方波、正弦波 振荡器

1、 编号： 课程设计说明书题 目： 10MHZ正弦波/方波振荡器 院 （系）： 信息与通信学院 专 业： 通信工程 学生姓名： 施宇恒 学 号： 1100210624 指导教师： 刘争红 2014 年 12 月 11 日摘 要 石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石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(线圈和电容)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

2、器和通信设备中。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。本设计对利用石英晶体构成正弦波的振荡器和方波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、仿真出并联的石英晶体振荡器，最后按照原理图进行调试和参数的计算。关键词：石英； 晶振； 压电效应； 频率稳定性； Multisim 仿真ABSTRACTQuartz crystal oscillator, quartz resonator crystals for short, it is to use with piezoelectric

3、effect 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 s

4、trong, 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 t

5、o 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 deepe

6、r 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

7、crystal; piezoelectric effect; frequency stability 目 录引言.11 课程设计任务书11.1 设计任务11.2 主要技术指标11.3 设计思想12 概论22.1 设计目的22.2 振荡的基本知识22.2.1引言22.2.2振荡产生的原理32.2.3起振和稳幅42.2.4振荡器的频率稳定度43 晶体振荡器的设计与仿真53.1 石英晶体特性简介53.2 晶体振荡器电路的类型及其工作原理53.2.1串联型谐振晶体振荡器53.2.2 并联谐振型晶体振荡器63.2.3泛音晶体振荡器83.3 晶体正弦波振荡器原理图及参数计算93.3.1 电路原理图93.3

8、.2 静态工作点及回路参数的确定103.4 电路仿真113.5 元器件清单114 制板与调试124.1 电路调试124.2 电路制作125 结束语12谢辞14参考文献15第 18 页 共 15页桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 引言振荡器简单地说就是一个频率源，一般用在锁相环中。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。所谓“振荡”，其涵义就暗指交流，振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。能够完成从直流电能到交流电能的转化，这样的装置就可以称为“振荡器”。振荡器的作用是将直流电变交流电.它有很多用途.在无线电广播和通信设

9、备中产生电磁波.在微机中产生时钟信号.在稳压电路中产生高频交流电。1 课程设计任务书1.1 设计任务设计一个晶体振荡器（正弦波/方波）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2N2222A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

10、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。方波方面采用对称多谐振荡器完成。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简介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，

11、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2.1 晶振的基本构造 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

12、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2N，其中N=

13、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XfXi，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AF1，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2.2 自激振荡器方框图2.2.3起振和稳幅1） 起振过程在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压Xi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

14、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AFl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Xi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。2） 振幅的稳定

15、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，晶体三极管工作范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

16、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f0变化的程度，提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、一天以内、和一秒以内。时间划分并无严格的界限，它是按照引起频率

17、不稳定的因素来区别的。长期频稳度主要取决于元器件的老化特性，短期频稳度主要取决于电源电压和环境温度的变化以及电路参数的变化等等，而瞬时频稳度则与元器件的内部噪声有关。3 晶体振荡器的设计与仿真3.1 石英晶体特性简介 晶体的基本特性是它压电效应。依靠这种效应，可以将机械能转变为电能；反之，也可以将电能转变为机械能。所谓压电效应就是在石英晶体两个电极上加直流电场，晶体就会产生机械形变，反之，若在晶体的两侧施加以机械压力，则会在晶体相应的方向上产生电场，这种现象称为为压电效应。若是在晶体的两级上加上交变激励电压，晶体就会产生机械振动，同样晶片的机械振动又会产生交变电场。且当外加交变电压的频率为一特

18、定值时，振幅明显加大，比其他频率激励下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振。3.2 晶体振荡器电路的类型及其工作原理3.2.1串联型谐振晶体振荡器串联型晶体振荡器是将石英晶体用于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件的特性，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶体串联谐振频率fs上起振。图3.2.1是 一种串联型单管晶体振荡器电路，图3.2.2是其高频等效电路。这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶体。、和组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。图3.2.1 串联谐振型晶体振荡器图3.2.2 串联晶体振荡器交流等效电路3.2.2 并联谐振型晶体振荡器图3

19、.2.3 并联谐振型晶体 cb型振荡器电路（皮尔斯电路）图3.2.4 并联谐振型晶体振荡器高频回路等效电路1） 振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管、端,、端和、端的接入系数是： （3.2.1） （3.2.2）以上三个接入系数一般均小于，所以外电路中的不稳定参数对振荡回路影响很小，提高了回路的标准性。2） 振荡频率几乎由石英晶体的参数决定，而石英晶体本身的参数具有高度的稳定性。其中是和晶体两端并联的外电路各电容的等效值，即根据产品要求的负载电容。在实用时，一般需加入微调电容，用以微调回路的谐振频率，保证电路工作在晶体外壳上所注明的标称频率fn上。3） 由于振荡频率一般调谐在标称频率上，

20、位于晶体的感性区内，电抗曲线陡峭，稳频性能极好。4） 石英晶体的Q值和特性阻抗都很高，所以晶体的谐振电阻也很高，一般可达以上。这样即使外电路接入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。3.2.3泛音晶体振荡器在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电路中，为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上，不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡而且必须正确地调节电路的环路增益，使其在工作泛音频率上略大于1，满足起振条件，而在更高的泛音频率上都小于1，不满足起振条件。在实际应用

21、时，可在三点式振荡电路中，用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件，使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则，不能起振；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振。图3.2.5给出了一种并联泛音晶体振荡电路。假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为5MHz，基频为1MHz，则LC1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样在5MHz频率上，LC1回路呈容性，振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说，LC1回路呈感性，电路不符合组成法则，不能起振。而在七次及其以上泛音频率，LC1回路呈现容性，但等效容抗减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益

22、小于1，不满足振幅起振条件。图3.2.5 泛音晶体振荡器电路3.3 晶体正弦波振荡器原理图及参数计算3.3.1电路原理图 图3.3.1 10M正弦/方波振荡器原理图3.3.2静态工作点及回路参数的确定 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=0.55mA之间，若取=2mA，则有： （3.3.1）为提高电路的稳定性，Re值可适当增大，取Re=1，则Rc=2，则有： （3.3.2）若取流过的电流为10，则=10，=0.33mA，则取： (3.3.3)(3.3.4)实际电路中，可用30k的电阻，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

23、到等效电感的作用，输出频率应为10MHZ，则由f0=1/2知负载电容CL=33.3pF，即C1，C3，C4串联后的总电容为33.3 pF，则取C1=100pF，C3=100pF，C4=100pF。信号通过C5耦合出来，在经过一个可调晶体管放大器输出，提高带负载能力。3.4 电路仿真 在multisim软件环境下进行仿真，按照原理图，一一找好元器件，将线练好。摆放整齐。其仿真图如下：图3.3.2multisim仿真原理图3.5 元器件清单 电阻2k1个 电阻 30K 1个 电阻 20k 1个 电阻 1k 1个 电容 100pF 4个 电容 1000pF 1个 电容 0.1uF 1个 电容 560

24、pF 1个 三极管 2N2222A 2个 晶振 10MHZ 1个 电阻 10K 1个 电阻 50K 1个 可变电阻 1k 1个 插针 3个 4 制板与调试4.1 电路调试在Multisim软件环境下进行仿真，此时开关S1的1接通，S2的1接通，形成并联型振荡器，为了便于观察振荡器工作时各部分电路的工作情况，在振荡器输出端接入示波器观察波形，记录示波器上显示的输出振幅和输出频率，仿真波形如图所示。 图3.3.3仿真波形图 从图中可以看出，输出波形为正弦波，波形有较小的失真，这是由于元件参数的精度较低导致的，该振荡器的设计符合设计要求。4.2 电路制作 实物买回来后，出于想提高自己能力，没有选择万

25、能版，于是按照电路图按部就班的画好PCB板图，然后打印，打孔及腐蚀，再一一把元器件焊上，检查电路。实践再一次考验我们的焊接技术。经过半通宵作业我们终于完成了我们的实物制作。在制作过程中我们需要对电路原理图了然于心，这样可以提高我们的效率、熟练程度。 5 结束语 经过这次课程设计，我发现了自己能力的不足和知识上的欠缺，同时也学到了很多东西。接到振荡器的课程设计任务后，我首先将课本上关于晶体振荡器及其相关内容仔细看了好几遍，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。在设计原理图时我曾一

26、度迷茫感觉无从下手，感觉书上的图过于简单设计出来的线路不够稳定，而从别处看到的又过于复杂分析不明白，最后通过与其他同学共同讨论终于弄懂了许多东西。通过查阅参考书和阅读网上资料，我学到了很多关于晶体振荡器的新知识，而这些都是课本上没有讲到的，这些都使我对晶体振荡器有了更深入的理解。这次课程设计，首先使我深刻体会到了自学的重要性，仅仅靠课本和老师上课是讲的东西，很多问题是不能解决的，重要的是学会自学，对问题深入思考并通过各种途径解决，才能得到最大的收获。其次，我也更加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。而且，由于同学之间对所学东西理解的相似性，彼此讨论问题往往更容易理解 。再次，在确定器件参数时，看到了许多其他器件的性能参数，不仅拓宽了我的知识面，而且培养了科学严谨的求学态度。最后，通过比较自己的设计方案与参考书上的设计方案，意识到自己知识的欠缺，同时体会到了老