1、*科技大学课 程 设 计 报 告课程名称： 高频电路课程设计 设计名称： 晶体振荡器的设计与制作 姓 名： 学 号: 班 级： 电子 1002班 指导教师： 起止日期： 2012.12.24-2013.1.6 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 1002 班 学生姓名： 学号： 设计名称： 晶体振荡器的设计与制作 起止日期： 2012.12.24-2013.1.6 指导教师： 设计要求：考察知识点：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的掌握。设计内容：设计晶体振荡器，与后级电路有良好的隔离，振荡信号幅度500mV；振荡频率：a： MH
2、zf60b： 12c： zf40课 程 设 计 学 生 日 志时间 设计内容课 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、 设计目的和意义振荡器是一种能量转换器，它不需要外部激励就能自动地将直流电源共给的功率转换为制定频率和振幅的交流信号功率输出，凡是能完成这一功能的装置都可以作为振荡器。振荡器一般由晶体管等有源器件和某种具有选频能力的无源网络组成。石英晶体振荡器（quatrz oscillator） ，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
3、便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以取代 LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。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 11.0 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。二、 设计原理1、反馈振荡器振荡的基本原理2、振荡器的条件a)、起振条件保证接通电源后能逐步建立起振荡反馈电压
4、幅度必须大于输入电压幅度，即：T（ 0）1反馈电压相位必须与放大器输入相位相同正反馈。 T=2nb)、平衡条件保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态T（ 0）=1 T=2nc)、稳定条件 保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏在 0附近 T（ 0）的变化率为负值在 0附近相位的变化率为负值3、石英晶体振荡器石英晶体的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值 (等效于 L/C)，因而它的品质因数 Q 高达 10000500000 的范围内。等效电路中元件的典型参数为：Co 分布电容很小：几 pF几十 pF，L：几十 mH几百 mH，C 动态电容：0.0002 pF 0.1pF。如图所示。由等效电路
5、可知，石英晶体有两个谐振频率，即（1）L-C-R 支路串联谐振（2）当 ffs时，L-C-R 支路呈感性，与 Co产生并联谐振。由于 CoC，故 fPf S.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。4、串联型晶体振荡器LQ1ReC1C21 2Y1C3
6、Rb2CbRb1VCGNDCcRcCGND LQ1ReC1C21 2Y1C3GND原理电路 交流等效电路LC 回路一定要调谐在石英谐振器的串联谐振频率上。5、并联型晶体振荡器c-b 型电路 b-e 型电路Q1Re RLC1C2 12Y1C3Rb2CbRb1LcVCGNDCc Q1ReRLC1C2 12Y1C3皮尔斯原理电路 交流等效电路C3 用来微调电路的振荡频率，使其工作在石英谐振器的标称频率上，C1、C2、C3 串联组成石英晶体谐振器的负载电容 CL 上，其值为CL=C1C2C3/(C1C2+C2C3+C1C3)由于 Cq/ (C0+CL)1，故皮尔斯振荡器的振荡频率非常接近串联谐振频率。
7、三、 详细设计步骤1、 电路的选择晶体振荡电路中，与一般 LC 振荡器的振荡原理相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡电路之中，作为一感性元件，与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据实际常用的两种类型，电感三点式和电容三点式。常用电路简单结构如图 3.1.1 和 3.1.2 所示。由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性荣性之间有一条极陡峭的感抗曲线，而振荡器又被限定在此频率范围内工作。该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。所以它具有很高的稳频能力，或者说具有很高的电感补偿能力。因此选用 c-b 型皮尔斯电路进行制作。R210k
8、R3510R46.8kQ12N3904VCC12VR1100kKey=A35%C120pFC2120pFL110HC4 0.01FC530pFX1HC-49/US_7MHzR610k工作电路2、选择晶体管和石英晶体根据设计要求，按公式 max= 8rbCcT(210) H=（24120MHz）选择高频管 2N3904型晶体管作为振荡管。查手册其参数如下： T =300MHz；40，取 =60；NPN 型通用；额压：20V；Icm=20mA；Po= 0.1W； T / =5 MHz。石英谐振器可选用 HC-49S系列，其性能参数为：标称频率 。=6 MHz；工作温度：-40+70；25时频率偏差
9、：士 310-6士3010-6；串联谐振电阻：60 ；负载电容：C L=10PF,激励功率：0.010.1mW。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Rb1、R b2、R e、R 决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图 4-7 所示。Q1ReRb2Rb1VCGNDR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。取
10、 ICQ=0.55mA,若取 VCC=12V,ICQ=2mA,VCEQ=0.8VCC10V,则有Re=VCC-VCEQ / ICQ=(12-10)V/2mA=1k (3.1.1)IBQ=ICQ /=2mA / 50=0.04mA若取流过 Rb2的电流 Ib2为 10 IBQ，则 Ib2=10 IBQ=0.40mA，则取：VBQ= Rb2 *VCC / (Rb1+Rb2) V EQ +0.7V=2V+0.7V=2.7V (3.1.2)Rb2= VBQ / Ib2 =2.7V/0.40mA=6.75k, Rb1 =23.25 k (3.1.3)实际电路中，R b1用 6.5 k 与 50 k 电位
11、器串联，R b2取 6.5 k，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 6MHZ，则由晶振参数知负载电容 CL=10pF，即 C2，C3，C1 串联后的总电容为 10 pF 根据负载电容的定义， CL=1/(1/C1,2)+1/C3由反馈系数 F=C1/C2 和 C1,2=C1C2/C1-C2 两式联立解，并取 F=1/2则 C1=51pF，C2=100pF，C3=30pF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。四、 设计结果及分析仿真电路R210kR31kR46.8kQ12N3904VCC12VR
12、1100kKey=A35%C150pFC2100pFL110HC4 0.01FC520pFX1HC-49/US_7MHzJ1Key = A C330pFKey=A30% RL10kXSC2A BExt Trig+_ + _调整改进R210kR31kR46.8kQ12N3904VCC12VR1100kKey=A35%C150pFC2100pFL110HC4 0.01FC520pFX1HC-49/US_7MHzQ22N3904R550kKey=A5%R6510R755kR810kJ1Key = A C330pFKey=A30%XSC1Tektronix1 2 3 4 TGPXFC1123Probe
13、1V: 1.26 V V(p-p): 3.35 VV(rms): 2.20 V V(dc): 1.82 VI: 78.2 uA I(p-p): 570 uAI(rms): 186 uA I(dc): 33.6 nAFreq.: 6.09 MHzProbe2V: 109 mV V(p-p): 527 mVV(rms): 288 mV V(dc): 210 mVI: I(p-p): I(rms): I(dc): Freq.: 6.09 MHz实物电路输出稳定正弦波，频率和幅度均达到了课题要求，但是幅度大小调节不方便，故作出以下改进R26.5kR31kR46.5kQ12N3904VCC12VR110
14、0kKey=A35%C1100PFC21nFL110HC40.01FX1HC-49/US_7MHzQ22N3904R55kKey=A5%R6510R71kR810kJ1Key = A C330pFKey=A50%XSC1Tektronix1 2 3 4 TGPXFC1123C5200PFR920kProbe2V: V(p-p): V(rms): V(dc): I: I(p-p): I(rms): I(dc): Freq.: Probe1V: V(p-p): V(rms): V(dc): I: I(p-p): I(rms): I(dc): Freq.: 通过改变滑动变阻器 R1 可以调节静态工作
15、点，调整 R5 可以改变输出波形幅值的大小。输出波形由仿真输出波形可知，输出波频率为 6.08MHZ，幅度为 3.3V，可以通过改变滑动变阻器来调整输出幅度的大小满足设计的要求500mV，频率和幅度均满足设计要求的指标。根据老师提供的元器件在实物制作中做了一些微调。测试得输出标准正弦波频率5.998MHZ0.01,幅度500mV 可调，且在该电路中其输出频率几乎不受外围电路的影响，严格按照石英晶体振荡器的频率工作，到达了设计的要求指标。在实物调试时，出现波形不稳定时显时不显，在老师的指导下找到原因，在某个元件的焊点出现了虚焊造成输出不稳定，对于高频电路来说这是个很关键的因素。经过不断调式、改进
16、，最终达到了理想的输出信号。在一级放大后加一级射极跟随器，其输入电阻很大起隔断后级对前级影响的作用，同时增大了带载能力，实现了输出幅值可调，满足并提高了设计要求指标。PCB 制作Q1Re RLC1C212Y1C3Rb2Rb1LcVCGNDCc Q2R1R21KR11KR2S112P112P212P3VCGNDOUT2OUTOUT1底层 顶层附铜器件清单电阻 6.8K 210K 21K 1510 1100K变阻 15K变阻 150P 1100P 120P 130P可调电容 1电容0.01u 1电感 10uH 1三极管 2N3904 2晶振 6MHZ 1排针 4五、 体会通过本次课程设计使自己进一
17、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。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
18、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心得与体会以及对设计情况的总结，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，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。六、 参考文献1、 沈伟慈编.通信电路.西安电子科技大学出版社，20042、邹传云编.高频电子线路.北京：清华大学出版社，2012 年 6月3、张肃文，陆兆熊.高频电子线路高等教育出版社.1999.104、杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计. 哈尔滨工程大学. 2005
