石英晶体振荡器(高频课程设计)...doc
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中文摘要
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
目录
课程设计任务书
课程设计成绩评定表
中文摘要……………..…………………………………………..……….….…………….…...1
目录……………..…………………………………………..……….….…………….…...……2
1设计任务描述……….…………………………………….….………………………………...3
1.1设计目的..........................…………….…….…….……………....……….......…..……3
1.2基本要求…………………………….…....………...........................……….3
2设计思路………..….…………………………….…..….....................………….4
3设计方框图………..….……..….…………………………….…..….…...........……….5
4各部分电路设计及参数计算………..….……..….………….…..…............………….6
5工作过程分析………..….……..….………………………….…..….…...........………11
6元器件清单………..….……..….……………………………………………………………12
7主要元器件介绍………..….…..….………………………….….............….………13
小结………….………….……………………..….……...………..….………...............18
致谢.………………….……………………..…….…………...…………...........……….19
参考文献.…………….…………………..….…..……………….………...........……….20
附录
逻辑电路图…………………………………………………………...........……………………….21
仿真效果图……………………………………………………………………………………………………22
1.设计任务描述
1．设计题目：
石英晶体振荡器的设计与调试
1.1设计目的：
1.深入理解石英晶体振荡器的工作原理，熟悉振荡器的构成和电路各元件的作用；
2.掌握振荡器的设计方法及参数计算；
3.学会正弦波振荡器的调试。
1.2基本要求：
1.设计一个石英晶体振荡器；
2.研究电路的设计方法，完成电路参数计算；
3.进行电路调试。
2设计思路
本次设计首先以NPN型晶体管9013和标称频率为10MHz的石英晶体为基础分别设计出不同形式的串并联型振荡器，通过对各种不同形式的串联型振荡器和并联型振荡器做出比较之后，综合设计出一个并联的石英晶体正弦波振荡器，然后根据石英晶体振荡器的输出要求设计电路，然后根据电路图的基本形式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调试，从而完成整个正弦波振荡器的设计。
3.设计方框图
输入
信号
晶体管
放大
晶体振荡
回路
稳定频
率输出
4各部分电路设计及参数计算
4.1各部分电路设计
振荡器电路属于一种信号发生器类型，即表现为没有外加信号的情况下能自动生成具有一定频率、一定波形、一定振幅的周期性交变振荡信号的电子线路。
振荡器起振时是将电路自身噪声或电源跳变中频谱很广的信号进行放大选频。
此时振荡器的输出幅值是不断增长的，随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区或者截止区，其增益逐渐下降，当放大器增益下降而导致环路增益下降到1时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡，进入等幅振荡状态。
振荡器进入平衡状态后，直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。
4.1.1串联型晶体振荡器
在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路中。
图4-1和图4-2显示出了一串联型振荡器的实际路线和等效电路。
可以看出，如果将石英晶体短路，该电路即为电容反馈的振荡器。
电路的实际工作原理为：
当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，晶体的阻抗最小，近似为一短路线，电路满足相位条件和振幅条件，故能正常工作；当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时，晶体阻抗增大，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作。
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图4-1串联型晶体振荡器实际电路
图4-2串联型晶体振荡器等效电路
串联型晶体振荡器只能适应高次泛音工作，这是由于晶体只起到控制频率的作用，对回路没有影响，只要电路能正常工作，输出幅度就不受晶体控制。
4.1.2并联型晶体振荡器
c-b型并联晶体振荡器的典型电路如图4-3所示，振荡管的基极对高频接地，晶体接集电极与基极之间，C2和C3位于回路的另外两个电抗元件，振荡器的回路等效电路如图4-4所示，它类似于克拉泼振荡器，由于Cq非常小，因此，晶体振荡器的谐振回路与振荡管之间的耦合电容非常弱，从而使频率稳定度大大提高。
由于晶体的品质因数很高，故其并联谐振阻抗也很高，虽然接入系数很小，但等效到晶体管CE两端的阻抗仍很高，因此放大器的增益高，电路容易满足振幅齐起振条件。
图4-3c-b型并联晶体振荡器实际线路
图4-4c-b型并联晶体振荡器等效线路
b-e型并联晶体振荡器的典型电路如图4-5所示，该电路是一个双回路振荡器，它的固有谐振频率略高于振荡器的工作频率，负载回路选用的是并联谐振回路，可以抑制其他谐波，有利于改善输出波形，并且电路的输出信号较大，但频率稳定度不如b-c型振荡电路，因为在b-e型电路中，石英晶体则接在输入阻抗低的b-e之间，降低了石英晶体的标准性。
其等效电路如图4-6所示。
图4-5b-e型并联晶体振荡器实际电路
图4-6b-e型并联晶体振荡器等效电路
和一般LC振荡器相比，石英晶体振荡器在外界因素变化而影响到晶体的回路固有频率时，它还具有使频率保持不变的电抗补偿能力，原因是石英晶体谐振器的等效电感Le与普通电感不同，当频率由Wq变化到Wo时，等效电感值将由零变到无穷大，这段曲线十分陡峭，而振荡器又刚好被限定在工作在这段线性范围内，也就是说，石英晶体在这个频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线，因而它具有很高的电感补偿能力。
而本次设计为并联谐振型晶体振荡器。
4.1.3元器件参数的计算
a确定三极管静态工作点
正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。
振荡器主电路的静态工作点主要由R1、R2、R4、W决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图4-7所示。
图4-7直流通路等效电路
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=0.5~5mA之间，若取=2mA，，则有：
（4.1.1）
为提高电路的稳定性，Re值可适当增大，取Re=1，则Rc=2，则有：
（4.1.2）若取流过的电流为10，则=10=0.33mA，则取：
（4.1.3）
（4.1.4）
实际电路中，可用6.8与50电位器串联，Rb2可以取10，以便工作点的调整。
b交流参数的确定
对于振荡器，当电路接为并联型振荡器时，晶体起到等效电感的作用，输出频率应为10MHZ，则由f0=1/2π知负载电容CL=33.3pF，即C2，C3，C4串联后的总电容为33.3pF，则取C2=100pF，C3=100pF，C4=100pF。
为了提高振荡器的工作性能和稳定度，在电路中还应有高频扼流圈，一般取扼流圈L1=10uH。
实验数据：
（1）U4min=0.36V,U4max=6.10V;
（2）开关闭合时：
fo=10.00173MHz,Uo=61.6mV;
开关断开时：
fo=10.00174MHz,Uo=63.5mV;
实验结论：
（1）由于石英晶体的等效电感非常大，故品质因数Q很大，所以石英晶体振荡电路有很高的稳定性。
（2）对比发现，负载变化对振荡频率影响很小，影响振荡频率的主要因素为温度。
有无负载对频率的影响
OFF
R5
f
10.00173MHz
10.00174MHz
5.工作过程分析
本次设计首先以NPN型晶体管9013和标称频率为10MHz的石英晶体为基础设计并联型振荡器，通过12V的直流电源和调节100K的电位器W为三极管提供合适的静态工作点，X1、C2、C3、C4组成振荡回路。
Q1的集电极直流负载为R3,偏置电路由R1、R2、W和R4构成，改变W可改变Q1的静态工作点。
静态电流的选择既要保证振荡器处于截止平衡状态也要兼顾开始建立振荡时有足够大的电压增益。
振荡器的交流负载实验电阻为R5。
闭合开关J2时可以为电路提供直流电流，闭合开关J1时用以研究改变负载对石英晶体振荡电路振荡频率的影响。
6元器件清单
石英晶体振荡器元器件
名称
型号
数量
备注
电阻
10K
1
电阻
580
2
电阻
10
2
电阻
6.8K
1
电阻
510
1
三极管
9013
1
电位器
100K
1
电容
100pF
3
石英晶体
10MHz
1
电感
10uH
1
开关
2
7主要元器件介绍
7.1石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
7.1.1石英晶体振荡器的基本原理
1、石英晶体振荡器的结构
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。
图2.1是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。
图2.1金属外壳封装的石英晶体结构示意图。
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，若在晶片的两侧施加机械压力，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特定值时，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。
3、符号和等效电路
石英晶体谐振器的符号和等效电路如图2.2所示。
当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个PF到几十PF。
当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。
一般L的值为几十mH到几百mH。
晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。
晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。
由于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1000～10000。
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，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
图2.2石英晶体谐振器的符号和等效电路
4、谐振频率
从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即
（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。
串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，
（2）当频率高于fs时L、C、R支路呈感性，可与电容C。
发生并联谐振，其并联频率用fd表示。
根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗—频率特性曲线如图2.2所示。
可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。
仅在fs＜f＜fd极窄的范围内，石英晶体呈感性。
7.1.2石英晶体振荡器的分类
石英晶体振荡器是由品质因素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、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器的性能。
国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：
普通晶体振荡（TCXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。
目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡（DCXO）等。
（1）普通晶体振荡器（SPXO）可产生10^（-5）～10^（-4）量级的频率精度，标准频率1—100MHZ，频率稳定度是±100ppm。
SPXO没有采用任何温度频率补偿措施，价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。
封装尺寸范围从21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
（2）电压控制式晶体振荡器（VCXO）的精度是10^（-6）～10^（-5）量级，频率范围1~30MHz。
低容差振荡器的频率稳定度是±50ppm。
通常用于锁相环路。
封装尺寸14×10×3mm。
（3）温度补偿式晶体振荡器（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10^（-7）～10^（-6）量级，频率范围1—60MHz，频率稳定度为±1～±2.5ppm，封装尺寸从30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。
通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。
（4）恒温控制式晶体振荡器（OCXO）将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。
OCXO频率精度是10^（-10）至10^（-8）量级，对某些特殊应用甚至达到更高。
频率稳定度在四种类型振荡器中最高。
7.1.3石英晶体振荡器的应用
（1）石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。
不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。
石英晶体振荡器原理的示意如图3所示，其中V1和V2构成CMOS反相器石英晶体Q与振荡电容C1及微调电容C2构成振荡系统，这里石英晶体相当于电感。
振荡系统的元件参数确定了振频率。
一般Q、C1及C2均为外接元件。
另外R1为反馈电阻，R2为振荡的稳定电阻，它们都集成在电路内部。
故无法通过改变C1或C2的数值来调整走时精度。
但此时我们仍可用加接一只电容C有方法，来改变振荡系统参数，以调整走时精度。
根据电子钟表走时的快慢，调整电容有两种接法：
若走时偏快，则可在石英晶体两端并接电容C，如图4所示。
此时系统总电容加大，振荡频率变低，走时减慢。
若走时偏慢，则可在晶体支路中串接电容C。
如图5所示。
此时系统的总电容减小，振荡频率变高，走时增快。
只要经过耐心的反复试验，就可以调整走时精度。
因此，晶振可用于时钟信号发生器。
（2）随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503kHz的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源，经1/3的分频得到15625Hz的行频，其稳定性和可靠性大为提高。
面且晶振价格便宜，更换容易。
（3）在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也得到了更快的发展。
许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。
7.1.4石英晶体振荡器的发展趋势
1、小型化、薄片化和片式化：
为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求，石英晶体振荡器的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30～100倍。
采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已经上市。
2、高精度与高稳定度，无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm，VCXO的频率稳定度在10～7℃范围内一般可达±20～100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。
3、低噪声，高频化，在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。
OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善。
除VCXO外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。
例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器，其频率为650～1700MHz，电源电压2.2～3.3V，工作电流8～10mA。
4、低功能，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趋势。
电源电压一般为3.3V。
许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2mA。
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10～25MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到±0.01ppm的稳定度。
7.2三极管9013
9013是一种NPN型硅小功率的三极管它是非常常见的晶体三极管，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广,它是NPN型小功率三极管，下面介绍s9013的引脚图参数等资料。
参数：
集电极电流Ic：
Max500mA
工作温度：
-55℃to+150℃
集电极-基极电压Vcbo：
40V
集电极-发射极电压25V
集电极-基电压45V
射极-基极电压5V
集电极电流0.5A
耗散功率0.625W
结温150℃
特怔频率最小150MHZ
放大倍数：
D64-91E78-112F96-135G122-166H144-220I190-300
主要用途：
放大电路
小结
通过本次课程设计使自己进一步熟悉、掌握高频课程设计原理与基本知识；综合训练自己掌握高频课程设计所需电子元件的原理和选择，从而初步学会从分析到调试的基本过程、方法和思路，为今后的设计积累经验。
1、在课程设计过程中，我基本能按照规定的程序进行，调查有关资料，然后进入草案阶段，期间与同学进行几次设计的分析、讨论、再分析，最后进行正式电路调试阶段。
调试结束后，又在老师指导下进行详细的参数计算，并开始写报告。
在调试中我也遇到了很多疑惑的地方。
例如,在测量输出电压的时候,我疏忽了这是高频电路这一环节,后来的调试可以说因为这个而错误连连,后来在老师的帮助下,我改成用毫伏表进行测量,整个过程周密有序，有利于自己按时高质完成全部课程设计。
通过这一阶段的学习和实践，我得到了很多收获，有很多感想。
学历与能力并重“学问未必全在书本上”，学好书本上的东西是远远不够的。
2、我的石英晶体振荡器，包括任务和要求、设计思路、原理框图以及这为本学科阶段的设计学习打下基础，并充分地利用了这段时间。
3、从做设计的过程中掌握并运用以前所学的知识，提高自学能力和独立思考解决问题的能力。
同时使我所学的知识得以运用。
4、本次设计能使我看清差距，扩大视野，认识自己的真实水平。
正是在学校所学的扎实的专业基础知识和不断培养的实践动手能力，使我能很快地处理和解决以后学习过程中遇到的问题。
并不断的充实自己。
以上是本次课程设计的指导过程中的心得与体会以及对课程设计完成情况的总结，希望在以后的学习当中能扬长避短，以期取得更好的学习效果。
在学院精心安排下，我成功地完成了课程设计，从中学到了许多知识，提高了能力，受益匪浅。
同时，本文还有很多不足，恳请老师批评指正。
致谢
这次课程设计，历时两周。
在本报告完成之际，首先要向我的指导教师郝波老师致以诚
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