高频晶体振荡器任务书.docx
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高频晶体振荡器任务书
目录
1.Multisim简介1
2.工作原理说明3
2.1振荡器概念3
2.2静态工作点的确定4
2.3振荡器的起振条件4
2.4高频功率放大器5
3.普通三点式振荡器和晶体振荡器5
3.1电容三点式振荡器5
3.2电感三点式振荡器7
3.3并联型晶体振荡器8
3.4串联型晶体振荡器9
3.5普通三点式振荡器和晶体振荡器性能比较10
4.电路设计与仿真11
4.1原理电路11
4.2仿真结果12
5.实际电路与输出波形12
6.心得体会16
7.参考文献17
1.Multisim简介
NIMultisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。
作Windows下运行的个人桌面电子设计工具，NIMultisim是一个完整的集成化设计环境。
NIMultisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。
学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。
NIMultisim软件绝对是电子学教学的首选软件具。
（1）直观的图形界面
整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的；
（2）丰富的元器件
提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。
（3）强大的仿真能力
以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronicworkbench带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。
包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。
（4）丰富的测试仪器
提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量：
Multimeter（万用表）、FunctionGeneratoer（函数信号发生器）、Wattmeter（瓦特表）、Oscilloscope（示波器）、BodePlotter（波特仪）、WordGenerator（字符发生器）、LogicAnalyzer（逻辑分析仪）、LogicConverter（逻辑转换仪）、DistortionAnalyer（失真度仪）、SpectrumAnalyzer（频谱仪）、NetworkAnalyzer（网络分析仪） MeasurementPribe（测量探针）、FourChannelOscilloscope（四踪示波器）、FrequencyCounter（频率计数器）、IVAnalyzer（伏安特性分析仪）、AgilentSimulatedInstruments（安捷伦仿真仪器）、AgilentOscilloscope（安捷伦示波器）、TektronixSimulatedOscilloscope（泰克仿真示波器）、Voltmeter（伏特表）、Ammeter（安培表）、CurrentProbe（电流探针）、LabVIEWInstrument（LabVIEW仪器）。
这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态互交显示。
除了Multisim提供的默认的仪器外，还可以创建LabVIEW的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序的仪器。
（5）完备的分析手段
Multisimt提供了许多分析功能：
DCOperatingPointAnalysis（直流工作点分析）、ACAnalysis（交流分析）、TransientAnalysis（瞬态分析）、FourierAnalysis（傅里叶分析）、NoiseAnalysis（噪声分析）、DistortionAnalysis（失真度分析）、DCSweepAnalysis（直流扫描分析）、DCandACSensitvityAnalysis（直流和交流灵敏度分析）、ParameterSweepAnalysis（参数扫描分析）、TemperatureSweepAnalysis（温度扫描分析）、TransferFunctionAnalysis（传输函数分析）、WorstCaseAnalysis（最差情况分析）、PoleZeroAnalysis（零级分析）、 MonteCarloAnalysis（蒙特卡罗分析）、TraceWidthAnalysis（线宽分析）、NestedSweepAnalysis（嵌套扫描分析）、BatchedAnalysis（批处理分析）、UserDefinedAnalysis（用户自定义分析）。
它们利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的到不常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行。
集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能；
（6）独特的射频（RF）模块
提供基本射频电路的设计、分析和仿真。
射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包括自定义的RFSPICE模型）、用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器、两RF-specific仪器（SpectrumAnalyzer频谱分析仪和NetworkAnalyzer网络分析仪）、一些RF-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成；
（7）强大的MCU模块
支持4种类型的单片机芯片,支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码,并兼容第三方工具源代码；包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。
（8）完善的后处理
对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等；
（9）详细的报告
能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告；
（10）兼容性好的信息转换
提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法，可以输出原理图到PCB布线（如Ultiboard、OrCAD、PADSLayout2005、P-CAD和Protel）；输出仿真结果到MathCAD、Excel或LabVIEW；输出网络表文件；向前和返回注；提供InternetDesignSharing（互联网共享文件）
2.工作原理说明
2.1振荡器概念
振荡器（oscillaor）是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。
凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。
例如，无线电发明初期所用的火花发射机、电弧发生器等，都是振荡器。
但是用电子管、晶体管等器件与L、C、R等元件组成的振荡器则完全取代了以往所有产生振荡的方法，因为它有如下优点：
1）它将直流电能转变为交流电能，而本身静止不动，不需作机械转动或移动。
如果用高频交流发电机，则其旋转速度必须很高，最高频率也只能达50kHz，但却需要很坚实的机械构造。
2）它产生的是“等幅振荡”，而火花发射机等产生的是“阻尼振荡”。
3）使用方便，灵活性很大，它的功率可自毫瓦级至几百千瓦，工作频率则可自极低频率（例如每分钟几个周波）至微波波段。
一个振荡器必须包括三部分：
放大器、正反馈电路和选频网络。
放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。
正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。
选频网络则只允许某个特定频率f0能通过，使振荡器产生单一频率的输出。
振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的；一个是反馈电压uf和输入电压Ui要相等，这是振幅平衡条件。
二是Uf和Ui必须相位相同，这是相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。
一般情况下，振幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。
振荡器的用途十分广泛，它是无线电发送设备的心脏部分，也是超外差式接收机的主要部分各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等，其核心部分都离不开正弦波振荡器。
功率振荡器在工业方面（例如感应加热、介质加热等）的用途也日益广阔。
正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。
反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。
所谓产生振荡是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。
负阻式振荡器则是将一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。
2.2静态工作点的确定
静态工作点的确定直接影响着电路的工作状态和振荡波形的好坏。
由于振荡幅度稳定下来后，电路必然工作到非线性区，也就是说，可能进入截止区，也可能进入饱和区，静态工作点偏高，易进入饱和区．实践证明：
当晶体管进入饱和区后，晶体管的输出阻抗将急剧下降（由原来的线性工作区几十千欧或几百千欧下降为几百欧姆），使谐振回路Q值大为降低，不仅使振荡波形严重失真，而且频率稳定度大为降低，甚至停振，为了避免上述情况发生，一般小功率振荡器将静态工作点设计得远离饱和区而靠近截止区，所以，c取1～4mA之间。
2.3振荡器的起振条件
振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等，其包含有很宽的频谱分量，在他们通过负载回路时，由谐振回路性质即只有频率等于回路谐振频率的分量才可以产生较大的输出，其他频率分量则不会产生压降，因此负载回路上只有频率为回路谐振频率的成分产生压降，该压降通过反馈网络产生出较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入端，进行放大、反馈，不断地循环下去，谐振负载上将得到频率等于回路谐振频率的输出信号。
在振荡开始时由于激励信号较弱，输出电压振幅较小，经过不断放大、反馈循环，输出幅度不断增大，否则输出信号幅值过小，无任何意义。
为了使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡，可得：
，称为自激振荡的起振条件。
2.4高频功率放大器
高频功率放大器的主要作用是用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器,将直流电源供给的能量转换为大功率高频能量输出,它主要应用于各种无线电发射机中。
信号的放大实质是能量的转换，是将电源提供的直流电能转换为交流信号电能。
大功率的放大器，消耗功率大，所以效率的高低就变得非常重要，这不仅表现在放大器输出相同功率时，高频率工作可以节约直流电源的电能，还在于采用相同器件的条件下高效率工作可以输出更大的功率，所以该电路选用丙类高频放大器。
3.普通三点式振荡器和晶体振荡器
3.1电容三点式振荡器
电容三点式振荡器（也叫考毕兹振荡器），自激振荡器的一种。
图中的L、C1、C2组成谐振回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。
反馈信号从电容器C2两端取得，送回放大器的基极b上，而且是将LC回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，故将这种电路成为电容三点式振荡器。
由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。
因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。
电容三点式：
反馈电压中高次谐波分量很小，因而输出波形好，接近正弦波。
反馈系数因与回路电容有关，如果用该变回路的方法来调整振荡频率，必将改变反馈系数，从而影响起振。
图3.1电容三点式振荡器交流等效电路
电容三点式振荡器适合产生几十兆赫以上的信号，常用来作射频振荡器。
.图3.1是LC振荡回路的等效电路图，从图上可以看到，电路的振荡频率由L、C、C1、C2决定，基极有一个大电容（1000~2000pF），起交流接地的作用。
由于电感和电容的数值都比较小，所以有些情况下三极管的极间电容、电感线圈的匝间电容都不能忽略。
它们对总电容的贡献量大约几个皮法。
设三极管的极间电容以及电感线圈的匝间电容以及其它分布电容的总等效电容为C0，则
在LC谐振回路Q值足够高的条件下，电路的振荡频率为
3.2电感三点式振荡器
电感振荡电路部分振荡器有基本放大器、选频网络和正反馈网络三个部分组成。
图中L1、L2、C组成谐振回路作为晶体管放大器的负载阻抗。
反馈信号从电感L2两端取得，送回放大器的基极b上，而且也是将LC回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，故将这种电路成为电感三点式振荡器。
电感三点式：
便于用改变电容的方法来调整振荡频率，而不会影响反馈系数，但是反馈电压中高次谐波分量比较多，输出波形差。
当回路的Q值较高时,该电路的振荡频率基本上等于LC回路的谐振频率,即
该电路具有如下特点：
1.易起振；
2.调节频率方便；
3.输出波形较差。
图3.2电感三点式振荡器交流等效电路
3.3并联型晶体振荡器
图3.3石英晶体的频率特性图
图3.4石英晶体在谐振频率附近的等效电路
当f>fs时，L-C-R支路呈感性，与Co产生并联谐振。
图示出了一种典型的晶体振荡器电路，当振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时晶体呈感性，该电路满足三端式振荡器的组成原则,而且该电路与电容反馈的振荡器对应,通常称为皮尔斯（Pierce）振荡器。
图3.5并联谐振型晶体振荡电路
由于晶体的品质因数Qq很高,故其并联谐振电阻Ro也很高,虽然接入系数p较小,但等效到晶体管CE两端的阻抗RL仍较高,所以放大器的增益较高,电路很容易满足振幅起振条件。
皮尔斯振荡器的工作频率应由C1、C2、C3及晶体构成的回路决定,即由晶体电抗Xe与外部电容相等的条件决定,设外部电容为CL,则:
Xe-
=0
3.4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。
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。
图3.2.4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。
故当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，串联石英晶体振荡器能够正常工作。
图3.6串联谐振型晶体振荡电路
3.5普通三点式振荡器和晶体振荡器性能比较
电容三点式振荡电路的特点是：
频率稳定度较高，输出波形好，频率可以高达100兆赫以上，但频率调节范围较小。
电感三点式振荡电路的特点是：
频率范围宽、容易起振，但输出含有较多高次调波，波形较差。
石英晶体振荡器能获得很高的频率稳定度是由于石英晶体谐振器与一般的谐振回路相比具有优良的特性,具体表现为:
1、石英晶体谐振器具有很高的标准性。
2、石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小,一般为103到104。
3、石英晶体谐振器具有非常高的Q值。
4.电路设计与仿真
4.1原理电路
图4.1整体原理电路图
4.2仿真结果
用Multisim电子仿真软件对上述电路图进行仿真。
按设计电路和计算出的参数值仿真，得到如下结果。
图4.2仿真结果图
5.实际电路与输出波形
根据本次课程设计的要求我们进行了实物制作。
我们买的元件中也有坏的，这些给我们后来的调试造成了很大的障碍。
我们进行实物调试的时候，我们检查了所有元件，然后换掉了坏掉的元件。
最终，经过不懈的努力，我们把实物调试好了。
图5.1实物图
图5.2实物调试图
图5.3克拉勃电路输出波形图
图5.4西勒电路输出波形图
图5.5晶体振荡电路输出波形图
6.心得体会
高频电子线路是一门同学们普遍反映很难学的专业基础课，所以在这次课程设计中，难免会遇到不少问题。
首先就是对教材中提到的相关元件的概念、作用、以及参数等不是很熟悉。
在做本次课程设计之前我又重新翻看了一遍教材，巩固了以前一些模棱两可的知识点，也有了许多新的发现与感受，在理论上对自己进行了一次全新的武装。
在设计过程中，也遇到了很多或大或小的问题。
首先是对所运用仿真软件的不熟悉，比如开始使用时找一个相关的元件要花好长时间，以及元件参数设置也不是很熟，不过通过一段时间的磨合这些问题都克服了;然后就是理论知识的匮乏问题，通过同组同学之间的互相讨论，以及去图书馆和上网查阅相关资料，最终顺利的解决了问题，也顺利的完成可本次课设。
本次选题的三点式看似十分简单，然而缓冲级的设计却有很大的拓展空间。
在这方面，参考资料显得十分重要。
课本上只是简单的介绍西勒振荡器的基本原理，而跟多的任务要求实现需要我们去查阅资料和联系各个知识点。
通过这次设计我对各种元件的识别和测试有了更深的了解，本次课程设计对我们专业知识的运用进行了一次全面的考核与检测。
经过这次课程设计，让我对前面的路有了更多的信心，因为在这个过程中，我学到了不少实用的东西，对于高频电子电路有了更深层次的掌握，并且提高了独立解决问题的能力。
虽然这次课程设计中我对电路进行了仿真，进一步熟悉了Multisim软件的使用，对建立文件、绘制电路图、对其进行仿真等一系列过程都更加熟练，并且认真的对电路的每一部分进行了修正，但最后出来的波形还是不很稳定。
我们在学习理论知识的同时还要努力培养自己的动手操作能力，对于通信工程的我们更是如此，通过这次课程设计我也看到了自己的差距，今后会努力提高自己的动手操作能力，以求真正领会各种专业知识，为将来的工作打下良好的基础。
7.参考文献
[1]吴友宇，伍时和，凌玲．模拟电子技术基础．清华大学出版社，2009.5
[2]曾兴雯，刘乃安.高频电路原理与分析.西安电子科技大学出版社，2006.8.
[3]于洪珍.通信电子电路.清华大学出版社，2005.8.
[4]姜威.实用电子系统设计基础.北京理工大学出版社，2008.1.
[5]高吉祥.高平电子线路.电子工业出版社.2007.1
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别别
专业、班级
04
课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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