晶体振荡器说明书.pdf-资料库

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《通信电子线路》课程设计说明书晶体振荡器学院：电气与信息工程学院学生姓名：易 X 指导教师：伍 XX 职称/学位讲师专业：通信工程班级：通信 1301 班学号：完成时间： 13304401XX 2016 年 1 月

摘要石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号，晶体振荡器具有正反压电效应。当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固有的机械振荡频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面的电荷量很多，外电路的交流最强，于是产生了谐振。设计中对利用石英晶体构成的正弦波的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的原理做了详细的介绍并通过 Multisim 软件设计，仿真出并联型的石英晶体振荡器，最后按照原理图进行实物的连接、调试和参数的计算。关键词：石英晶体；振荡器；Multisim 仿真 II

目录 1 绪论..........................................................................................................................1 1.1 设计目的........................................................................................................1 1.2 设计任务........................................................................................................1 1.3 主要技术指标................................................................................................1 2 设计思路..................................................................................................................2 3 硬件电路设计..........................................................................................................3 3.1 并联型晶体振荡器的设计............................................................................3 3.1.1 并联型晶体振荡器的设计思想......................................................3 3.1.2 并联型晶体振荡器的设计..............................................................3 4 电路元件及参数确定..............................................................................................6 4.1 晶体振荡电路元件及参数的确定................................................................6 5 电路仿真..................................................................................................................7 5.1 晶体振荡器电路仿真原理图........................................................................7 5.2 仿真结果........................................................................................................7 6 电路的制作与调试..................................................................................................9 6.1 晶体振荡器电路的制作................................................................................9 6.2 晶体振荡器电路的调试................................................................................9 6.2.1 调试过程及调试结果......................................................................9 6.2.2 误差分析..........................................................................................9 6.3 调试中注意事项..........................................................................................10 6.3.1 测试点选择....................................................................................10 6.3.2 调试方法........................................................................................10 结束语..........................................................................................................................11 参考文献......................................................................................................................12 致谢..........................................................................................................................13 附录..........................................................................................................................14 附录 A 元件清单...............................................................................................14 附录 B 电路原理图...........................................................................................15 附录 C 电路实物图...........................................................................................16 III

1 绪论 1.1 设计目的 1.通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《高频电子线路》中所学到的理论知识和实践技能，掌握常用电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力。 2.掌握电子电路分析和设计的基本方法，根据设计任务和指标初选电路，调查研究和设计计算确定电路方案，选择元件，安装电路调试改进，分析实验结果，写出设计总结报告。 3.通过严格的科学训练和设计实践，逐步树立严肃认真，一丝不苟，实事求是的科学作风，能对实验结果独立的进行分析，进而做出恰当的评价。 1.2 设计任务设计一个晶体振荡器。 1.3 主要技术指标已知条件：电源电压主要技术指标：晶振频率 10MHz，输出信号幅度≥0.5V（峰-峰值），输出信 Vcc 12 V 号电压可调。 1

2 设计思路石英晶体构成的正弦波振荡器的基本电路有两类，一类是并联型晶体振荡器，石英晶体作为高 Q 电感元件与回路中的其他元件形成的；另一类是串联型晶体振荡器，石英晶体工作在串联谐振状态，作为高选择性短路元件。设计中首先以 NPN 型晶体管 9014 和标称频率为 10MHz 的石英晶体为基分别设计不同形式的串并联型振荡器，通过对不同形式的串联型振荡器和并联型振荡器做出比较之后，综合设计出一个并联型的石英晶体正弦波振荡器，根据任务书的基本要求设计电路，然后根据设计图的基本形式和设计的主要技术指标计算出各元器件的参数和性能，用 Multisim 对设计出的电路图进行调试，从而完成整个晶体振荡器的设计。 2

3 硬件电路设计振荡器电路属于一种信号发生器类型，即表现为没有外加信号的情况下能自动生成具有一定频率、一定波形、一定振幅的周期性交变振荡信号的电子线路。振荡器起振时是将电路自身噪声或电源跳变中频谱很广的信号进行放大选频。此时振荡器的输出幅值是不断增长的，随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区或者截止区，其增益逐渐下降，当放大器的增益下降而导致环路增益下降到 1 时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡，进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态后，直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。 3.1 并联型晶体振荡器的设计 3.1.1 并联型晶体振荡器的设计思想 1.起振条件：为了确保振荡器能够起振，设计的电路参数必须满足 1| FA 0 1AF 时，振的条件。而后，随着振荡幅度的不断增大， 0A 就向 A 过渡，直到荡达到平衡状态。显然， FA0 越大于 1，振荡器越容易起振，并且振荡幅度也较大。但 FA0 过大，放大管进入非线性区的程度就会加深，那么也就会引起放大管输出电流波形的严重失真。所以当要求输出波形非线性失真很小时，应使 FA0 的值稍大于 1。式（1）和（2）分别称为振荡器起振的相位条件和振幅条件： | n2  (n=0，1，2，...)   F A 1 0 FA （1）（2） 2.平衡条件：振荡建立起来之后，振荡幅度不会无限制地增长下去，因为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，振荡幅度越大，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。平衡条件是研究振荡器的理论基础，利用振幅平衡条件可以确定振荡幅度，利用相位平衡条件可以确定振荡频率。式（3）、（4）即为相位平衡条件和振幅平衡条件：    F A | T FA  0 n2 1|  (n=0，1，2，...) （3）（4） 3.1.2 并联型晶体振荡器的设计并联型晶体振荡器主要有两大类。C—B 型（亦称皮尔斯）晶体振荡器和 B —E 型（亦称密勒）晶体振荡器。综合各方面因素，设计中的振荡器采用皮尔斯晶体振荡器。设计电路的原理电路分别如图 1 所示。 3

图 1 皮尔斯晶体振荡电路由图 1 可见，石英晶体与外部电容 1C 、 3C 、 4C 并联谐振回路，它在电路中起电感作用，构成改进型的电容三点式 LC 振荡器，电路中 1C 可用可调电容代替（实际电路用的是固定电容），用来微调电路的振荡频率，使振荡器振荡在石英晶体的标称频率上， 1C 、 3C 、 4C 串联组成石英晶体的负载电容 LC 。射极跟随器射极跟随器又叫射极输出器，是一种典型的负反馈放大器。其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强，在此设计中主要用它连接两电路，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用，避免负载变化对振荡电路的影响。设计中的射极跟随器电路图如图 2 所示。由图 2 可知， 3R 和 4R 是偏置电阻， 5C 是耦合电容。信号从基极输入，从发射极输出。晶体管发射极接的电阻 5R ，在电路中具有重要作用，它好像一面镜子，反映了输出、输入的跟随特性。整合并联型晶体振荡器和射极跟随器，最终电路原理图见附录 B。 4

图 2 射极跟随器电路图 5

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