晶体振荡器说明书

《通信电子线路》课程设计说明书
晶体振荡器
学院：电气与信息工程学院
学生姓名：易X
指导教师：伍XX职称/学位讲师
专业：通信工程
班级：通信1301班
学号：13304401XX
完成时间：2016年1月
石英晶体振荡器是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，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号，晶体振荡器具有正反压电效应。

当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固有的机械振荡频率。

当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面的电荷量很多，外电路的交流最强，于是产生了谐振。

设计中对利用石英晶体构成的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的原理做了详细的介绍并通过Multisim软件设计，仿真出并联型的石英晶体振荡器，最后按照原理图进行实物的连接、调试和参数的计算。

关键词：石英晶体；振荡器；Multisim仿真
1绪论 (1)
1.1设计目的 (1)
1.2设计任务 (1)
1.3主要技术指标 (1)
2设计思路 (2)
3硬件电路设计 (3)
3.1并联型晶体振荡器的设计 (3)
3.1.1并联型晶体振荡器的设计思想 (3)
3.1.2并联型晶体振荡器的设计 (3)
4电路元件及参数确定 (6)
4.1晶体振荡电路元件及参数的确定 (6)
5电路仿真 (7)
5.1晶体振荡器电路仿真原理图 (7)
5.2仿真结果 (7)
6电路的制作与调试 (9)
6.1晶体振荡器电路的制作 (9)
6.2晶体振荡器电路的调试 (9)
6.2.1调试过程及调试结果 (9)
6.2.2误差分析 (9)
6.3调试中注意事项 (10)
6.3.1测试点选择 (10)
6.3.2调试方法 (10)
结束语 (11)
参考文献 (12)
致谢 (13)
附录 (14)
附录A元件清单 (14)
附录B电路原理图 (15)
附录C电路实物图 (16)
1绪论
1.1设计目的
1.通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《高频电子线路》中所学到的理论知识和实践技能，掌握常用电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力。

2.掌握电子电路分析和设计的基本方法，根据设计任务和指标初选电路，调查研究和设计计算确定电路方案，选择元件，安装电路调试改进，分析实验结果，写出设计总结报告。

3.通过严格的科学训练和设计实践，逐步树立严肃认真，一丝不苟，实事求是的科学作风，能对实验结果独立的进行分析，进而做出恰当的评价。

1.2设计任务
设计一个晶体振荡器。

1.3主要技术指标
已知条件：电源电压V
=
Vcc12
+
主要技术指标：晶振频率10MHz，输出信号幅度≥0.5V（峰-峰值），输出信号电压可调。

2设计思路
石英晶体构成的正弦波振荡器的基本电路有两类，一类是并联型晶体振荡器，石英晶体作为高Q电感元件与回路中的其他元件形成的；另一类是串联型晶体振荡器，石英晶体工作在串联谐振状态，作为高选择性短路元件。

设计中首先以NPN型晶体管9014和标称频率为10MHz的石英晶体为基分别设计不同形式的串并联型振荡器，通过对不同形式的串联型振荡器和并联型振荡器做出比较之后，综合设计出一个并联型的石英晶体正弦波振荡器，根据任务书的基本要求设计电路，然后根据设计图的基本形式和设计的主要技术指标计算出各元器件的参数和性能，用Multisim对设计出的电路图进行调试，从而完成整个晶体振荡器的设计。

3硬件电路设计
振荡器电路属于一种信号发生器类型，即表现为没有外加信号的情况下能自动生成具有一定频率、一定波形、一定振幅的周期性交变振荡信号的电子线路。

振荡器起振时是将电路自身噪声或电源跳变中频谱很广的信号进行放大选频。

此时振荡器的输出幅值是不断增长的，随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区或者截止区，其增益逐渐下降，当放大器的增益下降而导致环路增益下降到1时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡，进入等幅振荡状态。

振荡器进入平衡状态后，直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。

3.1并联型晶体振荡器的设计
3.1.1并联型晶体振荡器的设计思想
1.起振条件：为了确保振荡器能够起振，设计的电路参数必须满足1||0>F A 的条件。

而后，随着振荡幅度的不断增大，0A 就向A 过渡，直到1=AF 时，振荡达到平衡状态。

显然，F A 0越大于1，振荡器越容易起振，并且振荡幅度也较大。

但F A 0过大，放大管进入非线性区的程度就会加深，那么也就会引起放大管输出电流波形的严重失真。

所以当要求输出波形非线性失真很小时，应使F A 0的值稍大于1。

式（1）和（2）分别称为振荡器起振的相位条件和振幅条件：
π
ϕϕn 2=+F A (n=0，1，2，...)（1）10>F A （2）
2.平衡条件：振荡建立起来之后，振荡幅度不会无限制地增长下去，因为随着振荡幅度的增长，放大器的动态范围就会延伸到非线性区，放大器的增益将随之下降，振荡幅度越大，增益下降越多，最后当反馈电压正好等于原输入电压时，振荡幅度不再增大而进入平衡状态。

平衡条件是研究振荡器的理论基础，利用振幅平衡条件可以确定振荡幅度，利用相位平衡条件可以确定振荡频率。

式（3）、
（4）即为相位平衡条件和振幅平衡条件：
π
ϕϕn 2=+F A (n=0，1，2，...)（3）1||0==F A T （4）
3.1.2并联型晶体振荡器的设计
并联型晶体振荡器主要有两大类。

C —B 型（亦称皮尔斯）晶体振荡器和B —E 型（亦称密勒）晶体振荡器。

综合各方面因素，设计中的振荡器采用皮尔斯晶体振荡器。

设计电路的原理电路分别如图1所示。

图1皮尔斯晶体振荡电路
由图1可见，石英晶体与外部电容1C 、3C 、4C 并联谐振回路，它在电路中起电感作用，构成改进型的电容三点式LC 振荡器，电路中1C 可用可调电容代替（实际电路用的是固定电容），用来微调电路的振荡频率，使振荡器振荡在石英晶体的标称频率上，1C 、3C 、4C 串联组成石英晶体的负载电容L C 。

射极跟随器
射极跟随器又叫射极输出器，是一种典型的负反馈放大器。

其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强，在此设计中主要用它连接两电路，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用，避免负载变化对振荡电路的影响。

设计中的射极跟随器电路图如图2所示。

由图2可知，3R 和4R 是偏置电阻，5C 是耦合电容。

信号从基极输入，从发射极输出。

晶体管发射极接的电阻5R ，在电路中具有重要作用，它好像一面镜子，反映了输出、输入的跟随特性。

整合并联型晶体振荡器和射极跟随器，最终电路原理图见附录B 。

图2射极跟随器电路图
4电路元件及参数确定
4.1晶体振荡电路元件及参数的确定
高频振荡器的工作点要合适，若偏低、偏高都会使振荡波形产生严重失真，甚至停振。

实际中取CQ I =0.5~5mA 之间，若取CQ I =2mA ，V 6V CEQ =，则有：Ω=-=-=+k mA V I V V R CQ CEQ
CC c e 32)612(R (5)
为提高电路的稳定性，Re 值可适当增大，取Re=Ωk 1，则Rc=2Ωk ，则有：2v k 1mA 2R I V e CQ EQ =Ω⨯=⨯=(6)
mA mA 033.0602/I I CQ BQ ≈==β若取流过b2R 的电流b2I 为10BQ I ，则b2I =10,BQ I =0.33mA ，则取：
V V V V V R R EQ CC b b b 7.27.027.0R V 2
12BQ =+=+≈⨯+=(7)Ω=Ω≈==k R k mA V I V R b b BQ b 2.28,833.07.2/122(8)
实际电路中，b1R 采用10K 的电阻和50K 的电位器（方便静态工作点的调节），b2R 采用用10K 的电阻。

对于振荡器，当电路接为并联型振荡器时，晶体起到等效电感的作用，输出频率应为10MHZ，则由0f =1/2πLC 知负载电容CL=33.3pF，即C1，C3，
C4串联后的总电容为33.3pF，则取C1=100pF，C3=100pF，C4=100pF。

信号通过C5耦合出来，在经过一个射极跟随器输出，提高带负载能力。

5电路仿真
5.1晶体振荡器电路仿真原理图
按照设计的电路图及设计要求，用Multisim 仿真软件画出的晶体振荡器的仿真图如图3所示。

图3晶体振荡器仿真图
5.2仿真结果
（1）晶体振荡器的输出频率0f 称为主振频率或载波频率。

用数字频率计测量回路的谐振频率0f ，用万用表交流档测量输出信号幅度p p V -，示波器监测振荡波形。

起振波形如图4所示：
图4晶体振荡器起振波形
测得起振波形频率为10.577z MH 和输出幅度为735.74mV(2520
)，如图
5和图6所示：
图5晶体振荡起振波形的频率
图6输出信号幅度
由图4、图5和图6可知，设计结果尽管存在误差，但基本满足技术指标中的要求，主要是软件的缺陷以及晶振用的是10z MH 的。

6电路的制作与调试
6.1晶体振荡器电路的制作
根据计算出的参数，从市场上买回所需的元器件，然后参照电路原理图，焊接在万用板上（因为时间问题以及其他客观原因实物没有用PCB 板制作），焊接好的板子见附录C 。

6.2晶体振荡器电路的调试
6.2.1调试过程及调试结果
用直流稳压电源供+12V 的直流电压，用示波器接晶体振荡器的输出端观察其输出波形、记录其输出电压及频率，并观察输出波形的稳定度。

示波器的输出结果如图7所示。

图7示波器输出波形
从图7可知，晶体振荡器的输出波形稳定，晶振频率9.9989MHZ,和任务书要求很接近，输出电压幅度640mV ，满足输出信号幅度≥0.5V （峰-峰值），可通过电位器1R 和5R 来调节输出电压。

6.2.2误差分析
（1）设计器件，实验材料自身误差，不是十分精确。

（2）在焊接时，不能做到所有器件的线路都很合理，在操作是会有相互影响。

（3）参数设计不合理，使得功能不能更好的体现。

（4）实验用的元器件，如芯片易受温度的影响，实验时间过长，即会产生误差。

（5）仪器的精度不够，无法精确的检验结果。

6.3调试中注意事项
由于晶体振荡器的工作频率较高，晶体管的结电容、引起分布电容及测量仪器对电路的性能影响均不能忽略。

因此，在电路装调及测试时应尽量减少这些分布参数的影响。

6.3.1测试点选择
正确选择测试点，减小仪器对被测电路的影响。

在高频情况下，测量仪器的输入阻抗（包含电阻和电容）及连接电缆的分布参数都有可能影响被测电路的谐振频率及谐振回路的Q值，为尽量减小这种影响，应正确选择测试点，使仪器的输入阻抗远大于电路测试点的输出阻抗。

所有测量仪器如高频电压表、示波器、扫频仪、数字频率计等的地线及输入电缆的地线都要与被测电路的地线连接好，接线应尽量短。

6.3.2调试方法
一般高频电路的实验板应为印刷电路板，以保证元器件可靠焊接及连接导线固定，使电路的分布参数基本固定。

高频电路的调试方法与低频电路的调试基本相同，也是先调整静态工作点，然后观测动态波形并测量电路的性能参数。

所不同的是按照理论公式计算的电路参数与实际参数可能相差较大，电路的调试要复杂一些。

结束语
为期两周的课程设计让我在挥洒汗水的同时学到了很多的知识，痛并快乐着。

接到任务书之后，我将课本石英晶体振荡器这一小节看了好几遍，大概知道了晶体振荡器的基本概念和原理，然后针对课程设计任务书上的要求认真思考，从图书馆借了与晶体振荡器有关的参考书，也从网上下载了一些别人的设计方案，最后综合课本、参考书及网上资料进行原理设计。

最开始设计时，我直接采用书上的皮尔斯晶体振荡器的电路图，通过振荡器的起振条件和平衡条件，计算出各元器件的参数以及性能，然后在Multisim上进行仿真并调试发现基本满足技术指标中的要求，但是输出波形极其不稳定，而且输出电阻带负载能力很弱。

通过查阅参考书和阅读网上资料，我发现射极跟随器，带负载能力强，输入电压幅度与输出电压幅度近似相等，而且相位也相同，所以我在皮尔斯振荡器后加了射极跟随器，通过任务书要求很振荡器起振的原理，最终设计出了性能优良的晶体振荡器
这次让我认识到团队合作的重要性，许多东西，一个人能想到的往往有限，大家在一起则可以集思广益，发现许多新问题想出许多新解决方法。

同时也让我意识到自己的不足，这次课程设计时间虽然不长，但是让我学到了很多东西，因为这两周每天几乎就是查资料、看资料。

尽管累，但我觉得很快乐，因为过得很充实。

参考文献
[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社,2006.
[2]张肃文，陆兆熊.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，1992.
[3]路勇.电子电路实验及仿真[M].北京：清华大学出版社，2004.
[4]胡燕如.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，1993.
[5]顾宝良.通信电子线路[M].第二版.北京：电子工业出版社，2007.
[6]高吉祥.通信电子线路[M].北京：电子工业出版社，2003.
首先感谢伍麟君老师在设计中给予的指导，在整个设计过程中，不管是遇到基础知识上的问题还是技术上的问题，老师都细心给我们指导，让我们顺利的完成课程设计。

其次，是感谢我的同学和队友，如果没有他们的对我的帮助和共同努力，我想我是做不出来的。

通过这次课程设计让我明白了理论与实际操作的差距，理论学得好并不意味着你能灵活应用你所学，关键要在实践中去检验，这样才能更好的消化吸收所学。

同时，我要感谢我们学院和我们授课的各位老师，正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。

我也要感谢我的母校湖南工学院，是她提供了良好的学习环境和生活环境，让我的大学生活丰富多姿，为我的人生留下精彩的一笔。

最后感谢我的家人，你们的支持和关心是我学习的动力。

附录A元件清单
名称型号数量
三极管90142
晶振10MHz1
电容100P4
电容500P1
电容0.1μF2
电阻10K2
电阻1K1
电阻2K1
电阻50K1
电阻20K1
电位器50K1
电位器1K1。