西南科技大学 课 程 设 计 报 告 课程名称： 高频电子线路课程设计 设计名称： 晶体 振荡器的设计与制作 姓 名： 何坤林 学 号 : 20130325 班 级： 电子 1301 指导教师： 李艳 魏 冬梅 侯 宝临 起止日期： 2015.12.14 - 2016.1.4 西南科技大学信息工程学院制 课 程 设 计 任 务 书 学生班级： 电子 1301 学生姓名： 何坤林 学号： 20130325 设计名称： 晶体 振荡器的设计与制作 起止日期： 2015.12.14-2016.1.4 指导教师： 李艳 侯 宝临 魏 冬梅 设计要求： 设计晶体振荡器，与后级电路有良好的隔离，振 荡信号幅度 200mV； 振荡频率： f =24MHz 课 程 设 计 学 生 日 志 时间 设计内容 2015.12.14-2015.12.18 查阅资料， 初步 确定方案 2015.12.19-2015.12.22 确定 设计总体方案 2015.12.23-2015.12.25 仿真原理电路， 领取器件 2015.12.26-2015.12.28 焊接调试 2015.12.29-2016.1.1 调整参数 ，修改部分电路 2016.1.2-2016.1.3 撰写课程 设计报告 2016.1.4 答辩 课 程 设 计 考 勤 表 周 星期一 星期二 星期三 星期四 星期五 课 程 设 计 评 语 表 指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日 晶体振荡器的设计与制作 一、 设计目的和意义 1.掌握高频电子线路的基本设计能力及基本调试能力。 2.掌握晶体振荡器的静态偏置、电路原理以及振荡幅度、振荡频率相关知识点 。 3.提高电子电路的理论知识及较强的实践能力，能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。 二、 设计原理 1.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=0, 1, 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 AF1,则 Xf Xi，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 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 1 自激振荡器方框图 2.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 AF l 的要求 ， 实际电路中 F 取 1/2。 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 输 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 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。所以振荡器的振幅只能增大到某种程度，此后形成等幅振荡波形输出。 3.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。 4.振荡器 类型 选择 1.石英 晶体谐振器的等效电路 图 2 等效 电路 图 3 电抗 频率特性 从石英 晶 振 的 等 效图可以看出，石英晶体有两个谐振频率，串联谐振频率 fs 和并联谐振频率 fp。 qs LCf 2 1 (1) 000121CCfCCCCLfqsqqp (2) 2.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显示出了串联型振荡器的实际电路。可以看出， L1 和 电容 C2和 C3 并联 谐振， 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LC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，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。 所以 ，调节 LC 回路 的谐振频率 是 振荡电路能否正常工作 的 关键 因素。 图 4 3. 并联晶体振荡器的典型电路如图 5 所示， 三极 管的基极对高频接地，晶体接 c.b感 性 容 性 容 性 X fq fs R1 R2 R3 C1 C2 C3 C5 X1 Q1 VCC R4 65 % C4 L1 极 之间， C2 和 C3为反馈 电容 ，振荡器的 交流 等效 回路 如图 6 所示，它 为皮尔斯 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 c-e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 。 为了 使振荡电路 简单化，此次设计 采用并联晶 体 振荡器， 共 基极的电压放大电路 ， 发 射极输入，集电极输出， 不 使用 电感 ， 简化计算过程。 图 5 图 6 三、 详细设计步骤 1. 确定三极管静态工作点 (图 5) 三极管 的输出特性曲线如图 7 所示 ： R1 R2 Re C1 C2 C3 C6 X1 C7 11 % VCC Q1 R4 35 % Rc Re C2 C3 X2 C7 11 % Q2 图 7 s9014 三极管输出 特性曲线 图 8 基 极分压式偏置电路 （ 开关 K2不 闭 合 ） 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 取 CQI =0.5 5mA 之间 ， 在 这里我选取 ICQ=1.66mA， V7VCEQ ， 172 则有 ： KI VVRR CQ CEQCCce 366.1 712 (3) 取 KRKR ce 2,1 ,则 : VRIV eCQEQ 66.1166.1 (4) 由CQBQ II 得 ： AmAIBQ 65.917266.1 , VVVV EQBQ 36.27.0 (5) 流过 R1 的 电流 满足 211 , bbBQb IIII ,且 VRR RVV CCBQ 36.221 2 ， 所以 取 KRKR 10,40 21 8661EQTbbbe IVrr (6) 电压 增益 Av ： 21000173866 100021721 / ebe LCio Rr RRVVA (7) 满足 振幅 稳定条件 1=AFT 。 2. 交流 参数的确定 (图 5) 图 1-4 中 C2、 C3、 C7组成 石英晶体振荡器的负载电容 ， 设为 CL： 727332732 CCCCCC CCCC L (8) 并联 电路谐振频率为： LqsLqLOq CCCfCCCCCCLf 000 121(9) 并联 晶体 振 荡器 谐振 时等效为电感，频率变 化 在 fsfq之间 ， f0 接近 于 fs， 且qLq CCCC ,0 ， C0、 Cq为 晶 体 振 荡 器 内部等效电容 参数 ， 不作设计， 由 公式（ 8）可 知， 要求 CL非常 大，则 C7远 小于 C2、 C3， 又 因为反馈系数2123 CCF， 取 C2 = 60pF, C3=30pF。 四、 设计结果及分析 1.multisim仿真 电路图 图 9 仿真 电路图 C1、 C2为 反馈电容，信号从发射极输入，集电极输出， C4为 可调电容，对频率 作 微小改变， 其余 电阻为工作电阻，为 三极管 提供工作电压和电流， C6、 C3