石英晶體振蕩器電路設(shè)計(jì)

1、本科生課程設(shè)計(jì) （論文）遼寧工業(yè)大學(xué)高頻電子線路課程設(shè)計(jì)（論文）題目：石英晶體振蕩器電路設(shè)計(jì)院（系）：電子與信息工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：起止時(shí)間： 2014.6.16-2014.6.27I本科生課程設(shè)計(jì) （論文）課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電子與信息工程學(xué)院教研室：電子信息工程學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)課程設(shè)計(jì)（論文）石英晶體振蕩器電路設(shè)計(jì)題目要求：1設(shè)計(jì)一個(gè)石英晶體振蕩器2能夠觀察輸入輸出波形。3觀察振蕩頻率。參數(shù)：振蕩頻率 10000HZ 左右。設(shè)計(jì)要求：課程1 .分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)設(shè)計(jì)境等，廣開(kāi)思路，構(gòu)思出各種總體

2、方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。（ 2 .確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、論文成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來(lái)源，敲定可行方案。）任3 .設(shè)計(jì)各單元電路。 總體方案化整為零， 分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)務(wù)計(jì)。4 .組成系統(tǒng)。 在一定幅面的圖紙上合理布局， 通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說(shuō)明。指導(dǎo)教師平時(shí)成績(jī) (20%)：評(píng)語(yǔ)論文成績(jī) (50%)：及答辯成績(jī) (30%)：成績(jī)總成績(jī)：學(xué)生簽字：年月日注：成績(jī)：平時(shí) 20%論文質(zhì)量 50%答辯 30% 以百分制計(jì)算II本科生課程設(shè)計(jì) （論文）目 錄第 1 章緒論

3、.11.1石英晶體振蕩器 .11.2設(shè)計(jì)要求 .1第 2 章石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)電路 .22.1石英晶體振蕩器總體設(shè)計(jì)方案 .22.2具體電路設(shè)計(jì) .22.2.1串聯(lián)型晶體振蕩器 .22.2.2并聯(lián)型晶體振蕩器 .42.2.3輸出緩沖級(jí)設(shè)計(jì) .52.3元件參數(shù)的計(jì)算 .52.4Multisim 軟件仿真 .62.4.1串聯(lián)型振蕩器輸出測(cè)試 .62.4.2并聯(lián)型振蕩器輸出測(cè)試 .7第 3 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) .9參考文獻(xiàn) .10附錄 總體電路圖 .11附錄 元器件清單 .12III本科生課程設(shè)計(jì)（論文）第1章緒論1.1 石英晶體振蕩器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

4、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(jiǎn)稱為晶片，它可以是正方形、 矩形或圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)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(jiǎn)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、陶瓷或塑料封裝的。變電場(chǎng)的頻率與田英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)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(diǎn)，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中。1.2 設(shè)計(jì)要求1設(shè)計(jì)一個(gè)石英晶體振蕩器2能夠觀察輸

5、入輸出波形。3觀察振蕩頻率。4. 參數(shù)：振蕩頻率10000HZ 左右。1本科生課程設(shè)計(jì) （論文）第 2 章 石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)電路2.1 石英晶體振蕩器總體設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)首先以NPN 型晶體管 2N2222 和 10M 石英晶體為基礎(chǔ)分別設(shè)計(jì)出不同形式的串并聯(lián)型振蕩器， 通過(guò)對(duì)各種不同形式的串聯(lián)型振蕩器和并聯(lián)型振蕩器做出比較之后，綜合設(shè)計(jì)出一個(gè)通過(guò)跳線可實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)轉(zhuǎn)換的石英晶體正弦波振蕩器，然后根據(jù)石英晶體振蕩器的輸出要求設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的緩沖輸出級(jí)，將兩部分連接之后根據(jù)電路圖的基本形式和設(shè)計(jì)的要求計(jì)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(jìn)行實(shí)物的連接和調(diào)試，從而完成整個(gè)正弦波振蕩器的

6、設(shè)計(jì)。2.2 具體電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該晶體振蕩器通過(guò)跳線能夠?qū)崿F(xiàn)串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振晶體振蕩器的轉(zhuǎn)換，通過(guò)比較并聯(lián)諧振晶體振蕩器和串聯(lián)諧振晶體振蕩器的原理可以發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)型晶體振蕩器同c-b 型并聯(lián)晶體振蕩器結(jié)構(gòu)類似，二者同為電容三點(diǎn)式反饋振蕩器。晶體在并聯(lián)和串聯(lián)振蕩器方式下作用不同，在并聯(lián)方式下，要求晶體工作于感性區(qū)，其等效電感與外部電容構(gòu)成振蕩回路，該回路滿足電容三點(diǎn)式條件， 而在串聯(lián)諧振振蕩器中晶體則充當(dāng)選頻短路線作用，因晶體Q 值很高，通頻帶很窄，而頻率選擇性很高，可以從振蕩回路中選出頻率為晶體振蕩頻率的諧波，反饋至振蕩器的輸入， 從而使振蕩器輸出頻率穩(wěn)定的正弦波。若將晶體短路，則電路

7、變成電容三點(diǎn)式振蕩器，并且可以正常起振。2.2.1 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(diǎn)之間，通常接在反饋電路中。圖 2.1 和圖 2.2 顯示出了一串聯(lián)型振蕩器的實(shí)際路線和等效電路?？梢钥闯?，如果將石英晶體短路， 該電路即為電容反饋的振蕩器。電路的實(shí)際工作原理為： 當(dāng)回2本科生課程設(shè)計(jì) （論文）路的諧振頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率時(shí)，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， 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(shí)，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 2.1串聯(lián)型晶體振蕩器實(shí)際電路圖 2

8、.2串聯(lián)型晶體振蕩器等效電路串聯(lián)型晶體振蕩器只能適應(yīng)高次泛音工作，這是由于晶體只起到控制頻率的作用，對(duì)回路沒(méi)有影響，只要電路能正常工作，輸出幅度就不受晶體控制。3本科生課程設(shè)計(jì) （論文）2.2.2 并聯(lián)型晶體振蕩器c-b 型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖2.3 所示，振蕩管的基極對(duì)高頻接地，晶體接集電極與基極之間， C2 和 C3 位于回路的另外兩個(gè)電抗元件，振蕩器的回路等效電路如圖 2.4 所示，它類似于克拉潑振蕩器，由于Cq 非常小，因此，晶體振蕩器的諧振回路與振蕩管之間的耦合電容非常弱，從而使頻率穩(wěn)定度大大提高。 由于晶體的品質(zhì)因數(shù)很高，故其并聯(lián)諧振阻抗也很高，雖然接入系數(shù)很小，但等效到晶

9、體管CE兩端的阻抗仍很高，因此放大器的增益高，電路容易滿足振幅齊起振條件。圖 2.3 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器實(shí)際線路圖 2.4 c-b型并聯(lián)晶體振蕩器等效線路4本科生課程設(shè)計(jì) （論文）2.2.3 輸出緩沖級(jí)設(shè)計(jì)常用的輸出緩沖級(jí)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(diǎn)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(qiáng)，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(duì)于振蕩回路的影響，射極跟隨器的典型電路如圖2.5 所示。圖 2.5輸出緩沖級(jí)電路輸出緩沖級(jí)主要完成對(duì)所產(chǎn)生的振蕩信號(hào)進(jìn)行輸出，不管是并聯(lián)諧振正弦波晶體電路還是

10、串聯(lián)諧振晶體電路，它們的帶負(fù)載都不是很強(qiáng)， 負(fù)載值改變時(shí)可能造成振蕩器的輸出頻率變化， 也可能影響振蕩器的輸出幅度，輸出緩沖級(jí)的作用就是提高整個(gè)振蕩器的帶負(fù)載能力，即使振蕩器的輸出特性不受負(fù)載影響，或影響較小。2.3 元件參數(shù)的計(jì)算正確的靜態(tài)工作點(diǎn)是振蕩器能夠正常工作的關(guān)鍵因素，靜態(tài)工作點(diǎn)主要影響晶體管的工作狀態(tài)， 若靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置不當(dāng)則晶體管無(wú)法進(jìn)行正常的放大，振蕩器在沒(méi)有對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)是無(wú)法工作的。振蕩器主電路的靜態(tài)工作點(diǎn)主要由R1、R2、R3、 R8 決定，將電感短路，電容斷路，得到直流通路如圖2.6 所示。5本科生課程設(shè)計(jì) （論文）圖 2.6直流通路等效電路如圖 2.6 所示，

11、其中 V1=5V ，要使三極管滿足起振條件， 則靜態(tài)時(shí)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(jí)，基極電流 uA 級(jí)。不妨取 R1=R3=5.1K，R2=400， =45 則 Vb=2.5V ，Ie=4.5mA,I b=100uA,符合射級(jí)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(duì)于振蕩器，當(dāng)該電路接為串聯(lián)型振蕩器時(shí)， 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 LC 回路總電容 C=253.3pF，即 C2， C3 串聯(lián)后的總電容為 253.3 pF，則取 C2=3

12、00pF，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(shí)， 晶體起到等效電感的作用， 此時(shí)工作頻率介于兩諧振頻率之間。同時(shí)為了提高振蕩器的帶負(fù)載能力，應(yīng)附加一個(gè)緩沖輸出級(jí)，本設(shè)計(jì)中使用的是一個(gè)射級(jí)跟隨器。 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=330mF。2.4Multisim 軟件仿真2.4.1 串聯(lián)型振蕩器輸出測(cè)試在 Multisim 軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真， 此時(shí)開(kāi)關(guān) J1 上端接通，下斷開(kāi)， J2 全部斷開(kāi)，6本科生課程設(shè)計(jì) （

13、論文）形成串聯(lián)型振蕩器， 為了便于觀察振蕩器工作時(shí)各部分電路的工作情況， 分別在振蕩器輸出端和緩沖級(jí)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 2.7 所示。圖 2.7串聯(lián)型振蕩器輸出波形從圖2.7 中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為Vo=1.535V ，輸出頻率f=9.85MHZ ，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(jì)符合設(shè)計(jì)要求。2.4.2 并聯(lián)型振蕩器輸出測(cè)試在 Multisim 軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真，此時(shí)開(kāi)關(guān)J1 上端斷開(kāi)，下端接通， J2 接通，形成并聯(lián)聯(lián)型振蕩器， 為了便于觀察振蕩器工作時(shí)各部分電路的工作情況，分別在

14、振蕩器輸出端和緩沖級(jí)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2.8 所示。7本科生課程設(shè)計(jì) （論文）圖 2.8并聯(lián)型振蕩器輸出波形從圖2.8 中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為Vo=1.554V ，輸出頻率f=10.08MHZ ，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(jì)符合設(shè)計(jì)要求。8本科生課程設(shè)計(jì) （論文）第 3 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)本次課設(shè)是完成一個(gè)高頻晶體正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)，首先在 Multisim 軟件環(huán)境下進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)、 繪制和仿真， 然后對(duì)電路中的各個(gè)部分進(jìn)行調(diào)整修改， 按照設(shè)計(jì)的電路原理圖完成實(shí)物的連接， 連接后

15、在實(shí)驗(yàn)室不斷地調(diào)試、 修改，最后得到設(shè)計(jì)要求的輸出波形。 此次高頻課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的總體電路的設(shè)計(jì)的要求更嚴(yán)格， 需要通過(guò)翻閱復(fù)習(xí)以前學(xué)過(guò)的知識(shí)確立了實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)方案， 然后逐步細(xì)化進(jìn)行各模塊的設(shè)計(jì)；其次，在電路仿真的過(guò)程中總會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，需要我們細(xì)心解決，所以這周下來(lái)，我對(duì)電路故障的排查能力有了很大的提高；再次，通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)設(shè)計(jì)所用到的軟件有了更加深刻地了解， 這對(duì)我們以后的工作和學(xué)習(xí)的幫助都很有用處。當(dāng)然，經(jīng)過(guò)了課程設(shè)計(jì)， 我也發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足。 但是通過(guò)自己的動(dòng)手動(dòng)腦，既增加了知識(shí)， 又給了我專業(yè)知識(shí)以及專業(yè)技能上的提升， 我也會(huì)更加努力， 認(rèn)真學(xué)習(xí)，爭(zhēng)取在以后的課程中做得

16、更好！在這次課設(shè)中， 我首先要感謝學(xué)校給我們提供的機(jī)會(huì)， 其次我要感謝我的老師在課程設(shè)計(jì)上給予我的指導(dǎo)、 提供給我的支持和幫助， 這是我能順利完成這次報(bào)告的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術(shù)上的難題， 讓我能把設(shè)計(jì)做得更加完善。在此期間，我不僅學(xué)到了許多新的知識(shí)， 而且也開(kāi)闊了視野， 提高了自己的設(shè)計(jì)能力。最后，我要感謝幫助過(guò)我的同學(xué)， 他們也為我解決了不少我不太明白的設(shè)計(jì)上的難題。同時(shí)也感謝學(xué)院為我提供良好的做課程設(shè)計(jì)的環(huán)境。 最后再一次感謝所有在設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過(guò)我的良師益友和同學(xué)。9本科生課程設(shè)計(jì) （論文）參考文獻(xiàn)1 曾興雯、劉乃安、陳建高頻電路原理與分析西安：線電子科技大學(xué)出版社，2007.9 2 劉泉通信電子線路北京：高等教育出版社， 2005.5 3 林嘉瑞高頻電路原理北京：電子工業(yè)出版社 ,2003.1 4 高吉祥高頻電子線路北京：電子工業(yè)出