課程設(shè)計(jì)高頻晶體正弦波振蕩器

1、目 錄摘 要11 緒論22 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求23 石英晶體特性簡(jiǎn)介33.1 壓電效應(yīng)33.2 等效電路及電抗特性33.3 晶振的優(yōu)缺點(diǎn)44 晶體振蕩器44.1起振和穩(wěn)幅44.2 并聯(lián)型晶體振蕩器54.3 串聯(lián)型晶體振蕩器64.3 輸出緩沖級(jí)74.4 晶體正弦波振蕩器原理圖及參數(shù)計(jì)算85 電路仿真105.1靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)試105.2串聯(lián)型振蕩器輸出測(cè)試105.3并聯(lián)型振蕩器輸出測(cè)試115.4實(shí)物制作與調(diào)試126 元器件清單147 總結(jié)與心得體會(huì)158 參考文獻(xiàn)16摘 要石英晶體正弦波振蕩器簡(jiǎn)稱晶振，是以高穩(wěn)定度、高q值的石英諧振器替代lc振蕩器中震蕩回路的電感、電容元件而構(gòu)成的自激正弦波振蕩器，它

2、利用石英晶體的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化。由于晶體振蕩器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。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)振蕩器的原理及石英晶體振蕩器原理做了詳細(xì)的介紹并通過(guò)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。1 緒論石英晶體振蕩器是利用石英晶體即二氧化硅的結(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

3、方位角切下薄片（簡(jiǎn)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(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。石英晶體振蕩器具有很好的標(biāo)準(zhǔn)性和極高的品質(zhì)因素，因此利用石英晶體振蕩器作濾波原件構(gòu)成的振蕩器，具有很高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度的穩(wěn)頻措施后，石英晶體振蕩器可以達(dá)到很好的頻率穩(wěn)定度。本次設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器各方面的比較，結(jié)合兩種電路得到我們需要的電路。2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求2.1設(shè)計(jì)目的（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(guò)跳線可實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)變

4、換的晶體正弦波振蕩器。（2）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(cè)。 2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求根據(jù)已知條件，完成通過(guò)基于石英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： （1）采用晶體三極管構(gòu)成一個(gè)多功能正弦波振蕩器；（2）額定電源電壓5.0v ，電流13ma; 輸出頻率 6 mhz；（3）通過(guò)雙變跳線可構(gòu)成克拉勃和西勒的串、并聯(lián)晶體振蕩器；（4）有緩沖級(jí)，在100歐姆負(fù)載下，振蕩器輸出電壓 1 v (d-p)。3 石英晶體特性簡(jiǎn)介3.1 壓電效應(yīng)晶體的基本特性是它具有壓電效應(yīng)。依靠這種效應(yīng)，可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；反之，也可以將電能轉(zhuǎn)

5、變?yōu)闄C(jī)械能。所謂壓電效應(yīng)就是在石英晶體打兩個(gè)電極上加直流電場(chǎng)，晶體就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變。反之，若在晶體的兩側(cè)施加一機(jī)械壓力，則會(huì)在晶體相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。若是晶體懶得兩級(jí)上叫交變激勵(lì)電壓，晶體就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同樣晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。且當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率激勵(lì)下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。3.2 等效電路及電抗特性圖3-1是石英晶體諧振器的等效電路。圖中co是靜電電容，代表石英晶體支架靜電容量，一般為幾至幾百皮法；lq是動(dòng)態(tài)電感，相當(dāng)于機(jī)械振動(dòng)的慣性，一般以幾十毫亨至幾百亨；cq是動(dòng)態(tài)電容，相當(dāng)于晶體的等效彈性模數(shù)

6、，很小，一般以百分之幾皮法計(jì)；rq是動(dòng)態(tài)電阻。相當(dāng)于晶體的的摩擦損耗，一般以幾至幾百歐計(jì)。易知：石英晶體的品質(zhì)因數(shù)很高。石英晶體諧振器有兩個(gè)諧振頻率,當(dāng)l、c、r支路串聯(lián)諧振時(shí)，等效電路的阻抗最小，串聯(lián)諧振頻率為fs=1/2，當(dāng)?shù)刃щ娐凡⒙?lián)諧振時(shí)，諧振頻率為fp= fs，顯然，fs fp，但由于c fp時(shí)，晶體諧振器顯容性；當(dāng)f在fs和fp之間，晶體諧振器等效為一電感，f=fs時(shí)，是串聯(lián)諧振點(diǎn)，等效阻抗最??；當(dāng)f=fp時(shí)，是并聯(lián)諧振點(diǎn)，等效阻抗最大。圖3-2 晶體的電抗特性曲線3.3 晶振的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：使用石英晶體作為震蕩回路元件，能夠使振蕩器的頻率穩(wěn)定度大大提高，原因有三：石英晶體的物理特

7、性和化學(xué)特性都十分穩(wěn)定，因此，它的等效諧振回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。它具有正、反壓電效應(yīng)，而且在諧振頻率附近，晶體的等效參數(shù)l很大、c很小、r也不高，因此，晶體的q值可高達(dá)數(shù)百萬(wàn)數(shù)量級(jí)。在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻率內(nèi)，具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對(duì)頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。 缺點(diǎn)：石英晶體諧振器的主要缺點(diǎn)時(shí)它的單頻性，即每塊晶體只能提供一個(gè)穩(wěn)定的振蕩頻率，因而不能直接用于波段振蕩器。4 晶體振蕩器4.1起振和穩(wěn)幅4.1.1起振過(guò)程在振蕩開(kāi)始時(shí)，由于激勵(lì)信號(hào)較弱，輸出電壓的振幅比較小，此后經(jīng)過(guò)不斷的放大與反饋循環(huán)，輸出幅度開(kāi)始逐漸增大，為了維持這一過(guò)程，必須滿足afl的要求。4.1.2

8、振幅的穩(wěn)定振蕩器接通電源開(kāi)始起振時(shí)，起始信號(hào)可能很弱。此時(shí)放大器工作在線性放大區(qū)，信號(hào)被放大，其振幅逐漸增加，反饋信號(hào)的振幅也隨之增加。促使它們不斷增大的因素是放大作用和正反饋。當(dāng)振幅增大到某種程度后，由于二極管特性的非線性，晶體三極管工作范圍將超出放大區(qū)進(jìn)人飽和區(qū)或截止區(qū)。放大器的放大倍數(shù)將顯著下降，因而使輸出信號(hào)振幅的增大程度變緩。另一方面，能量的損耗也會(huì)使輸出信號(hào)振幅的增大程度變緩。因?yàn)檎袷幤魉牡哪芰縼?lái)自電源，故電路中所能取得的能量總是有限的。當(dāng)振蕩器輸出信號(hào)的幅度加大時(shí)，其電路各部分的能量消耗也加大了（包括負(fù)載的功率輸出），由于能量的供給有限，使電路的輸出振幅不可能無(wú)限增大。所以振

9、蕩器的振幅只能增大到某種程度，此后形成等幅振蕩波形輸出。4.2 并聯(lián)型晶體振蕩器這類晶體振蕩器的振蕩原理和一般反饋式lc振蕩器相同，只是把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為一個(gè)感性元件，并與其他回路元件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成三端振蕩器。根據(jù)這種原理，常用的有兩種基本類型：c-b型電路和b-e型電路。4.2.1 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器c-b型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖4-1所示，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是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4-2所示，它類似于克拉潑振蕩器。圖4-1 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器實(shí)際線路 圖4-2 c-b型并

10、聯(lián)晶體振蕩器等效線路4.2.2 b-e型并聯(lián)晶體振蕩器b-e型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖4-3所示，該電路晶體接在基極和發(fā)射極之間，當(dāng)晶體呈感性，即并聯(lián)使用，且lc并聯(lián)回路也呈感性時(shí)，滿足電感三點(diǎn)式組成，電路的輸出信號(hào)較大。其等效電路如圖4-4所示。圖4-3 b-e型并聯(lián)晶體振蕩器實(shí)際電路 圖4-4 b-e型并聯(lián)晶體振蕩器等效電路4.3 串聯(lián)型晶體振蕩器在串聯(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。圖4-5和圖4-6顯示出了一串聯(lián)型振蕩器的實(shí)際路線和等效電路?？梢钥闯觯绻麑⑹⒕w短路，該電路即為電容三點(diǎn)式振蕩器。電路的實(shí)際工作原理為：當(dāng)回路的諧振頻率等于晶

11、體的串聯(lián)諧振頻率時(shí)，晶體的阻抗最小，近似為一短路線，電路滿足相位條件和振幅條件振蕩器的工作頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率，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。圖4-5 串聯(lián)型晶體振蕩器實(shí)際電路 圖4-6 串聯(lián)型晶體振蕩器等效電路4.3 輸出緩沖級(jí)常用的輸出緩沖級(jí)是在電路的輸出端加一射極跟隨器，從而提高回路的帶負(fù)載能力。射極跟隨器的特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大倍數(shù)略低于1，帶負(fù)載能力強(qiáng)，具有較高的電流放大能力，它可以起到阻抗變換和極間隔離的作用，因而可以減小負(fù)載對(duì)于振蕩回路的影響，射極跟隨器的典型電路如

12、圖4-7所示。圖4-7 輸出緩沖級(jí)電路4.4 晶體正弦波振蕩器原理圖及參數(shù)計(jì)算4.4.1電路原理圖圖 4-8 晶體振蕩器總原理圖從圖4-8中可以看到：r1、r2：為三極管q1提供偏置電壓。r8：改變阻值的大小可以改變q1的靜態(tài)工作點(diǎn)。c1：用于在振蕩器起振時(shí)將r2短路從而可以是振蕩器可以正常的振蕩。c2、c3：組成反饋分壓，用于為振蕩器提供反饋信號(hào)。zl1、zl2：為高頻扼流圈，目的是防止高頻信號(hào)流經(jīng)電源。c6、c7、c8、c9為高頻旁路電容，濾除高頻部分。q2連接成射極跟隨器，用于提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。j1上端打開(kāi)時(shí)，j2斷開(kāi)時(shí)振蕩器為串聯(lián)型晶體振蕩器，此時(shí)晶體相當(dāng)于選頻短路線；當(dāng)j1下端打

13、開(kāi)，j2接通時(shí)振蕩器為并聯(lián)型晶體振蕩器，此時(shí)晶體相當(dāng)于一等效電感。4.4.2 元件參數(shù)的計(jì)算正確的靜態(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(wú)法進(jìn)行正常的放大，振蕩器在沒(méi)有對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)是無(wú)法工作的。振蕩器主電路的靜態(tài)工作點(diǎn)主要由r1、r2、r3、r8決定，將電感短路，電容斷路，得到直流通路如圖4-9所示。圖4-9 直流通路等效電路如圖4-9所示，其中v1=5v，要使三極管滿足起振條件，則靜態(tài)時(shí)它應(yīng)工作在放大區(qū)，故r3兩端電壓應(yīng)大于0.7v，一般情況下發(fā)射極電流為ma級(jí)，基極電流ua級(jí)。不妨取r1=r3=5.1k，r2=4

14、00，=45則vb=2.5v，ie=4.5ma,ib=100ua,符合射級(jí)要求。為了調(diào)節(jié)方便，在r1處在串聯(lián)一電位器，最大阻值為10k。對(duì)于振蕩器，當(dāng)該電路接為串聯(lián)型振蕩器時(shí)，晶體起到選頻短路線的作用，輸出頻率應(yīng)為10mhz，不妨取l1=1uh,則由f0=2回路總電容c=253.3pf，即c2，c3串聯(lián)后的總電容為253.3 pf，則取c2=300pf，c3=1600pf.為了便于調(diào)節(jié)c2由一定值電阻和可變電阻并聯(lián)而成。當(dāng)該電路接為并聯(lián)型振蕩器時(shí)，晶體起到等效電感的作用，此時(shí)工作頻率介于兩諧振頻率之間。同時(shí)為了提高振蕩器的帶負(fù)載能力，應(yīng)附加一個(gè)緩沖輸出級(jí)，本設(shè)計(jì)中使用的是一個(gè)射級(jí)跟隨器，其各參

15、數(shù)如圖4-8所示。為了提高振蕩器的工作性能和穩(wěn)定度，在電路中還應(yīng)有高頻電源去耦電容和高頻扼流圈，一般取電解電容c=100nf，瓷片電容c=10 nf，扼流圈l=330mh。5 電路仿真5.1靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)試根據(jù)設(shè)計(jì)好的靜態(tài)工作點(diǎn)的電路圖，在multisim軟件中分別在晶體管q1、q2的b、e、c三端接入示波器，觀察靜態(tài)時(shí)各極上的電壓。測(cè)量結(jié)果如表5-1所示。表5-1 靜態(tài)工作時(shí)各極電壓參數(shù)vbvevcvbeq11.817v1.161v5.00v0.656vq24.925v4.228v5.00v0.697v根據(jù)表5-1中的數(shù)據(jù)可以看出，q1、q2均工作在放大狀態(tài)，滿足起振條件，該電路的靜態(tài)工作點(diǎn)

16、符合要求。5.2串聯(lián)型振蕩器輸出測(cè)試在multisim軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真，此時(shí)開(kāi)關(guān)j1上端接通，下斷開(kāi)，j2全部斷開(kāi)，形成串聯(lián)型振蕩器，為了便于觀察振蕩器工作時(shí)各部分電路的工作情況，分別在振蕩器輸出端和緩沖級(jí)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，仿真波形如圖5-1所示。圖5-1串聯(lián)型振蕩器輸出波形從圖5-1中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為vo=1.34v，輸出頻率f=6.38mhz，波形有較小的失真，這是由于元件參數(shù)的精度較低導(dǎo)致的，該振蕩器的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。5.3并聯(lián)型振蕩器輸出測(cè)試在multisim軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真，此時(shí)開(kāi)關(guān)j1上端斷開(kāi)，下端接通，j2接通

17、，形成并聯(lián)聯(lián)型振蕩器，為了便于觀察振蕩器工作時(shí)各部分電路的工作情況，分別在振蕩器輸出端和緩沖級(jí)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，仿真波形如圖5-2所示。圖5-2 并聯(lián)型振蕩器輸出波形從圖5-2中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為vo=1.46v，輸出頻率f=6.69mhz波形有較小的失真，這是由于元件參數(shù)的精度較低導(dǎo)致的，該振蕩器的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。5.4實(shí)物制作與調(diào)試 圖5-3實(shí)物圖調(diào)制波形: 圖5-4克拉潑振蕩電路輸出波形 圖5-5西勒振蕩器輸出波形 圖5-6石英晶體振蕩器輸出波形6 元器件清單序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量備注1電阻5.1k2r1、r22電阻1.2k1r6

18、3電阻4001r34電阻3301r55電阻1001r76電位器10k1r87瓷片電容1033c1、c6、c88瓷片電容1011c49瓷片電容1041c510瓷片電容2711c211瓷片電容1521c312電解電容100uf/16v1c7、c912可變電容60pf1c1014電感1uh1l115電感330mh2l2、l316晶振6m2x1、x217三極管2n22222q1、q218撥碼開(kāi)關(guān)2j1、j27 總結(jié)與心得體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)一個(gè)星期多左右，通過(guò)這一個(gè)星期的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識(shí)的很多漏洞，理論知識(shí)還不夠扎實(shí)。 這次的課程設(shè)計(jì)也讓我看到了個(gè)人力量的渺小，我認(rèn)為一個(gè)人工作是很艱難的工作，自己犯了錯(cuò)誤是很難發(fā)現(xiàn)的，只有等到做完在同學(xué)們檢查以后才知道還有許多不足之處。我需要團(tuán)隊(duì)，需要合作，需要幫助。剛開(kāi)始的時(shí)候，按照老師給的任務(wù)書(shū)，去找了資料，后來(lái)又積極的查詢了相關(guān)資料，自己就動(dòng)手開(kāi)始一星期的設(shè)計(jì)。在課程設(shè)計(jì)中一個(gè)人知識(shí)的有限性往往是導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)的片面，甚至是失敗。而這次設(shè)計(jì)也正好鍛煉我們這一點(diǎn)，這也是非常寶貴的。在這個(gè)過(guò)程中，我也曾經(jīng)因?yàn)闊o(wú)從下手，