正弦波振荡器.docx

1、正弦波振荡器 正弦波振荡器摘要: 正弦波振荡器在无线电技术领域应用十分广泛，在电子测量中，正弦波信号必不可少的基准信号源。正弦波振荡器主要有决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成。正弦波振荡器可分为有LC振荡器、RC振荡器、石英晶体振荡器等。本论文主要讲述了高频高精度的石英晶体正弦波振荡器的产生。介绍了该振荡器的基本工作原理、设计电路、性能和测试指标等。此外，还具体说明了电路设计的制作过程和元器件的检测、安装、焊接、调试等过程。阐述了技术指标要求测试方法和数据记录。并对实测数据进行了分析和总结。由于在工程应用上对高频信号的要求稳定度极高，因此我所设计的基于石英晶体正弦波振荡器具有体

2、积小、频率准确度和稳定度高、受外界干扰小、工作温度范围宽的特点。石英晶体元器件作为优良的频率选择与控制器件，用途极为广泛，现在向高基频、高性能、高可靠和微小化发展。关键词： 石英晶体 振荡 频率稳定度第一章 引言晶体振荡器作为电子设备的重要器件，对电子设备的总体性能指标起着非常重要的作用。本文介绍高频高精度正弦波振荡器的研制，高频高精度振荡器具有体积小、中心频率稳定、输出幅度稳定、频率稳定度高、非线性失真小的特点。振荡器是一种能自动的将直流能量转换成有一定波形的振荡器信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于无需外加激励信号就能产生具有一定频率，一定波形和一定振幅的交流信号。振荡器输出的信号频率

3、、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。振荡器在现代科学技术领域中有着广泛的应用。例如，在无线电通信、广播、电视设备中用来产生所需的载波信号和本地振荡信号；在电子测量和自动控制系统中用来产生各种频段的正弦波信号等。 正弦波振荡器主要有决定振荡频率的选频网路和维持振荡的正反馈放大器组成，这就是正反馈振荡器。高频正弦波振荡器可分为LC振荡器、石英晶体振荡器等。 正弦波振荡器的主要性能指标是振荡频率的准确度和稳定度、振荡幅度的大小其稳定性、振荡波形的非线性失真、振荡器的输出功率和效率。本论文主要讨论高频高精度振荡器即石英晶体振荡器的基本原理、电路和性能指标。1 高频高精度正弦波振荡器的组成1.1 石英

4、晶体振荡器的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应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谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。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。石英晶体的结构示意图如图1所示；石英晶体的形状及横断面图如图2所示。图1石英晶体结构示意图 图2 石英晶体的形状即横断图1.2 压电效应若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片

5、的两侧施加机械加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。压电效应：晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象。如图3（a）所示。 压电谐振：外加交变电压的频率等于晶体固有频率等时，回路发生串联谐振，电流振幅最大的一种

6、现象。产生压电谐振时的振荡频率称晶体谐振器的振荡频率。图3（b）所示。（a）压电效应 （b）谐振效应图3 压电效应和谐振现象1.3 石英晶体的电路符号及等效电路（a）符号 （b）等效电路 （c）电抗频率特性（R0）图4 石英晶体谐振器的等效电路与电抗特性石英晶体的符号如图4（a）所示。当晶体不振动时，可用表示晶片与复银层构成的静态电容C0来等效，它的大小晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约为几个皮法到几十皮法；当晶体振动时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般为10-310-2H；晶体谐振时晶片的弹性可用电容C来等效，一般为2*10-40.1pf；晶片振动时的摩擦损耗用R来等效，阻值约为102

7、。由 可知，晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达104106 。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，其精度高而稳定。所以，采用石英晶体谐振器组成振荡电路，可获地很高的频率稳定度。当忽略损耗等效电阻R时，等效电路的总电抗为：其等效电路图4（b）所示，它有两个谐振频率；其电抗特性如图4（c）所示。当L、C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小（等于R），石英晶体对于串联谐振fs呈纯阻性，串联谐振频率为：，这是石英晶体真正的谐振频率，起振频率稳定度最高。当频率高于fs时，L、C、R支路呈现为电感性，可与电容C发生并联谐振，此时，等效阻抗

8、最大，X,可解得回路的并联谐振频率为：由于CC0,即C/C0,说明两个谐振频率fs和fp相差很小，其相对频差为： 通常小于1%，这就使得fs与fp之间等效电感的电抗曲线非常陡峭，实用中，石英晶体振荡器就工作在这一频率范围狭窄的电感区内，正是因为电感区内电抗曲线有非常陡的斜率，有很高的Q值，从而具有很强的稳频作用，电容区是不宜使用的。图4（c）为石英晶体谐振器的电抗-频率特性，石英晶体当f=fs时，发生串联谐振，相当于阻值很小的纯阻元件；当f=fp时，发生并联谐振，相当于阻值趋于无限大的纯阻元件；当fsffp时，相当于高Q的电感元件；当ffs或ffp时，相当于高Q值的电容元件。晶体的主要特点是它

9、的等效电感L特别大，而等效电容C特别小。石英晶体的品质因数Q值非常高，一般为几万甚至几百万，这是普通LC振荡电路无法比拟的。1.4 石英晶体的类型及谐振频率石英晶体振荡器是由品质因数极高的石英晶体振子（即谐振器和振荡电路组成）。晶体的品质、切割趋向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器的性能。其中，石英晶体构成的正弦波振荡器基本电路有两类：一类是石英晶体作为高Q电感元件与回路中的其他元件形成并联谐振，称为并联晶体振荡器；另一类是石英晶体工作在串联谐振状态，作为高选择性短路元件，称为串联型晶体振荡器。1.4.1 并联型晶体振荡电路图5（a）所示。振荡回路由C1、C2和晶体组成。由图可知，电

10、路满足“射同基反”的原则，从而构成电容三点式振荡电路。显然,晶体在回路中起电感L的作用，等效电路如图5（b）所示，振荡频率在晶体谐振器的fs与fp之间。由于回路电容是C1和C2串联后与C0并联，再与C串联，则回路电容为故振荡回路的谐振频率为: 由于CUi或 1; 式中， 表示环路增益，即： 只要振荡器静态工作点设计在软激励状态（即Q处在放大区，略偏向截止方向），说明:起振时 在图中A为平衡点在平衡时 = （平衡时）。(2) 相位起振条件 ， n=0,1,2,3，综上所述，为了使振荡器能起振，在开始振荡，必须使A1，起振后，振荡幅度迅速增大，使晶体管工作在非线性区，以致增益A下降，直至AF=1,

11、振荡幅度不再增大，达到稳幅振荡。显然，AF越大于1,振荡器越容易起振，并且振幅幅度也越大。但AF过大，为了使振荡幅度得以稳定，放大管的动态范围必定要深入到非线性区，从而引起器件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，就应尽量使AF值接近于1 。2.2.3 振荡的稳定条件振荡的稳定是指：当振荡器受到外部因素的扰动，平衡条件遭到破坏后，其本身具有自动恢复到平衡状态，重新建立起新的平衡的功能。由此可得到：(1) 振幅稳定条件图10 振荡幅度的稳定 图11环路增益的相频特性如图10所示，设振荡器Ui=UiA满足振幅平衡条件。在A点为平衡点， =1。平衡点为一个稳定点的条件是。在平

12、衡点附近环路增益 应具有随Ui增大而减小的特性。即：。若某一外界原因使UiUiA,则，即UfUi,只有Ui下降才能使Ui= UiA稳定；同理，若UiUi,只有Ui上升才能使Ui= UiA稳定；可知：，越大，振幅稳定欲量越大。即在平衡点附近，环路增益跟随输入电压变化时，具有负斜率的变化规律。(2)相位稳定条件（频率稳定条件） 外界因素的变化同样会破坏相位平衡条件，使环路相移偏离2n 所应具有的条件。上式表示 在 附近具有负斜率变化，其绝对值越大，相位越稳定。可见，振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性的谐振回路来满足相位稳定条件，且Q值越大， 随 增加而下降的斜率就越大，振荡器的稳定度也就越高。当

13、相位平衡遭到破坏时，电路本身能重新的平衡条件。分析如下：1) 设在 处 (2) 外因使 当 0时，说明Uf超前Ui一个 相角，使每次经过放大和反馈后，Uf一次比一次超前Ui ,振荡周期缩短，即：当 0时，造成振荡周期下降，振荡频率fOSC下降。所以 随 的变化关系为： ,若电路本身具有随频率增大而使相位减小（即 ）的特性，则可以抵消由于外界条件的变化造成振荡频率的变化特性。由于 本身是频率的函数，当 变化时， 变化，即： 所以 的频率如图11所示：所以并联LC的相频特性具有上述特性。同时，回路的品质因数Q值越大，相频特性的斜率越大，频率稳定性越强。3 高频高精度正弦波振荡器的主要参数高频高精度

14、正弦波振荡器的主要参数有标称频率，负载电容、频率精度、频率稳定度等。不同的晶振标称频率不同，标称频率大都表明在晶振外壳上。如常用普通晶振标称频率有：48KHZ、500KHZ、503.5KHZ、1MHZ、40.50MHZ等，对于特需要求的晶振可达到1000MHZ以上，也有的没有标称频率，如CRB、ZTB、JA等系列。负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联谐振晶振的低负载电容晶振；另一个为并联谐振晶振的高负载电容晶振。所以

15、，标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一致，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。频率精度和频率稳定度：由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求，对于高档设备还需要有一定的频率精度和频率稳定度。频率精度从10-4到10-10量级不等。稳定度从 1到 100ppm不等。这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振，如通信网络，无线数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器。因此，晶振的参数决定了晶振的品质和性能。在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振，因不同性能的晶振其价格不同，要求越高价格也越贵，一般选择只要满足要求即可。4 石英晶体振荡器的发展趋势4.1 小型化、薄片化和片式化为满

16、足移动电话为代表的便携式产品轻薄、短小的要求，石英晶体振荡器 封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。例如TCXO这类器件的体积缩小了30100倍。采用SMD封装的TXVO厚度不足2mm，目前5*3mm尺寸的器件已经上市。4.2 高精度与高稳定度目前无补偿式晶体振荡总精度也能达到 25ppm，VCXOD 稳定度在107范围内一般可达 10-45ppm，VCXO控制在 25ppm以下。4.3 低噪音、高频化在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪音是表征振荡器颤抖的一个重要参数，目前OCXO主流产品的相位噪声性能有很的改善。除VCXO外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200M

17、HZ。例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器，其频率为6501700MHZ，电源电压2.2v3.3v，工作电流810A。4.4 低功耗、快速启动低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个吻趋势。电源电压一般为3.3v。目前许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2A。石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。例如日本精工生产的VG-2320SC型VCXO，在 0.1ppm规定值范围条件下，频率稳定时间小于4ms。日本东京陶瓷公司生产的SMDTCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。OAK公司的1025MHZ的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到 0.01ppm的稳

18、定度。5 高频高精度振荡器的制作过程5.1 电路的选择选择什么样的振荡电路主要取决于频率范围（或频段）以及对振荡稳定度的要求。频率从几赫兹到几千赫兹可采用RC振荡电路，目前RC振荡器也有做到1兆赫兹的。RC振荡器的频率稳定度一般为10-210-3数量级，而石英晶体振荡电路可达到10-710-9数量级，甚至跟高。目前，由于频率合成技术的发展，已做成即能保证具有石英晶体那么高的稳定度，又可以使频率连续可调 所谓频率合成器。5.2 振荡管的选择在小功率振荡电路中，选管时主要从振荡频率、频率稳定度以及能否满足起振条件来考虑，至于功率要求可不作为重点。手册中低频管的频率参数一般给出F 和F ，高频管的参

19、数常用F 和FT.目前采用FT更多。选管时应使FT比所要求的振荡频率F0高若干倍，视电路带负载的情况而定。一般可选FT(3 5)F0。为了保证电路的起振，管子的 值要足够大，但也无须太大，否则容易发生寄生振荡。重要的是管子的参数要稳定，ICBO要小，才能保证振荡频率的稳定度。本设计采用的振荡管选择CS9018。5.3 元器件的参数选择元器件的选择很重要，直接关系到电路制作的成功与失败。但也要与实际相结合，如：比较容易从商店买到的，并且有着较高的性价比。在本次设计制作中采用体积小，耐热性好，绝缘电阻高，耗损低，对频率稳定性瓷介电容和稳定系数随温度变化时，由于ICB的值很小，对工作点的稳定性的影响

20、较小。硅管的VBE和放大倍数受温度的影响较大是它的特点。大多数管子（包括硅管和锗管）的VBE的温度系数为2.2VBEmv/, VBE的变化将通过ICB的变化影响Q点。至于锗管，它的较大，而ICB的温度影响对它是主要的。如表一所示：表一 三极管的主要参数型号 材料 击穿电压UCB 集电极最大电流ICM 耗损功率PCM 特性频率FTCS9018 S +15V +100mA 310mw 600MHZCS9013 S +25V +1A 400mw 5.4 对技术指标要求的理解和说明(1) 中心频率4MHZ1KHZ:高频高精度正弦波振荡器振荡出来的中心频率为4MHZ，上下浮动的范围值为1KHZ。也就是说

21、只要测出来的频率在4.1MHZ3.9MHZ之间就符号这条技术指标。(2) 输出幅度50mv2mv:高频高精度正弦波振荡器输出幅度电压为50mv，上下误差的范围可以在2mv之间。也就是只要测得的振荡幅为52mv到48mv之间就为合格，就算达到了要求。(3) 频率稳定度10-5：这条技术指标的含义是制作的高频高精度正弦波振荡器的频率是否一直保持在中心频率，可以通过频率计24小时检测振荡的频率偏离中心频率的最远点是多少赫兹，就可以通过计算得出它的频率稳定度。公式如下：(4) 非线性失真1%：这条技术指标的含义是高频高精度正弦波振荡器输出的正弦振荡波形不能明显失真，失真度要1%。5.5 测试仪器(1)

22、 中心频率的测试量用HCF1000L频率计。(2) 输出幅度的测量用JFJ8B型超高频毫伏表。(3) 频率稳定度的测量用HCF1000L型频率计。(4) 非线性失真的测量用ZQ4127型失真度测量仪。(5) 另外，为了观测波形和为高频高精度正弦波振荡电路提供电源所用到的有CA8022型示波器直流稳压电源。5.6 参数测试结果表二 参数测试结果序号 测试结果 技术指标要求 实测数据1 中心频率F0（HZ） 4MHZ1KHZ 3.99938MHZ2 输出幅度Up(V) 50mv2mv 48.8mv3 频率稳定度 10-5 10-54 非线性失真 小于等于1% 0.98%5.7 通过频率计12小时监

23、测振荡器的频率(1) 基本要求如下表三所示。表三 基本要求环境天气 晴室温 1829相对湿度 84%振荡测试条件 良好工作电压 VCC=12v工作电流 IC=2mA测试地点 金职院信息大楼实验室时间 早上8点至晚上8点测试仪器 YB1713型稳压电源XJ4138型示波器HCF-1000L型频率计05mA电流表（2）频率F0为4MHZ时12小时内的频率测试情况如表四所示。表四 12小时频率测试情况表时间 频率F（MHZ） 时间 频率F(MHZ)8:00 4.00021 11:30 4.000438:15 4.00013 11:45 3.999878:30 4.00011 12:00 3.9999

24、48:45 4.00012 12:15 3.999459:00 4.00032 12:30 3.999349:15 4.00082 12:45 3.999429:30 4.00031 13:00 3.999359:45 4.00013 13:15 3.9997610:00 4.00045 13:30 3.9999910:15 4.00056 13:45 3.9993810:30 4.00046 14:00 3.9996510:45 4.00048 14:15 3.9994511:00 4.00064 14:30 3.9997911:15 4.00015 14:45 3.9993515:00 3

25、.99999 17：30 4.0003215:15 3.99913 17：45 4.0004215:30 3.99946 18：00 4.0003115:45 3.99992 18：15 4.0005116:00 4.00001 18：30 4.0001716：15 4.00000 18：45 4.0006516：30 4.00046 19：00 4.0003516：45 4.00013 19：15 4.0001217：00 4.00032 19：45 4.0004317：15 4.00034 20:00 4.000155.8 在设计和制作过程中的问题和解决方法本次设计中虽然在大二的时候有过相关的学习，但是进行系统的分析、整理并做出实物还是有不少的麻烦，在刚开始收集资料时，有些资料写得比较含糊，对重要的部分没有表明，图纸中有些元器件与实际的规格没有标出。在制作实物的过程中有些元器件买来后发现与实际标的规格不一样，后来才采购到符合要求的元器件。在对高频高精度正弦波振荡器的测试过程中曾发现如下问题：（1） 在用HCF1000L型频率计测量输出频率不稳定，时有时无。用500型万用表直流电压50V测量电压不稳定，指针摇摆不定，于是换了一个直流电源后，用频率计测得