高頻晶體正弦波振蕩器課件

1、武漢理工大學(xué)高頻電子線路課程設(shè)計報告書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 電子1001班 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：高頻晶體正弦波振蕩器初始條件：具較扎實的電子電路的理論知識及較強的實踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設(shè)計能力及基本調(diào)試能力；能夠正確使用實驗儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測。要求完成的主要任務(wù)：1. 采用晶體三極管構(gòu)成一個多功能正弦波振蕩器；2. 額定電源電壓12V ，電流13mA; 輸出頻率 10 MHz；3. 通過跳線可構(gòu)成串、并聯(lián)晶體振蕩器；4. 有緩沖級，在100歐姆負(fù)載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P);5.

2、 完成課程設(shè)計報告（應(yīng)包含電路圖，清單、調(diào)試及設(shè)計總結(jié)）。時間安排：12013年12月23日分班集中，布置課程設(shè)計任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實施計劃與課程設(shè)計報告格式的要求；課設(shè)答疑事項。22013年12月24日 至2013年12月26日完成資料查閱、設(shè)計、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計報告撰寫。3. 2013年12月27日提交課程設(shè)計報告，進(jìn)行課程設(shè)計驗收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘 要1緒論21 設(shè)計內(nèi)容及要求32 石英晶體特性簡介32.1 壓電效應(yīng)32.2 等效電路及電抗特性42.3 晶振的優(yōu)缺點53 晶體振蕩器53.1起振和穩(wěn)幅53.2 并聯(lián)

3、型晶體振蕩器53.3 串聯(lián)型晶體振蕩器63.4 輸出緩沖級73.5 晶體正弦波振蕩器原理圖及參數(shù)計算84 電路仿真94.1高頻晶體振蕩器輸出測試94.2實物制作與調(diào)試105 元器件清單116 心得體會12參考文獻(xiàn)13武漢理工大學(xué)高頻電子線路課程設(shè)計說明書摘 要石英晶體正弦波振蕩器簡稱晶振，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，它利用石英晶體的壓電效應(yīng)實現(xiàn)機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，被廣泛應(yīng)用于彩電、計算機、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)

4、生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號。本設(shè)計對利用石英晶體構(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Multisim 軟件設(shè)計、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)行實物的連接、調(diào)試和參數(shù)的計算。關(guān)鍵詞：晶體振蕩器、Multisim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），在它的兩個對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個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

5、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)計通過對并聯(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。1 設(shè)計內(nèi)容及要求1.1設(shè)計目的（1）掌握高頻電子電路的基本設(shè)計能力及基本調(diào)試能力，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計一個通過跳線可實現(xiàn)串并聯(lián)變換的晶體正弦波振蕩器。（2）提高電子電路的理論知識及較強的實踐能力，能夠正確使用實驗儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測。 1.2 設(shè)計任務(wù)及要求根據(jù)已知條件，完成通過基于石英晶體的正弦波振

6、蕩器的設(shè)計、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)成一個多功能正弦波振蕩器；（2）額定電源電壓12V ，電流13mA; 輸出頻率 10 MHz；（3）通過雙變跳線可構(gòu)成克拉勃和西勒的串、并聯(lián)晶體振蕩器；（4）有緩沖級，在100歐姆負(fù)載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P)。2 石英晶體特性簡介2.1 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)，可以將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；反之，也可以將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。所謂壓電效應(yīng)就是在石英晶體打兩個電極上加直流電場，晶體就會產(chǎn)生機械形變。反之，若在晶體的兩側(cè)施加一機械壓力，則會在晶體相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。若是

7、晶體懶得兩級上叫交變激勵電壓，晶體就會產(chǎn)生機械振動，同樣晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。且當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率激勵下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。2.2 等效電路及電抗特性圖2-1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是動態(tài)電感，相當(dāng)于機械振動的慣性，一般以幾十毫亨至幾百亨；Cq是動態(tài)電容，相當(dāng)于晶體的等效彈性模數(shù)，很小，一般以百分之幾皮法計；Rq是動態(tài)電阻。相當(dāng)于晶體的的摩擦損耗，一般以幾至幾百歐計。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諧振頻率,當(dāng)L、C、R支路串聯(lián)諧振時，

8、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，諧振頻率為fp= fs，顯然，fs fp，但由于C fp時，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，是串聯(lián)諧振點，等效阻抗最小；當(dāng)f=fp時，是并聯(lián)諧振點，等效阻抗最大。圖2-2 晶體的電抗特性曲線2.3 晶振的優(yōu)缺點 優(yōu)點：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)百萬數(shù)量級

9、。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，因而對頻率變化具有極靈敏的補償能力。 缺點：石英晶體諧振器的主要缺點時它的單頻性，即每塊晶體只能提供一個穩(wěn)定的振蕩頻率，因而不能直接用于波段振蕩器。3 晶體振蕩器3.1起振和穩(wěn)幅在振蕩開始時，由于激勵信號較弱，輸出電壓的振幅比較小，此后經(jīng)過不斷的放大與反饋循環(huán)，輸出幅度開始逐漸增大，為了維持這一過程，必須滿足AFl的要求。振蕩器接通電源開始起振時，起始信號可能很弱。此時放大器工作在線性放大區(qū)，信號被放大，其振幅逐漸增加，反饋信號的振幅也隨之增加。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

10、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，因而使輸出信號振幅的增大程度變緩。另一方面，能量的損耗也會使輸出信號振幅的增大程度變緩。因為振蕩器所消耗的能量來自電源，故電路中所能取得的能量總是有限的。當(dāng)振蕩器輸出信號的幅度加大時，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限增大。所以振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。3.2 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，作為一個感性元件，并與其他回路元件一起按照三端

11、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。c-b型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖3-1所示，振蕩管的基極對高頻接地，晶體接集電極與基極之間，C2和C3是位于回路的另外兩個電抗元件，振蕩器的回路等效電路如圖3-2所示，它類似于克拉潑振蕩器。圖3-1 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器實際線路 圖3-2 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器等效線路b-e型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖3-3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，滿足電感三點式組成，電路的輸出信號較大。其等效電路如圖3-4所示。圖3-3 b-e型并聯(lián)晶體振蕩器

12、實際電路 圖3-4 b-e型并聯(lián)晶體振蕩器等效電路3.3 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之間，通常接在反饋電路中。圖3-5和圖3-6顯示出了一串聯(lián)型振蕩器的實際路線和等效電路?？梢钥闯觯绻麑⑹⒕w短路，該電路即為電容三點式振蕩器。電路的實際工作原理為：當(dāng)回路的諧振頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率時，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，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3-5 串聯(lián)型晶體振蕩器實際電路 圖3-

13、6 串聯(lián)型晶體振蕩器等效電路3.4 輸出緩沖級常用的輸出緩沖級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，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)載對于振蕩回路的影響，射極跟隨器的典型電路如圖3-7所示。圖3-7 輸出緩沖級電路3.5 晶體正弦波振蕩器原理圖及參數(shù)計算圖 3-8 晶體振蕩器總原理圖從圖3-8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。C1：用于在振蕩器起振時將R2短路從而可以是振蕩器可以正常的振蕩。C2

14、、C3：組成反饋分壓，用于為振蕩器提供反饋信號。ZL1、ZL2：為高頻扼流圈，目的是防止高頻信號流經(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上端打開時，J2斷開時振蕩器為串聯(lián)型晶體振蕩器，此時晶體相當(dāng)于選頻短路線；當(dāng)J1下端打開，J2接通時振蕩器為并聯(lián)型晶體振蕩器，此時晶體相當(dāng)于一等效電感。正確的靜態(tài)工作點是振蕩器能夠正常工作的關(guān)鍵因素，靜態(tài)工作點主要影響晶體管的工作狀態(tài)，若靜態(tài)工作點的設(shè)置不當(dāng)則晶體管無法進(jìn)行正常的放大，振蕩器在沒有對反饋信號進(jìn)行放大時是無法工作的。振蕩器主電路的靜態(tài)工作點主要由R1、R2、R3、R8決定，

15、將電感短路，電容斷路，得到直流通路如圖3-9所示。圖3-9 直流通路等效電路如圖3-9所示，其中V1=5V，要使三極管滿足起振條件，則靜態(tài)時它應(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，基極電流uA級。不妨取R1=R3=5.1K，R2=400，=45則Vb=2.5V，Ie=4.5mA,Ib=100uA,符合射級要求。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。對于振蕩器，當(dāng)該電路接為串聯(lián)型振蕩器時，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 p

16、F，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，晶體起到等效電感的作用，此時工作頻率介于兩諧振頻率之間。同時為了提高振蕩器的帶負(fù)載能力，應(yīng)附加一個緩沖輸出級，本設(shè)計中使用的是一個射級跟隨器，其各參數(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。4 電路仿真4.1高頻晶體振蕩器輸出測試在Multisim軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真，形成串聯(lián)型振蕩器，為了便于觀察振蕩器工作時各部分電路的工作情況，分別在振蕩器輸出

17、端和緩沖級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4-1所示。圖4-1高頻晶體振蕩器輸出波形從圖4-1中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為Vo=1.5V，輸出頻率f=9.98MHZ，可通過可變電容做一定微調(diào)，輸出頻率在8到10MHZ之間，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)計符合設(shè)計要求。4.2實物制作與調(diào)試 圖4-2實物圖調(diào)制波形: 圖4-3高頻晶體振蕩器輸出波形5 元器件清單序號名稱型號數(shù)量備注1電阻5.1K2R1、R22電阻1.2K1R63電阻4001R34電阻3301R55電阻1001R76電位器10K1R87瓷片電容10

18、33C1、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撥碼開關(guān)2J1、J26 心得體會通過這次課程設(shè)計，不僅使我對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解，更鞏固和提高了我的高頻電子電路的基本設(shè)計能力及基本調(diào)試能力，讓我能夠正確使用實驗儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測。這次的課程設(shè)計主要是進(jìn)行高頻晶體正弦波振蕩器設(shè)計仿真與調(diào)試，剛開始的時候，按照老師給的任務(wù)書，查找資料，進(jìn)行設(shè)計，自己動手開始進(jìn)行實物的制作。在調(diào)試過程中遇到不少問題，波形出不來，失真嚴(yán)重等。最終在老師的指導(dǎo)和幫助下我順利完成了本次課設(shè)，得到了一個可微調(diào)的10mhz