石英晶体振荡器电路设计.doc

辽 宁 工 业 大 学 高频电子线路 课程设计论文题目：石英晶体振荡器电路设计院系： 电子与信息工程学院 专业班级： 学 号： 学生： 指导教师： 起止时间： 2014.6.16-2014.6.27 课程设计论文任务及评语院系：电子与信息工程学院 教研室： 电子信息工程学 号学生专业班级课程设计论文题目石英晶体振荡器电路设计课程设计论文任务要求：1设计一个石英晶体振荡器 2能够观察输入输出波形。3观察振荡频率。参数：振荡频率10000HZ左右。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成假设干子系统或单元电路，逐个设计。4 .组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。指导教师评语及成绩平时成绩(20%)： 论文成绩(50%)： 答辩成绩(30%)： 总成绩： 学生签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量50% 答辩30% 以百分制计算目 录第1章 绪论1石英晶体振荡器1设计要求1第2章 石英晶体振荡器设计电路2石英晶体振荡器总体设计方案2具体电路设计2串联型晶体振荡器2并联型晶体振荡器4输出缓冲级设计5元件参数的计算5软件仿真6串联型振荡器输出测试6并联型振荡器输出测试7第3章 课程设计总结9参考文献10附录 总体电路图11附录 元器件清单12第1章 绪论石英晶体振荡器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，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。设计要求1设计一个石英晶体振荡器 2能够观察输入输出波形。3观察振荡频率。4. 参数：振荡频率10000HZ左右。第2章 石英晶体振荡器设计电路石英晶体振荡器总体设计方案本次设计首先以NPN型晶体管2N2222和10M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，综合设计出一个通过跳线可实现串并联转换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出对应的缓冲输出级，将两部分连接之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实物的连接和调试，从而完成整个正弦波振荡器的设计。根据设计要求，该晶体振荡器通过跳线能够实现串联谐振和并联谐振晶体振荡器的转换，通过比较并联谐振晶体振荡器和串联谐振晶体振荡器的原理可以发现，串联型晶体振荡器同c-b型并联晶体振荡器结构类似，二者同为电容三点式反馈振荡器。晶体在并联和串联振荡器方式下作用不同，在并联方式下，要求晶体工作于感性区，其等效电感与外部电容构成振荡回路，该回路满足电容三点式条件，而在串联谐振振荡器中晶体则充当选频短路线作用，因晶体Q值很高，通频带很窄，而频率选择性很高，可以从振荡回路中选出频率为晶体振荡频率的谐波，反馈至振荡器的输入，从而使振荡器输出频率稳定的正弦波。假设将晶体短路，则电路变成电容三点式振荡器，并且可以正常起振。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2.1和图2.2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。 图2.1 串联型晶体振荡器实际电路图2.2 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。2.2.2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2.3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2.4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2.3 c-b型并联晶体振荡器实际线路图2.4 c-b型并联晶体振荡器等效线路2.2.3输出缓冲级设计常用的输出缓冲级是在电路的输出端加一射极跟随器，从而提高回路的带负载能力。射极跟随器的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大倍数略低于1，带负载能力强，具有较高的电流放大能力，它可以起到阻抗变换和极间隔离的作用，因而可以减小负载对于振荡回路的影响，射极跟随器的典型电路如图2.5所示。图2.5 输出缓冲级电路输出缓冲级主要完成对所产生的振荡信号进行输出，不管是并联谐振正弦波晶体电路还是串联谐振晶体电路，它们的带负载都不是很强，负载值改变时可能造成振荡器的输出频率变化，也可能影响振荡器的输出幅度，输出缓冲级的作用就是提高整个振荡器的带负载能力，即使振荡器的输出特性不受负载影响，或影响较小。元件参数的计算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，假设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、R3、R8决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图所示。图2.6 直流通路等效电路如图，R2=400，=45则Vb=2.5V，Ie=4.5mA,Ib=100uA,符合射级要求。为了调节方便，在R1处在串联一电位器，最大阻值为10K。对于振荡器，当该电路接为串联型振荡器时，晶体起到选频短路线的作用，输出频率应为10MHZ，不妨取L1=1uH,则由f0=2pF pF，则取C2=300pF，C3=1600pF.为了便于调节C2由一定值电阻和可变电阻并联而成。当该电路接为并联型振荡器时，晶体起到等效电感的作用，此时工作频率介于两谐振频率之间。同时为了提高振荡器的带负载能力，应附加一个缓冲输出级，本设计中使用的是一个射级跟随器。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电源去耦电容和高频扼流圈，一般取电解电容C=100nF，瓷片电容C=10 nF，扼流圈L=330mF。Multisim软件仿真在Multisim软件环境下进行仿真，此时开关J1上端接通，下断开，J2全部断开，形成串联型振荡器，为了便于观察振荡器工作时各部分电路的工作情况，分别在振荡器输出端和缓冲级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 串联型振荡器输出波形从图中可以看出，输出波形为正弦波，幅值为Vo=1.535V，输出频率f=9.85MHZ，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。并联型振荡器输出测试在Multisim软件环境下进行仿真，此时开关J1上端断开，下端接通，J2接通，形成并联联型振荡器，为了便于观察振荡器工作时各部分电路的工作情况，分别在振荡器输出端和缓冲级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2.8所示。图2.8 并联型振荡器输出波形从图中可以看出，输出波形为正弦波，幅值为Vo=1.554V，输出频率f=10.08MHZ，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。第3章 课程设计总结本次课设是完成一个高频晶体正弦波振荡器的设计，首先在Multisim软件环境下进行电路原理图的设计、绘制和仿真，然后对电路中的各个部分进行调整修改，按照设计的电路原理图完成实物的连接，连接后在实验室不断地调试、修改，最后得到设计要求的输出波形。此次高频课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格，需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案，然后逐步细化进行各模块的设计；其次，在电路仿真的过程中总会出现一些问题，需要我们细心解决，所以这周下来，我对电路故障的排查能力有了很大的提高；再次，通过此次课程设计，我对设计所用到的软件有了更加深刻地了解，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。当然，经过了课程设计，我也发现了自己的很多不足。但是通过自己的动手动脑，既增加了知识，又给了我专业知识以及专业技能上的提升，我也会更加努力，认真学习，争取在以后的课程中做得更好！在这次课设中，我首先要感谢学校给我们提供的时机，其次我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供应我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把设计做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。最后，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。参考文献1 曾兴雯、刘乃安、陈建高频电路原理与分析西安：线电子科技大学出版社，2007.9 2 刘泉通信电子线路北京：高等教育出版社，2005.53 林嘉瑞高频电路原理北京：电子工业出版社,2003.14 高吉祥高频电子线路北京：电子工业出版社，2005.75 刘骋高频电子技术北京：人民邮电出版社，2006.56 张肃文高频电子线路北京：高等教育出版社，2004.8 附录 总体电路图附录 元器件清单名称型号数量电阻2电阻1电阻4001电阻3301电阻1001电位器10K1瓷片电容1033瓷片电容1011瓷片电容1041瓷片电容2711瓷片电容1521电解电容100uF/16V1可变电容60pF1电感1uH1电感330uH2晶振10M2三极管2N22222拨码开关2