，C3=107pF。</p><p>　　二、出現(xiàn)問(wèn)題： 得到了頻率正常的輸出信號(hào)，但是波形產(chǎn)生了失真。</p><p>　　解決方法：這就需要調(diào)整T1構(gòu)成的放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。起先電阻 R2=15K,R3=560Ω。用萬(wàn)用表

65、測(cè)量晶體管T1的各極間電壓，VC=11.76V,Vb=3.0V,Ve=2.4V。Vb- Ve=0.6V。發(fā)射極電流</p><p>　　Ie==≈4.28mA ，這個(gè)數(shù)值來(lái)說(shuō)偏大，需要調(diào)整偏置電阻R2、R3</p><p>　　的大小比例。分別給R2、R3串聯(lián)一個(gè)電位器，在接通示波器顯示出波形的</p><p>　　情況下調(diào)整兩個(gè)電阻的大小直至出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正弦為止。此

66、時(shí)可以用萬(wàn)用表測(cè)量串聯(lián)電位器以后R2、R3的實(shí)際阻值是R2=15.10K,R3=5.95K。（Ie =？）</p><p>　　三、在還未加射極輸出器的時(shí)候，用萬(wàn)用表測(cè)量電阻R4兩端的電壓為0.024V，</p><p>　　根據(jù)歐姆定律可計(jì)算出振蕩電路的電流（即設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路時(shí)的負(fù)載電流）</p><p>　　IL==0.24mA。這個(gè)電流值在設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路時(shí)將會(huì)用到

67、。</p><p>　　4.2 穩(wěn)壓電路部分的調(diào)試和修改</p><p>　　根據(jù)圖3.2.3、圖3.3.3和圖3.3.4在原有的振蕩電路部分加上穩(wěn)壓部分和射極輸出部分。在輸入端用直流穩(wěn)壓電源加上+15V的電壓，再用萬(wàn)用表測(cè)量穩(wěn)壓電路中的Uo=Uz=11.76V，接近所要求的 +12V，所設(shè)計(jì)的電路能夠正常工作。</p><p>　　二、用頻率計(jì)在未采取穩(wěn)壓措施之前

68、和之后分別測(cè)量該振蕩器輸出正弦信號(hào)的頻率，每隔10秒記錄一個(gè)數(shù)值，用于求頻率穩(wěn)定度的參考資料。</p><p>　　4.3 振蕩器電路的最終結(jié)果</p><p>　　一、輸出波形的繪制及數(shù)據(jù)記錄</p><p>　　二、未采取穩(wěn)壓措施時(shí)輸出頻率變化：</p><p>　　采取穩(wěn)壓電路以后的頻率變化：</p><p>　

69、　根據(jù)式（3.1.1）、（3.1.2）（3.1.3）可知，未采取穩(wěn)壓措施時(shí)電路的頻率穩(wěn)定度為δ1=3.3925×10-5，而采取穩(wěn)壓電路之后穩(wěn)定度δ2=2.55×10-5，由此可見(jiàn)采用穩(wěn)壓措施之后對(duì)該振蕩電路的頻率穩(wěn)定度有一定程度的改善。</p><p>　　第五章 石英晶體振蕩器的發(fā)展及應(yīng)用</p><p>　　5.1 石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢(shì)  

70、;   1、小型化、薄片化和片式化：為滿足移動(dòng)電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉(zhuǎn)變。例如TCXO這類(lèi)器件的體積縮小了30～100倍。采用SMD封裝的TCXO厚</p><p>　　度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已經(jīng)上市。</p><p>　　2、高精度與高穩(wěn)定度，目前無(wú)補(bǔ)償式晶體振蕩

71、器總精度也能達(dá)到±25ppm，VCXO的頻率穩(wěn)定度在10～7℃范圍內(nèi)一般可達(dá)±20～100ppm，而OCXO在同一溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度一般為±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。     3、低噪聲，高頻化，在GPS通信系統(tǒng)中是不允許頻率顫抖的，相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個(gè)重要參數(shù)。目前OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有很大改善。

72、除VCXO外，其它類(lèi)型的晶體振蕩器最高輸出頻率不超過(guò)200MHz。例如用于GSM等移動(dòng)電話的UCV4系列壓控振蕩器，其頻率為650～1700 MHz，</p><p>　　電源電壓2.2～3.3V，工作電流8～10mA。</p><p>　　4、低功能，快速啟動(dòng)，低電壓工作，低電平驅(qū)動(dòng)和低電流消耗已成為一個(gè)趨勢(shì)。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產(chǎn)品，電流損耗不超

73、過(guò)2 mA。石英晶體振蕩器的快速啟動(dòng)技術(shù)也取得突破性進(jìn)展。例如日本精工生產(chǎn)的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm規(guī)定值范圍條件下，頻率穩(wěn)定時(shí)間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMD TCXO，在振蕩啟動(dòng)4ms后則可達(dá)到額定值的90%。</p><p>　　OAK公司的10～25 MHz的OCXO產(chǎn)品，在預(yù)熱5分鐘后，則能達(dá)到±0.01 ppm

74、</p><p><b>　　的穩(wěn)定度。</b></p><p>　　5.2 石英晶體振蕩器的應(yīng)用     </p><p>　　1、石英鐘走時(shí)準(zhǔn)、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)點(diǎn)。不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路，其頻率精度決定了電子鐘表的走時(shí)精度。從石英晶體振蕩器原理

75、的示意圖5.2.1中，其中V1和V2構(gòu)成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調(diào)電容C2構(gòu)成振蕩系統(tǒng)，這里石英晶體相當(dāng)于電感。振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻，R2為振蕩的穩(wěn)定電阻，它們都集成在電路內(nèi)部。故無(wú)法通過(guò)改變C1或C2的數(shù)值來(lái)調(diào)整走時(shí)精度。但此時(shí)我們?nèi)钥捎眉咏右恢浑娙軨有方法，來(lái)改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時(shí)精度。根據(jù)電子鐘表走時(shí)的快慢，調(diào)整電容有兩種接法：若走時(shí)偏快，則可在

76、石英晶體兩端并接電容C，如圖5.2.2所示。此時(shí)系統(tǒng)總電容加大，振蕩頻率變低，走時(shí)減慢。若走時(shí)偏慢，則可在晶體支路中串接電容C。如圖5.2.3所示。此時(shí)系統(tǒng)的總電容減小，振蕩頻率變高，走時(shí)增快。只要經(jīng)過(guò)耐心的反復(fù)試驗(yàn)，就可以調(diào)整走時(shí)精度。因此，晶振可用于時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。</p><p>　　圖 5.2.1 圖5.2.2</p><p

77、><b>　　圖 5.2.3</b></p><p>　　2、隨著電視技術(shù)的發(fā)展，近來(lái)彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場(chǎng)電路的振蕩源，經(jīng)1/3的分頻得到 15625Hz的行頻，其穩(wěn)定性和可靠性大為提高。面且晶振價(jià)格便宜，更換容易。     3、在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了更廣泛的體

78、現(xiàn)，同時(shí)也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)取?lt;/p><p>　　石英晶體振蕩器是目前性能較好的電路。由于石英晶體的價(jià)格大幅度降低,將會(huì)被越來(lái)越多的電子設(shè)備采用。</p><p><b>　　5.3 總結(jié)</b></p><p>　　本課題的主要任務(wù)是對(duì)高穩(wěn)振蕩器進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，研制出頻

79、率穩(wěn)定度較高的振蕩器。針對(duì)本科題，在老師的指導(dǎo)下，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究。</p><p>　?。?）分析石英諧振器技術(shù)參數(shù)對(duì)晶體振蕩器性能的影響。提出了高穩(wěn)晶體振蕩器對(duì)石英諧振器的要求，并基于振蕩電路原理設(shè)計(jì)出由晶體管構(gòu)成的克拉潑晶體振蕩電路。</p><p>　　（2）穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)。本文論述了最簡(jiǎn)便的穩(wěn)壓方法，即使用穩(wěn)壓二極管和限流電阻的方法。并計(jì)算出了所需元件的參數(shù)和性能指標(biāo)。&

80、lt;/p><p>　?。?）論述了射極輸出器的工作原理，并對(duì)自舉電路進(jìn)行分析，從而設(shè)計(jì)出較高性能的輸出器。</p><p>　?。?）裝配調(diào)試石英晶體振蕩器樣品，測(cè)試石英晶體振蕩器的性能并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 段九州.振蕩電路實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè).沈陽(yáng)：遼寧科

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