高頻課程設(shè)計(jì)---石英晶體振蕩器

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　石英晶體具有正反壓電效應(yīng)。當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí)，它本身有一個(gè)固有的機(jī)械振動(dòng)頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí)，晶體片的機(jī)械振動(dòng)最大，晶體表面電荷量最多，外電路中的交流電流最強(qiáng)，于是產(chǎn)生了諧振。</p><p>　　本設(shè)計(jì)對(duì)利用石英晶體構(gòu)成正弦波的振蕩器的方法做了較深入的研究，對(duì)振蕩器的原

2、理及石英晶體振蕩器原理做了詳細(xì)的介紹并通過Multisim 軟件設(shè)計(jì)、仿真出串并聯(lián)可交換的石英晶體振蕩器，最后按照原理圖進(jìn)行實(shí)物的連接、調(diào)試和參數(shù)的計(jì)算。</p><p>　　關(guān)鍵詞：石英晶體；振蕩器；Multisim仿真</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Quartz crystal oscillato

3、r is a high precision and high stability of the oscillator, is widely used in color television sets, computers, remote controls and other kinds of oscillator circuits, and communications systems for the frequency generat

4、or, generate the clock for the data-processing equipment signal and reference signals for a particular system. Quartz resonators for very high frequency stability, it is mainly used in the required oscillation frequency

5、is very stable as resonant circuit e</p><p>　　This design constitutes a sine wave on the use of quartz crystal oscillator method to do a more in-depth research on the oscillator principle and principle of qu

6、artz crystal oscillators made a detailed introduction and adoption of Multisim software design, simulation a commutative series-parallel quartz crystal oscillator, and finally in accordance with the schematic diagram for

7、 physical connections, debugging and parameter calculation.</p><p>　　Keywords：Crystal；Oscillator；Multisim Simulation</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第1章 緒論、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求………………………

8、…..……………………1</p><p>　　1.1.1緒論…………………………………………….……………………...1</p><p>　　1.1.2設(shè)計(jì)任務(wù)及要求…………………………….………………………...1</p><p>　　1.2設(shè)計(jì)思路……………………………………………………………………1</p><p>　　1.3振蕩器的分

9、類………………………………………………………………1</p><p>　　1.4.1自激振蕩的產(chǎn)生…………………………………………………………2</p><p>　　1.4.2產(chǎn)生振蕩的條件…………………………………………………………2</p><p>　　第2章 石英晶體特性簡介及晶體正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)…………....……….3</p><p

10、>　　2.1.1 石英晶體特性簡介………………………………………………………3</p><p>　　2.1.2 設(shè)計(jì)框圖…………………………………………………………………3</p><p>　　2.2 各部分電路的設(shè)計(jì)……………………………………………………….3</p><p>　　2.2.1 串聯(lián)型晶體振蕩器………………………………………………………4&

11、lt;/p><p>　　2.2.2 并聯(lián)型晶體振蕩器………………………………………………………4</p><p>　　2.3 電路參數(shù)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………6</p><p>　　第3章 電路仿真與硬件調(diào)試…………………………………………………….8</p><p>　　3.1 石英諧振放大電路仿真圖及元件列表…

12、……………………………….8</p><p>　　3.2 仿真與實(shí)物………………………………………………………………10</p><p>　　結(jié)束語………………………………………………………………………………13</p><p>　　致謝………………………………………………………………………………..14</p><p>　　參考文獻(xiàn)………

13、……………………………………………………………………15</p><p>　　附錄…………………………………………………………………………………16</p><p>　　第一章 緒論、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求</p><p><b>　　1.1.1 緒論</b></p><p>　　石英晶體振蕩器是利用石英晶體即二氧化硅的結(jié)晶

14、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（簡稱為晶片，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，簡稱為石英晶體或晶體、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。變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。利用這種特性，就可以用石

15、英諧振器取代LC諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)介紹了振蕩器的工作原理和石英晶體的特性，通過對(duì)石英晶體振蕩電路的設(shè)計(jì)分析，進(jìn)行了電路仿真并作出了實(shí)際電路。</p><p>　　1.1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求</p><p>　　根據(jù)已知條件，完成通過基于石英

16、晶體的正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)、連接與仿真。該振蕩器須符合以下要求： </p><p>　　（1）采用晶體三極管構(gòu)成一個(gè)正弦波振蕩器；</p><p>　?。?）額定電源電壓12.0V ，電流1～3mA; 晶振頻率 11MHz；</p><p>　?。?）輸出信號(hào)幅度≥0.5V（峰-峰值），可調(diào) </p><p><b>　　1.2 設(shè)

17、計(jì)思路</b></p><p>　　（1）掌握高頻電子電路的基本設(shè)計(jì)能力及基本調(diào)試能力，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)通過跳線可實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)變換的晶體正弦波振蕩器。</p><p>　?。?）提高電子電路的理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力，能夠正確使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測。 </p><p>　　1.3 振蕩器的分類</p><p>　　振

18、蕩器用于產(chǎn)生一定頻率的幅度的信號(hào)，它不需要外加輸入信號(hào)的控制，就能自動(dòng)地將直流電能轉(zhuǎn)換為所需的交流能量輸出。振蕩器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，例如，在無線電通信、廣播、電視設(shè)備中用來產(chǎn)生所需要的載波和本機(jī)振蕩信號(hào)；在電子測量儀器中用來產(chǎn)生各種頻段的正弦信號(hào)等。振蕩器的類型繁多，按照振蕩過程是否依賴于外部激勵(lì)信號(hào)的參與，可以分為他激振蕩器和自激振蕩器；按照波形分類有正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器；按照振蕩器振蕩頻率的高低，可以分為低

19、頻振蕩器、高頻振蕩器、超高頻振蕩器等；按照振蕩器的選頻元件分類，則有RC振蕩器、LC振蕩器、石英晶體振蕩器等。</p><p>　　1.4.1 自激振蕩的產(chǎn)生</p><p>　　如果在放大器的輸入端不加輸入信號(hào)，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號(hào)，這種現(xiàn)象叫做自激振蕩。　</p><p>　　產(chǎn)生自激振蕩必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件：　　</p><

20、;p>　　幅度平衡條件|AF|=1　</p><p>　　相位平衡條件φT=φA+φF=2nπ（n=0,1,2,3···）　同時(shí)起振必須滿足|AF|略大于1的起振條件 。</p><p>　　1.4.2產(chǎn)生振蕩的條件</p><p>　　當(dāng)反饋信號(hào)uf等于放大器的輸入信號(hào)ui時(shí)，振蕩電路輸出電壓不會(huì)再發(fā)生變化，電路達(dá)到平衡狀態(tài)，將

21、f =i稱為振蕩的平衡條件。根據(jù)圖3.2.1可知，放大器開環(huán)電壓放大倍數(shù)和反饋網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸系數(shù)分別為</p><p>　　=o/i； =f/o （3.2.1）</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　f=o =i

22、 (3.2.2)</p><p>　　由此可得，振蕩的平衡條件為</p><p>　　==∣∣ej(ψa+ψf)=1 (3.2.3)</p><p>　　可見，振蕩的平衡條件應(yīng)包括振幅平衡條件和相位平衡條件</p><p>　　T=a+f=2n(n=0,1,2,…)

23、 (相位平衡條件)</p><p>　　T=∣∣=1 (振幅平衡條件)</p><p>　　但是為使振蕩器的輸出振蕩電壓在接通直流電源后能夠由小增大直到平衡，則要求在振蕩幅度由小增大時(shí)，反饋電壓相位必須與放大器輸入電壓同相，反饋電壓幅度必須大于輸入電壓的幅度，即</p><p>　　T=

24、a+f=2n(n=0,1,2,…) （3.2.4）</p><p>　　T=∣AF∣>1 （3.2.5）</p><p>　　式（3.2.4）稱為相位起振條件，式（3.2.5）稱為振幅起振條件。</p><p>　　綜上所述，反饋振蕩器既要滿足

25、起振條件，又要滿足平衡條件。</p><p>　　第2 章 石英晶體特性簡介及晶體正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1.1 石英晶體特性簡介 </p><p>　　石英晶體特晶振全稱為晶體振蕩器，其作用在于產(chǎn)生原始的時(shí)鐘頻率，這個(gè)頻率經(jīng)過頻率發(fā)生器的放大或縮小后就成了電腦中各種不同的總線頻率。以聲卡為例，要實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)44.1kHz或48kHz的采

26、樣，頻率發(fā)生器就必須提供一個(gè)44.1kHz或48kHz的時(shí)鐘頻率。如果需要對(duì)這兩種音頻同時(shí)支持的話，聲卡就需要有兩顆晶振。但是娛樂級(jí)聲卡為了降低成本，通常都采用SRC將輸出的采樣頻率固定在48kHz，但是SRC會(huì)對(duì)音質(zhì)帶來損害，而且現(xiàn)在的娛樂級(jí)聲卡都沒有很好地解決這個(gè)問題。 晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機(jī)電器件，是用電損耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個(gè)很重要的特性，如果給它通電，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振蕩，

27、反之，如果給它機(jī)械力，它又會(huì)產(chǎn)生電，這種特性叫壓電效應(yīng)。他們有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，其振蕩頻率與他們的形狀，材料，切割方向等密切相關(guān)。由于石英晶體化學(xué)性能非常穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)常小，其振蕩頻率也非常穩(wěn)定，由于控制幾何尺寸可以做到很精密，因此，其諧振頻率也很準(zhǔn)確。根據(jù)石英晶體的機(jī)電效應(yīng)，我們可以把它等效為一個(gè)電磁振蕩回路，即諧振回路。他們的機(jī)電效應(yīng)是機(jī)-電-機(jī)-電..的不斷轉(zhuǎn)換</p><p>　　2.1.2 設(shè)計(jì)框圖&

28、lt;/p><p>　　2.2 各部分電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　蕩器電路屬于一種信號(hào)發(fā)生器類型，即表現(xiàn)為沒有外加信號(hào)的情況下能自動(dòng)生成具有一定頻率、一定波形、一定振幅的周期性交變振蕩信號(hào)的電子線路。振蕩器起振時(shí)是將電路自身噪聲或電源跳變中頻譜很廣的信號(hào)進(jìn)行放大選頻。此時(shí)振蕩器的輸出幅值是不斷增長的，隨著振幅的增大，放大器逐漸由放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)或者截止區(qū)，其增益逐漸下降，當(dāng)放大器增益下降

29、而導(dǎo)致環(huán)路增益下降到1時(shí)，振幅的增長過程將停止，振蕩器達(dá)到平衡，進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)后，直流電源補(bǔ)充的能量剛好抵消整個(gè)環(huán)路消耗的能量。</p><p>　　2.2.1 串聯(lián)型晶體振蕩器</p><p>　　在串聯(lián)型晶體振蕩器中，晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點(diǎn)之間，通常接在反饋電路中。電路的實(shí)際工作原理為：當(dāng)回路的諧振頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率時(shí)，晶體的阻抗最小，近似為一短

30、路線，電路滿足相位條件和振幅條件，故能正常工作；當(dāng)回路的諧振頻率距串聯(lián)諧振頻率較遠(yuǎn)時(shí)，晶體阻抗增大，是反饋減弱，從而使電路不能滿足振幅條件，電路不能正常工作。</p><p>　　2.2.2 并聯(lián)型晶體振蕩器</p><p>　　c-b型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖示，振蕩管的基極對(duì)高頻接地，晶體接集電極與基極之間，C2和C3位于回路的另外兩個(gè)電抗元件，振蕩器的回路等效電路如圖示，它類似

31、于克拉潑振蕩器，由于Cq非常小，因此，晶體振蕩器的諧振回路與振蕩管之間的耦合電容非常弱，從而使頻率穩(wěn)定度大大提高。由于晶體的品質(zhì)因數(shù)很高，故其并聯(lián)諧振阻抗也很高，雖然接入系數(shù)很小，但等效到晶體管CE兩端的阻抗仍很高，因此放大器的增益高，電路易滿足振幅齊起振條件。</p><p>　　圖3、c-b型并聯(lián)晶體振蕩器實(shí)際電路 圖4、c-b型并聯(lián)晶體振蕩器等效電路</p><p

32、>　　b-e型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖所示，該電路是一個(gè)雙回路振蕩器，它的固有諧振頻率略高于振蕩器的工作頻率，負(fù)載回路選用的是并聯(lián)諧振回路，可以抑制其他諧波，有利于改善輸出波形，并且電路的輸出信號(hào)較大，但頻率穩(wěn)定度不如b-c型振蕩電路，因?yàn)樵赽-e型電路中，石英晶體則接在輸入阻抗低的b-e之間，降低了石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)性。其等效電路如圖所示</p><p>　　圖5、b-e型并聯(lián)晶體振蕩器實(shí)際電路

33、 圖6、b-e型并聯(lián)晶體振蕩器等效電路 </p><p>　　綜合上述所得，本次設(shè)計(jì)采用c-b型并聯(lián)晶體振蕩電路。</p><p>　　2.3 電路參數(shù)的設(shè)計(jì)</p><p>　　正確的靜態(tài)工作點(diǎn)是振蕩器能夠正常工作的關(guān)鍵因素，靜態(tài)工作點(diǎn)主要影響晶體管的工作狀態(tài)，若靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置不當(dāng)則晶體管無法進(jìn)行正常的放大，振蕩器在沒有對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)是無

34、法工作的。振蕩器主電路的靜態(tài)工作點(diǎn)主要由R1、R2、R4、R3決定，將電感短路，電容斷路，得到直流通路</p><p>　　圖7、石英諧振器電路符號(hào)和等效電路及電抗曲線</p><p>　　圖8、一級(jí)電路仿真電路圖</p><p>　　靜態(tài)工作點(diǎn)的確定： </p><p>　　高頻振蕩器的工作點(diǎn)要合適，若偏低、偏高都會(huì)使振蕩波形產(chǎn)生嚴(yán)重失

35、真，甚至停振。實(shí)際中取I cq=0.5~5mA之間，若取 I cq=2mA，Vceq=2V β=120，則有：</p><p>　　Re+Rc=（Vcc-Vce）/Icq=5k?</p><p>　　為提高電路的穩(wěn)定性，Re值可適當(dāng)增大，取Re=2k?，則Rc=3.3k?，則有：</p><p>　　Veq=Icq*Re=2mA*3k?=6V</p>

36、<p>　　Ibq=Icq/β=1/60mA</p><p>　　若取流過Rb2的電流Ib2為10 Ibq，則Ib2=10Ibq=1/6mA</p><p>　　Vbq=[Rb2/(Rb1+Rb2)]*Vcc=Veq+0.7=6.7V</p><p>　　Rb2=Vbq/Ib2=6.7*6=40.6k?</p><p>　　Rb1

37、=21.5K?</p><p>　　實(shí)際電路中，Rb1可用50k?電位器，Rb2可以取33k?，以便工作點(diǎn)的調(diào)整</p><p><b>　　交流參數(shù)的確定：</b></p><p>　　對(duì)于振蕩器，當(dāng)電路接為并聯(lián)型振蕩器時(shí)，晶體起到等效電感的作用，輸出頻率應(yīng)為11MHZ，則由F0=1/2π可得負(fù)載電容CL=49PF即取CL=50PF。<

38、/p><p>　　第3章、電路仿真與硬件的調(diào)試</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路圖，在Multisim軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真，在振蕩器輸出端接入示波器觀察波形，記錄示波器上顯示的輸出振幅和輸出頻率。</p><p><b>　　電路圖：</b></p><p>　　圖9、石英諧振放大電路仿真圖</p><

39、p><b>　　元件列表：</b></p><p><b>　　仿真波形圖：</b></p><p><b>　　實(shí)物照片：</b></p><p><b>　　實(shí)物波形圖</b></p><p><b>　　結(jié)束語</b>&l

40、t;/p><p>　　通過本次課程設(shè)計(jì)使自己進(jìn)一步熟悉、掌握高頻課程設(shè)計(jì)原理與基本知識(shí)；綜合訓(xùn)練自己掌握高頻課程設(shè)計(jì)所需電子元件的原理和選擇，從而初步學(xué)會(huì)從分析到調(diào)試的基本過程、方法和思路，為今后的設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。從做設(shè)計(jì)的過程中掌握并運(yùn)用以前所學(xué)的知識(shí)，提高自學(xué)能力和獨(dú)立思考解決問題的能力。同時(shí)使我所學(xué)的知識(shí)得以運(yùn)用。</p><p>　　同時(shí)，在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該充分調(diào)動(dòng)團(tuán)隊(duì)的熱情，

41、多作協(xié)調(diào)和溝通，讓每一個(gè)組員的智慧發(fā)揮到極致。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)還有很多不足之處，懇請老師批評(píng)指正。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本課程設(shè)計(jì)是在xx老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。xx老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，