晶体振荡器的ewb仿真

《通信电子线路》课程设计说明书设计题目: 晶体振荡器的EWB仿真院系：电气与信息工程系学生姓名：学号：专业班级：指导老师：2010年6月震荡器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”。

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。

本书对振荡器振荡原理作了简要说明，主要介绍并设计晶体振荡器，晶体振荡器是指由石英晶振决定频率，辅以晶体管或LC做成的振荡电路。

LC振荡器、三点式电容或电感振荡器，统称为“晶体管振荡器”。

石英晶体振荡器的最大特点就是频率稳定度高。

凡是频率的精度和稳定度要求较高的系统都采用石英晶体振荡器，如电子表、计算机的主时钟、高精密度的信号产生器、所有通信系统的主振荡源等。

本次设计主要介绍了串联晶体振荡器、并联晶体振荡器、变容二极管压控振荡器以及这三种振荡器的EWB波形仿真。

本文中还对串联型晶体振荡器进行了偏置点分析和间歇波形的仿真。

关键词：串联晶体振荡器、并联晶体振荡器、变容二极管压控振荡器、偏置点、间歇震荡本课程设计是在 EWB仿真技术基础上进行晶体振荡器的设计，首先对EWB软件进行简单的介绍。

EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为Electronics Workbench。

EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于1988年开发的，自发布以来，已经有35个国家、10种语言的人在使用。

EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。

SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件。

相对其它EDA软件而言，它是个较小巧的软件，只有16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，但你绝对不可小瞧它，它的仿真功能十分强大，可以几乎100％地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入，在众多的电路仿真软件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件，对于电子设计工作者来说，它是个极好的EDA工具，许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可，它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用，利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。

EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。

（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。

（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。

（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。

目录1 课程设计任务书 (5)1.1 设计目的 (5)1.2 主要技术指标 (5)1.3 设计任务 (5)1.4 实验报告内容 (5)2 晶体振荡器设计原理 (6)2.1 振荡器的分类 (6)2.2 振荡产生的原理 (6)2.2.1 自激振荡的产生 (6)2.2.2 产生振荡的条件 (7)2.3 起振和稳幅 (8)2.3.1 起振过程 (8)2.3.2 振幅的稳定 (8)2.4 晶体振荡器简介 (9)2.4.1 并联谐振型晶体振荡器 (9)2.4.2 串联谐振型晶体振荡器 (11)2.4.3 变容二极管压控振荡器 (11)3 设计过程与结果 (13)3.1 串联型晶体振荡 (13)3.1.1 5MHz串联型晶体振荡电路 (13)3.1.2 EWB仿真电路图 (13)3.1.3 仿真结果 (14)3.2 并联晶体振荡器 (14)3.2.1 建立并联晶体振荡器仿真电路如图3.3所示。

(14)3.2.2 仿真结果 (15)3.3 变容二极管压控振荡器 (15)3.3.1 主要电路分析 (15)3.3.2 变容二极管压控振荡电路仿真电路图 (16)3.3.3 仿真结果 (16)4 偏置点分析 (18)5 间歇振荡 (20)6 设计心得 (23)参考文献 (24)1 课程设计任务书1.1 设计目的1、掌握EWB软件的应用。

2、掌握串联、并联晶体振荡器、变容二极管压控振荡器仿真实验方法。

1.2 主要技术指标（1）负载电阻Ω=75LR（2）工作中心频率串联型晶体振荡电路：05M H zf=；并联晶体振荡器(自己设计)；中心频率为360MHz 的变容二极管压控振荡器。

1.3 设计任务(1) 设计串联晶体振荡器；(2) 设计并联晶体振荡器；(3) 变容二极管压控振荡器。

1.4 实验报告内容(1) 绘制的仿真电子电路原理图。

(2) 偏置点分析结果。

(3) 绘制输出电压振荡波形。

(4) 测量振荡频率。

(5) 绘间歇振荡波形。

(6) 写出本次实验结果分析与体会。

2 晶体振荡器设计原理2.1 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。

2.2 振荡产生的原理2.2.1 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2.1（a）表示。

如果扬声器和话筒的相对位置安排不当，如图2.1（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2.2来解释。

图 2.1图2.2 正反馈放大器形成自激振荡的原理2.2.2 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2.3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 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。

2.3 起振和稳幅2.3.1 起振过程在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压Xi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Xi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。

2.3.2 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。