高频电子课程设计-晶体振荡器

通信电子线路课程设计说明书晶体正弦波振荡院部：电气与信息工程学院学生：指导教师：职称实验师专业：通信工程完成时间： 2012年12月09日摘要石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，及通信系统中用于频率发生器。

石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。

但石英晶体成本较高，故在要求不太高的电路中一般采用陶瓷谐振元件。

本设计对利用石英晶体的压电效应，对构成正弦波的振荡器的方法做了较深入的研究，对振荡器的原理及石英晶体振荡器原理做了详细的介绍并通过Multisim 软件设计、仿真出并联型石英晶体振荡器，最后按照原理图进行参数的计算和实物的制作、调试。

对实物和仿真进行调试，并成功出现波形，证明了上述理论的可靠性，且符合设计要求。

是一次成功的课程设计。

关键词：晶体；振荡器；并联；Multisim仿真ABSTRACTQuartz crystal oscillator is a kind of high precision and high stability of the oscillator, which has been widely used in color TV computer remote control and other kinds of oscillation circuit, and communication system used for frequency generator quartz resonator for high frequency stability, it is mainly used in request frequency is very stable oscillation circuit of resonance element but quartz crystal cost is higher, so in less demanding circuit usually use ceramic resonance element.This design using quartz crystal piezoelectric effect, made of crystal oscillator method to do a more in-depth study on the oscillator principle and quartz crystal oscillator principle are described in detail and through the Multisim software design simulation the parallel type quartz crystal oscillator, according to the parallel resonance type crystal oscillator principle using carat splash circuit draw the schematic diagram of the parameters, the calculation and real production debugging in physical and simulation debugging, and successfully appear waveform, proved the reliability of the above theory, and comply with the design requirements is a successful course design.Key words Crystal; Oscillator; Series parallel; Multisim simulation目录1 课程设计任务书 (2)1.1 设计任务 (2)1.2 主要技术指标 (2)1.3设计思想 (2)2 概论 (3)2.1 设计目的 (3)2.2 振荡的基本知识 (3)2.2.1引言 (3)2.2.2振荡产生的原理 (4)2.2.3起振和稳幅 (4)2.2.4振荡器的频率稳定度 (5)3 晶体振荡器的设计与仿真 (6)3.1 石英晶体特性简介 (6)3.2 晶体振荡器电路的类型及其工作原理 (6)3.2.1串联型谐振晶体振荡器 (6)3.2.2 并联谐振型晶体振荡器 (8)3.2.3泛音晶体振荡器 (9)3.3 晶体正弦波振荡器原理图及参数计算 (10)3.3.1 电路原理图 (10)3.3.2 静态工作点及回路参数的确定 (11)3.4 电路仿真 (11)3.5 元器件清单 (12)4 制板与调试 (13)4.1 电路调试 (13)4.2 电路制作 (13)结束语 (15)致谢 (16)参考文献 (17)附录 (18)1 课程设计任务书1.1 设计任务设计一个晶体振荡器1.2 主要技术指标晶振频率为10MHZ，输出信号幅度>=0.5V（峰-峰值），可调课程设计要求：要求有课程设计说明书，并制作出实际电路。

实验仪器设备：数字存储示波器 1台无感起子 1把数字万用表 1台12V直流稳压电源 1台1.3设计思想本次设计首先以NPN型晶体管2N2222和10M石英晶体为基础设计出并联型振荡器，通过对各种不同形式的并联型振荡器做出比较之后，综合设计出一个通过开关可实现并联转换的石英晶体正弦波振荡器。

将两部分连接之后根据电路图的基本形式和设计的要求计算出各元件的参数和性能要求。

根据仿真后的电路原理图进行实物的连接和调试，从而完成整个正弦波振荡器的设计。

2 概论2.1设计目的通过设计晶体振荡器，了解石英晶体的结构和特性，提高动手能力，掌握晶体振荡器的设计方法以及设计思路。

2.2振荡的基本知识2.2.1引言石英晶体振荡器是利用石英晶体即二氧化硅的结晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体振荡器，简称为石英晶体或晶体、振荡。

其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

变电场的频率与田英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。

利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC谐振回路、滤波器等。

由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中图1 基本构造与LC振荡器相比，晶体振荡器的标准性较好，谐振回路的Q值较高，有载情况下Q值依然很高。

所以晶体振荡器的频率稳定度高。

所以在需要频率稳定度高的振荡电路时就选用晶体振荡器。

2.2.2振荡产生的原理如果在放大器的输入端不加输入信号，输出端仍有一定的幅值和频率的输出信号，这种现象叫做自激振荡。

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。

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，…。

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2.1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. 1 自激振荡器方框图2.2.3起振和稳幅i.起振过程在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压X ì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X ì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。

ii.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。

2.2.4振荡器的频率稳定度反馈振荡器若满足起振、平衡，稳定三个条件，就能够产生等幅持续的振荡波形。

当受到外界不稳定因素影响时，振荡器的相位或振荡频率可能发生些微变化，虽然能自动回到平衡状态，但振荡频率在平衡点附近随机变化这一现象却是变化的程度，提不可避免的。

为了衡量实际振荡频率f相对于标称振荡频率f出了频率稳定度这一性能指标。

频率稳定度是将振荡器的实测数据代入规定的公式中计算后得到的。

根据测试时间的长短，将频率稳定度分成长期频稳度、短期频稳度和瞬时频稳度三种。

测试时间分别为一天以上、一天以、和一秒以。

时间划分并无严格的界限，它是按照引起频率不稳定的因素来区别的。