1、1 PSPICE 仿真石英晶体振荡电路 作者：陈拓 2011年1月1日 1. 概述 多谐振荡器常用来生成脉冲信号和时钟信号。 多谐振荡器是一种自激振荡电路。因为没有稳定的工作状态，多谐振荡器也称为无稳态 电路。多谐振荡器的工作过程可以这样简述，如果一开始多谐振荡器处于0 状态，那么它在 0 状态停留一段时间后将自动转入 1 状态，在 1状态停留一段时间后又将自动转入0 状态， 如此周而复始，输出矩形波，所以多谐振荡器也称矩形波发生器。由于在矩形波中基波之外 的谐波分量很多，多谐振荡器也因此而得名。 在频率稳定度要求高的场合通常采用石英晶体振荡电路构成多谐振荡器。 频率稳定度一般用频率的相对变
2、化量f/f0 来表示，f0 为振荡频率，f为频率偏移。频 率稳定度有时附加时间条件，如一小时或一日内的频率相对变化量。 多谐振荡器通过 LC 电路选频可以构成正弦波振荡电路。在石英晶体振荡电路中，用石 英晶体取代 LC 振荡电路中的 L、C 元件组成的正弦波振荡电路，其频率稳定度可高达 10 9 至 10 1 。 影响 LC 振荡电路振荡频率的因素主要是 LC 谐振回路的 Q 值，Q值越高，选频特性越 好，频率越稳定。一般 LC 振荡电路的 Q 值只有数百，而石英晶体的 Q 值很高，可达到数 千至数万，因而石英晶体具有优良的选频性能。 2. 反馈振荡器的工作条件 振荡器是一个反馈电路，一个反馈
3、振荡器电路必须满足三个条件：起振条件（保证接通 电源后能逐步建立起振荡）, 平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）和稳定条 件（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏）。 2.1 平衡条件 反馈振荡器的组成方框图如下。 图1 反馈振荡器的组成方框图2 随着振荡幅度的增长， 放大器的动态范围就会延伸到非线性区，放大器的增益将随之下 降，振幅越大，增益下降越多，最后当反馈电压正好等于原输入电压时，振荡幅度不再增大 而进入平衡状态。 放大器开环电压增益和反馈系数的表示式分别为： i o U U A pp. 74-79 * * and: * * Electronics Designers
4、 Handbook, Second Edition * edited by L.J. Giacoletto * McGraw-Hill Book Co., 1977, pp. 16-16 to 16-31 * Example use: X3 3 4 QZ32768 * Notes: * 1) Temperature variation of resonant frequency for properly cut * crystals is quadratic. The coefficient depends on the cut used * and is implemented in the
5、se subcircuits by giving the equivalent * inductor a temperature coefficient. The AT cut is an exception, * and has a cubic temperature dependence which is not included in * these models. * 2) The values of lqz, cs, and cp do not vary much from one crystal * to the next. The value of rqz, however, c
6、an vary as much as a * factor of 2 up or down. So the crystals Q can vary over a27 * range of 4 to 1. * 3) Parallel resonant crystals can be tuned slightly by attaching an * external capacitor in parallel with the crystal. The crystals * frequency is built assuming a value of the external capacitor,
7、 * called the “calibration capacitance“. Its value is noted in * the comment at the head of each parallel resonant crystal model. *$* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - * 32768 hertz watch crystal, XY cut, series resonant, Q=81780 * .subckt QZS32768 1 2 * lqz
8、 1 11 lmod 4448.72259 .model lmod ind(tc2 = 8.68e-8) cs 11 12 5.30279780e-015 rqz 12 2 11.2k cp 1 2 1.84pf .ends *$* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - * 100khz frequency standard, DT cut, parallel resonant, Q=20000 * calibration capacitance = 5pf .subckt QZP
9、100K 1 2 * lqz 1 11 lmod 588.873289 .model lmod ind(tc2=3.5e-8) cs 11 12 4.30423941e-015 rqz 12 2 18.5k cp 1 2 1.72169576e-012 .ends *$* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - * 100khz frequency standard, DT cut, series resonant, Q=20000 .subckt QZS100K 1 2 * lqz
10、 1 11 lmod 588.873289 .model lmod ind(tc2=3.5e-8) cs 11 12 4.30148495e-015 rqz 12 2 18.5k cp 1 2 1.72059398e-012 .ends *$* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - * 1Mhz frequency standard, AT cut, parallel resonant, Q=25000, * calibration capacitance = 13pf .subc
11、kt QZP1MEG 1 2 * lqz 1 11 2.54647909 cs 11 12 9.95357648e-015 rqz 12 2 640 cp 1 2 2.48839412e-012 .ends *$* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - * 1Mhz frequency standard, AT cut, series resonant, Q=25000 .subckt QZS1MEG 1 2 * lqz 1 11 2.5464790928 cs 11 12 9.9
12、4718394e-015 rqz 12 2 640 cp 1 2 2.48679599e-012 .ends *$* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - * 3.579545Mhz color burst, AT cut, parallel resonant, Q=25000, * calibration capacitance = 18pf .subckt QZPCBRST 1 2 * lqz 1 11 .0555779237 cs 11 12 3.56169600e-014
13、rqz 12 2 50 cp 1 2 8.90424001e-012 .ends *$* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - * 10Mhz frequency standard, AT cut, parallel resonant, Q=25000 * calibration capacitance = 50pf .subckt QZP10MEG 1 2 * lqz 1 11 2.54647909e-003 cs 11 12 9.96041181e-014 rqz 12 2 6
14、.4 cp 1 2 2.49010295e-011 .ends *$* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - * 10Mhz frequency standard, AT cut, series resonant, Q=25000 .subckt QZS10MEG 1 2 * lqz 1 11 2.54647909e-003 cs 11 12 9.94718394e-014 rqz 12 2 6.4 cp 1 2 2.48679599e-011 .ends *$* - - - -
15、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - * end of library file 在每个模型中，lqz、cs、rqz 和 cp 分别对应图 8 石英晶体等效电路中的 L、R、C 和 C0。仿真其他频率石英晶体比较简单的方法就是改变这些参数，当然你也可以创建自己的 模型库进行仿真。 下面我们通过改变QZP1MEG 的参数仿真 2M 的石英晶体。 数据来自表 1， 修改部分如下： * - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
16、 - - - - - - - - * 1Mhz frequency standard, AT cut, parallel resonant, Q=25000, * calibration capacitance = 13pf .subckt QZP1MEG 1 2 * lqz 1 11 0.529 cs 11 12 12e-015 rqz 12 2 100 cp 1 2 4e-012 .ends 图 50 是仿真结果及波形测量。在图中利用标尺工具测量周期为 500.000nS，对应的频率为 2MHz。29 图50 2M晶振仿真结果 8.5 用参数仿真分析各元件值变化对振荡器的影响 为了分析 C
17、1 值的变化对电路的影响，我们先将 C1 的值用参数表示，见图51。 图51 用参数表示C1的值 添加一个仿真配置文件，命名为 Parametric，先进行常规设置，与 8.3 节相同见图 52。 图52 常规设置30 再进行参数扫描设置，见图 53。 图53 参数扫描设置 图 54 是参数扫描仿真结果，可以看到，随负载电容 C1 的增大，波形的幅度减小，相 位有改变。 图54 参数扫描仿真结果 为节省篇幅，其他元件参数值变化对电路的影响在这里就不再做了，读者可自行练习。 8.6 用非门整形输出 石英晶体振荡器产生的波形是正弦波，而数字电路中的时钟需要矩形波，我们可以用非 门整形输出矩形波。画电路图时需要添加 74hc.olb 符号库才可以找到 74HC 电路，见图 55。 图55 添加74HC数字电路库
