方波、正弦波 振蕩器

1、編號： 課程設(shè)計說明書題 目： 10MHZ正弦波/方波振蕩器 院 （系）： 信息與通信學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程 學(xué)生姓名： 施宇恒 學(xué) 號： 1100210624 指導(dǎo)教師： 劉爭紅 2014 年 12 月 11 日摘 要 石英晶體振蕩器，石英諧振器簡稱為晶振，它是利用具有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產(chǎn)生機械振動，當交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(線圈和電容)諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點，被應(yīng)用于家用電器

2、和通信設(shè)備中。石英諧振器因具有極高的頻率穩(wěn)定性，故主要用在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件。本設(shè)計對利用石英晶體構(gòu)成正弦波的振蕩器和方波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的介紹并通過Multisim 軟件設(shè)計、仿真出并聯(lián)的石英晶體振蕩器，最后按照原理圖進行調(diào)試和參數(shù)的計算。關(guān)鍵詞：石英； 晶振； 壓電效應(yīng)； 頻率穩(wěn)定性； Multisim 仿真ABSTRACTQuartz crystal oscillator, quartz resonator crystals for short, it is to use with piezoelectric e

3、ffect of quartz crystal.This kind of quartz crystal wafer is plus alternating electric field will produce the effect of mechanical vibration, when the frequency of the alternating electric field and the natural frequency of the quartz crystal phase at the same time, the vibration will become very st

4、rong, this is crystal resonant characteristics of the reaction.Using this feature, you can use quartz resonator instead of LC (coil and capacitance) resonant circuit, filter, etc.Because of the quartz resonator has small volume, light weight, high reliability, high frequency stability, is applied to

5、 household appliances and communications equipment.Quartz resonator due to the high frequency stability, and is mainly used for frequency is very stable in the oscillation circuit for harmonic components.This design for the method of using quartz crystal constitute a sine wave oscillator done deeper

6、 research, on the principle of oscillator and principle of quartz crystal oscillator is introduced in detail and by Multisim 10 software design, simulation parallel quartz crystal oscillator, finally according to the principle diagram for debugging and parameter calculationKeywords: quartz; quartz c

7、rystal; piezoelectric effect; frequency stability 目 錄引言.11 課程設(shè)計任務(wù)書11.1 設(shè)計任務(wù)11.2 主要技術(shù)指標11.3 設(shè)計思想12 概論22.1 設(shè)計目的22.2 振蕩的基本知識22.2.1引言22.2.2振蕩產(chǎn)生的原理32.2.3起振和穩(wěn)幅42.2.4振蕩器的頻率穩(wěn)定度43 晶體振蕩器的設(shè)計與仿真53.1 石英晶體特性簡介53.2 晶體振蕩器電路的類型及其工作原理53.2.1串聯(lián)型諧振晶體振蕩器53.2.2 并聯(lián)諧振型晶體振蕩器63.2.3泛音晶體振蕩器83.3 晶體正弦波振蕩器原理圖及參數(shù)計算93.3.1 電路原理圖93.3.

8、2 靜態(tài)工作點及回路參數(shù)的確定103.4 電路仿真113.5 元器件清單114 制板與調(diào)試124.1 電路調(diào)試124.2 電路制作125 結(jié)束語12謝辭14參考文獻15引言振蕩器簡單地說就是一個頻率源，一般用在鎖相環(huán)中。詳細說就是一個不需要外信號激勵、自身就可以將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能的裝置。一般分為正反饋和負阻型兩種。所謂“振蕩”，其涵義就暗指交流，振蕩器包含了一個從不振蕩到振蕩的過程和功能。能夠完成從直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)化，這樣的裝置就可以稱為“振蕩器”。振蕩器的作用是將直流電變交流電.它有很多用途.在無線電廣播和通信設(shè)備中產(chǎn)生電磁波.在微機中產(chǎn)生時鐘信號.在穩(wěn)壓電路中產(chǎn)生高頻交流電。1

9、 課程設(shè)計任務(wù)書1.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個晶體振蕩器（正弦波/方波）1.2 主要技術(shù)指標晶振頻率為10MHZ，輸出信號幅度>=0.5V（峰-峰值），可調(diào)課程設(shè)計要求：要求有課程設(shè)計說明書，并制作出實際電路。實驗儀器設(shè)備：數(shù)字存儲示波器 1臺無感起子 1把數(shù)字萬用表 1臺直流穩(wěn)壓電源 1臺1.3設(shè)計思想本次設(shè)計首先以NPN型晶體管2N2222A和10M石英晶體為基礎(chǔ)設(shè)計出并聯(lián)型振蕩器，通過對各種不同形式的并聯(lián)型振蕩器做出比較之后，綜合設(shè)計出一個通過開關(guān)可實現(xiàn)并聯(lián)轉(zhuǎn)換的石英晶體正弦波振蕩器。將兩部分連接之后根據(jù)電路圖的基本形式和設(shè)計的要求計算出各元件的參數(shù)和性能要求。根據(jù)仿真后的電路原理圖進行

10、實物的連接和調(diào)試，從而完成整個正弦波振蕩器的設(shè)計。方波方面采用對稱多諧振蕩器完成。2 概論2.1 設(shè)計目的 通過設(shè)計晶體振蕩器，了解石英晶體的結(jié)構(gòu)和特性，提高動手能力，掌握晶體振蕩器的設(shè)計方法以及設(shè)計思路。2.2 振蕩的基本知識2.2.1簡介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)成了石英晶體振蕩器，簡稱為石英晶體或晶體、振蕩。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、

11、陶瓷或塑料封裝的。變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中圖2.1 晶振的基本構(gòu)造 與LC振蕩器相比，晶體振蕩器的標準性較好，諧振回路的Q值較高，有載情況下Q值依然很高。所以晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度高。所以在需要頻率穩(wěn)定度高的振蕩電路時就選用晶體振蕩器。2.2.2振蕩產(chǎn)生的原理如果在放大器的輸入端不加輸入信號，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號，這種現(xiàn)象叫做自激振蕩。自激振蕩器產(chǎn)生的波形可能是正弦波，

12、也可能是非正弦波。其中正弦波自激振蕩器在廣播通訊、自動控制、儀器儀表、高頻加熱、超聲探傷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；而非正弦振蕩器能產(chǎn)生出矩形波（方波）、三角波、鋸齒波等信號，這些信號可以用于測量設(shè)備、數(shù)字系統(tǒng)、自動控制及計算機設(shè)備中。在振蕩器中要維持等幅的自激振蕩，基本放大器輸入端的反饋信號必須和原輸人信號幅度相等，同時相位也應(yīng)相同。AF=1就是產(chǎn)生自激振蕩時A、F應(yīng)滿足的基本數(shù)學(xué)條件。其中A和F是頻率的函數(shù)，一般也可以表示為復(fù)數(shù)形式。復(fù)數(shù)乘積AF=1的涵義就是振蕩器電路的環(huán)路放大倍數(shù)等于l , 同時復(fù)數(shù)的相位值等于2N，其中N=0,士1, 士2，?？傊?，產(chǎn)生自激振蕩既要滿足幅度條件，也要滿足相位

13、條件。假若AF<1,則XfXi，則振蕩幅度越來越小，最終將導(dǎo)致振蕩電路停振。這也從反面說明了，只有AF1，電路才能維持振蕩。根據(jù)振蕩條件，信號由圖2.1中的輸人端開始，沿環(huán)路繞行一周，必須保證其振幅與相位不變。一個振蕩器必須同時滿足這兩個條件，才有可能產(chǎn)生自激振蕩。圖2.2 自激振蕩器方框圖2.2.3起振和穩(wěn)幅1） 起振過程在自激振蕩器中，起始瞬間的輸入電壓Xi的產(chǎn)生原因有兩種：一是在電路接通電源時取得。因為接通電源時，電路各處都存在瞬變過程，在輸人端的瞬變電壓即可作為起始輸人電壓；二是放大器中存在各種微小的電擾動和噪聲電壓。這兩種原因所取得的起始電壓包含著極為豐富的各種頻率分量）它們中

14、總會有符合相位條件的某個頻率成分，最終成為自激信號的最初來源。至于振幅條件更容易滿足，由于開環(huán)放大倍數(shù)A是無窮大，很容易滿足起振條件AFl的要求。為了保證電路在指定的頻率上振蕩起來，常常為這種自激振蕩器安排一個諧振在指定頻率上的選頻回路，使電路更容易在指定的頻率上滿足產(chǎn)生自激振蕩的條件。放大器獲得起始瞬時榆入電壓了Xi后，接著產(chǎn)生輸出信號電壓和正反饋電壓，并且經(jīng)過放大器的選頻后，指定頻率的輸出電壓幅度增大了，反饋電壓的幅度也增大，經(jīng)過電路的正反饋、放大、再反潰、再放大的循環(huán)過程，使振蕩電壓由小到大逐漸建立起來。2） 振幅的穩(wěn)定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

15、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。2.2.4振蕩器的頻率

16、穩(wěn)定度反饋振蕩器若滿足起振、平衡，穩(wěn)定三個條件，就能夠產(chǎn)生等幅持續(xù)的振蕩波形。當受到外界不穩(wěn)定因素影響時，振蕩器的相位或振蕩頻率可能發(fā)生些微變化，雖然能自動回到平衡狀態(tài)，但振蕩頻率在平衡點附近隨機變化這一現(xiàn)象卻是不可避免的。為了衡量實際振蕩頻率f相對于標稱振蕩頻率f0變化的程度，提出了頻率穩(wěn)定度這一性能指標。頻率穩(wěn)定度是將振蕩器的實測數(shù)據(jù)代入規(guī)定的公式中計算后得到的。根據(jù)測試時間的長短，將頻率穩(wěn)定度分成長期頻穩(wěn)度、短期頻穩(wěn)度和瞬時頻穩(wěn)度三種。測試時間分別為一天以上、一天以內(nèi)、和一秒以內(nèi)。時間劃分并無嚴格的界限，它是按照引起頻率不穩(wěn)定的因素來區(qū)別的。長期頻穩(wěn)度主要取決于元器件的老化特性，短期頻穩(wěn)

17、度主要取決于電源電壓和環(huán)境溫度的變化以及電路參數(shù)的變化等等，而瞬時頻穩(wěn)度則與元器件的內(nèi)部噪聲有關(guān)。3 晶體振蕩器的設(shè)計與仿真3.1 石英晶體特性簡介 晶體的基本特性是它壓電效應(yīng)。依靠這種效應(yīng)，可以將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽环粗?，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)施加以機械壓力，則會在晶體相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為為壓電效應(yīng)。若是在晶體的兩級上加上交變激勵電壓，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。且當外加交變電壓的頻率為一特定值時，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

18、諧振。3.2 晶體振蕩器電路的類型及其工作原理3.2.1串聯(lián)型諧振晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器是將石英晶體用于正反饋支路中，利用其串聯(lián)諧振時等效為短路元件的特性，電路反饋作用最強，滿足振幅起振條件，使振蕩器在晶體串聯(lián)諧振頻率fs上起振。圖3.2.1是 一種串聯(lián)型單管晶體振蕩器電路，圖3.2.2是其高頻等效電路。這種振蕩器與三點式振蕩器基本類似，只不過在正反饋支路上增加了一個晶體。、和組成并聯(lián)諧振回路而且調(diào)諧在振蕩頻率上。圖3.2.1 串聯(lián)諧振型晶體振蕩器圖3.2.2 串聯(lián)晶體振蕩器交流等效電路3.2.2 并聯(lián)諧振型晶體振蕩器圖3.2.3 并聯(lián)諧振型晶體 cb型振蕩器電路（皮爾斯電路）圖3.2.4

19、 并聯(lián)諧振型晶體振蕩器高頻回路等效電路1） 振蕩回路與晶體管、負載之間的耦合很弱。晶體管、端,、端和、端的接入系數(shù)是： （3.2.1） （3.2.2）以上三個接入系數(shù)一般均小于，所以外電路中的不穩(wěn)定參數(shù)對振蕩回路影響很小，提高了回路的標準性。2） 振蕩頻率幾乎由石英晶體的參數(shù)決定，而石英晶體本身的參數(shù)具有高度的穩(wěn)定性。其中是和晶體兩端并聯(lián)的外電路各電容的等效值，即根據(jù)產(chǎn)品要求的負載電容。在實用時，一般需加入微調(diào)電容，用以微調(diào)回路的諧振頻率，保證電路工作在晶體外殼上所注明的標稱頻率fn上。3） 由于振蕩頻率一般調(diào)諧在標稱頻率上，位于晶體的感性區(qū)內(nèi)，電抗曲線陡峭，穩(wěn)頻性能極好。4） 石英晶體的Q值

20、和特性阻抗都很高，所以晶體的諧振電阻也很高，一般可達以上。這樣即使外電路接入系數(shù)很小，此諧振電阻等效到晶體管輸出端的阻抗仍很大，使晶體管的電壓增益能滿足振幅起振條件的要求。3.2.3泛音晶體振蕩器在工作頻率較高的晶體振蕩器中，多采用泛音晶體振蕩電路。泛音晶振電路與基頻晶振電路有些不同。在泛音晶振電路中，為了保證振蕩器能準確地振蕩在所需要的奇次泛音上，不但必須有效地抑制掉基頻和低次泛音上的寄生振蕩而且必須正確地調(diào)節(jié)電路的環(huán)路增益，使其在工作泛音頻率上略大于1，滿足起振條件，而在更高的泛音頻率上都小于1，不滿足起振條件。在實際應(yīng)用時，可在三點式振蕩電路中，用一選頻回路來代替某一支路上的電抗元件，使

21、這一支路在基頻和低次泛音上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)不滿足三點式振蕩器的組成法則，不能起振；而在所需要的泛音頻率上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)恰好滿足組成法則，達到起振。圖3.2.5給出了一種并聯(lián)泛音晶體振蕩電路。假設(shè)泛音晶振為五次泛音，標稱頻率為5MHz，基頻為1MHz，則LC1回路必須調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間。這樣在5MHz頻率上，LC1回路呈容性，振蕩電路滿足組成法則。對于基頻和三次泛音頻率來說，LC1回路呈感性，電路不符合組成法則，不能起振。而在七次及其以上泛音頻率，LC1回路呈現(xiàn)容性，但等效容抗減小，從而使電路的電壓放大倍數(shù)減小，環(huán)路增益小于1，不滿足振幅起振條件。圖3.2.5 泛音晶體振蕩器電路3.3

22、晶體正弦波振蕩器原理圖及參數(shù)計算3.3.1電路原理圖 圖3.3.1 10M正弦/方波振蕩器原理圖3.3.2靜態(tài)工作點及回路參數(shù)的確定 高頻振蕩器的工作點要合適，若偏低、偏高都會使振蕩波形產(chǎn)生嚴重失真，甚至停振。實際中取=0.55mA之間，若取=2mA，則有： （3.3.1）為提高電路的穩(wěn)定性，Re值可適當增大，取Re=1，則Rc=2，則有： （3.3.2）若取流過的電流為10，則=10，=0.33mA，則?。?(3.3.3)(3.3.4)實際電路中，可用30k的電阻，用10K的電阻。對于振蕩器，當電路接為并聯(lián)型振蕩器時，晶體起到等效電感的作用，輸出頻率應(yīng)為10MHZ，則由f0=1/2知負載電容

23、CL=33.3pF，即C1，C3，C4串聯(lián)后的總電容為33.3 pF，則取C1=100pF，C3=100pF，C4=100pF。信號通過C5耦合出來，在經(jīng)過一個可調(diào)晶體管放大器輸出，提高帶負載能力。3.4 電路仿真 在multisim軟件環(huán)境下進行仿真，按照原理圖，一一找好元器件，將線練好。擺放整齊。其仿真圖如下：圖3.3.2multisim仿真原理圖3.5 元器件清單 電阻2k1個 電阻 30K 1個 電阻 20k 1個 電阻 1k 1個 電容 100pF 4個 電容 1000pF 1個 電容 0.1uF 1個 電容 560pF 1個 三極管 2N2222A 2個 晶振 10MHZ 1個 電

24、阻 10K 1個 電阻 50K 1個 可變電阻 1k 1個 插針 3個 4 制板與調(diào)試4.1 電路調(diào)試在Multisim軟件環(huán)境下進行仿真，此時開關(guān)S1的1接通，S2的1接通，形成并聯(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，在振蕩器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，仿真波形如圖所示。 圖3.3.3仿真波形圖 從圖中可以看出，輸出波形為正弦波，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 電路制作 實物買回來后，出于想提高自己能力，沒有選擇萬能版，于是按照電路圖按部就班的畫好PCB板圖，然后打印，打孔及腐蝕，

25、再一一把元器件焊上，檢查電路。實踐再一次考驗我們的焊接技術(shù)。經(jīng)過半通宵作業(yè)我們終于完成了我們的實物制作。在制作過程中我們需要對電路原理圖了然于心，這樣可以提高我們的效率、熟練程度。 5 結(jié)束語 經(jīng)過這次課程設(shè)計，我發(fā)現(xiàn)了自己能力的不足和知識上的欠缺，同時也學(xué)到了很多東西。接到振蕩器的課程設(shè)計任務(wù)后，我首先將課本上關(guān)于晶體振蕩器及其相關(guān)內(nèi)容仔細看了好幾遍，然后針對課程設(shè)計任務(wù)書上的要求認真思考，從圖書館借了與晶體振蕩器有關(guān)的參考書，也從網(wǎng)上下載了一些別人的設(shè)計方案，最后綜合課本、參考書及網(wǎng)上資料進行原理設(shè)計。在設(shè)計原理圖時我曾一度迷茫感覺無從下手，感覺書上的圖過于簡單設(shè)計出來的線路不夠穩(wěn)定，而從

26、別處看到的又過于復(fù)雜分析不明白，最后通過與其他同學(xué)共同討論終于弄懂了許多東西。通過查閱參考書和閱讀網(wǎng)上資料，我學(xué)到了很多關(guān)于晶體振蕩器的新知識，而這些都是課本上沒有講到的，這些都使我對晶體振蕩器有了更深入的理解。這次課程設(shè)計，首先使我深刻體會到了自學(xué)的重要性，僅僅靠課本和老師上課是講的東西，很多問題是不能解決的，重要的是學(xué)會自學(xué)，對問題深入思考并通過各種途徑解決，才能得到最大的收獲。其次，我也更加認識到團隊合作的重要性，許多東西，一個人能想到的往往有限，大家在一起則可以集思廣益，發(fā)現(xiàn)許多新問題想出許多新解決方法。而且，由于同學(xué)之間對所學(xué)東西理解的相似性，彼此討論問題往往更容易理解 。再次，在確定器件參數(shù)時，看到了許多其他器件的性能參數(shù)，不僅拓寬了我的知識面，而且培養(yǎng)了科學(xué)嚴謹?shù)那髮W(xué)態(tài)度。最后，通過比較自己的設(shè)計方案與參考書上的設(shè)計方案，意識到自己知識的欠缺，同時體會到了老師們