protel石英晶体振荡器课程设计
石英晶体振荡器设计方案
石英晶体振荡器第一章研究意义金融危机以来，国家围绕“保增长、调结构”采取了一系列调控政策，为我国石英晶体振荡器行业提供了较为宽松的国内发展环境，使石英晶体振荡器行业从2008年下半年以来的困境中得到了缓解和恢复。
我国石英晶体振荡器行业也在加快产业结构调整、转变发展方式，为行业持续发展提供了动力和支撑。
在全球经济不景气、国际市场持续低迷的情况下，我国石英晶体振荡器行业仍然呈现出了企稳回升、发展逐渐向好的良好局面。
虽然石英晶体振荡器行业发展很快，但是市场存在的一些问题不容忽视，如市场无序竞争、产品质量下降、创新乏力等。
石英晶体振荡器行业的规划和发展需要建立在充分市场调研的基础之上，石英晶体振荡器市场管理需要认清市场经济条件下政府和企业的角色定位，石英晶体振荡器市场有序运行需要完善市场交易规则和各项制度。
第二章发展现状石英的化学成分为SiO2，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英（a-石英），是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。
广义的石英还包括高温石英（b-石英）。
低温石英常呈带尖顶的六方柱状晶体产出，柱面有横纹，类似于六方双锥状的尖顶实际上是由两个菱面体单形所形成的。
石英集合体通常呈粒状、块状或晶簇、晶腺等。
纯净的石英无色透明，玻璃光泽，贝壳状断口上具油脂光泽，无解理。
受压或受热能产生电效应。
发展趋势1、小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。
例如TCXO这类器件的体积缩小了30～100倍。
采用SMD 封装的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已经上市石英晶体振荡器。
2、高精度与高稳定度，无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm，VCXO的频率稳定度在10～7℃范围内一般可达±20～100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。
石英晶体振荡电路设计
石英晶体振荡电路设计摘要：不同的制造商提供各种形状与大小的石英晶体，其性能指标也各不一样。
这些指标包括谐振频率、谐振模式、负载电容、串联阻抗、管壳电容以及驱动电平。
本应用笔记帮助读者理解这些指标参数，并允许用户根据应用选择合适的晶体以及在MAX1470超外差接收机电路应用中获得最佳效果。
不同的制造商提供各种形状与大小的石英晶体，其性能指标也各不一样。
这些指标包括谐振频率、谐振模式、负载电容、串联阻抗、管壳电容以及驱动电平。
本篇应用笔记帮助读者理解这些指标参数，并允许用户根据应用选择合适的晶体以及在MAX1470超外差接收机电路应用中获得最佳效果。
晶体的等效电路见图1。
图中包括了动态元件：电阻Rs、电感Lm、电容Cm和并联电容Co。
这些动态元件决定了晶体的串联谐振频率和谐振器的Q值。
并联电容Co是晶体电极、管壳和引腿作用的结果。
图1. 晶体模型以下详细给出主要的性能指标。
谐振频率晶体频率可以根据接收频率指定。
由于MAX1470使用低端注入的中频，晶体频率可由下式给出(单位为MHz)：对于315MHz应用，晶体的频率可为，而在应用时需要晶体。
仅基频模式的晶体需要指定(无需泛音)。
谐振模式晶体具有两种谐振模式：串联(两个频率中的低频率)和并联(反谐振，两个频率中的高频率)。
所有在振荡电路中呈现纯阻性时的晶体都表现出两种谐振模式。
在串联谐振模式中，动态电容的容抗Cm、感抗Lm相等且极性相反，阻抗最小。
在反谐振点。
阻抗却是最大的，电流是最小的。
在振荡器应用中不使用反谐振点。
通过添加外部元件(通常是电容)，石英晶体可振荡在串联与反谐振频率之间的任何频率上。
在晶体工业中，这就是并联频率或者并联模式。
这个频率高于串联谐振频率低于晶体真正的并联谐振频率(反谐振点)。
图2给出了典型的晶体阻抗与频率关系的特性图。
图2. 晶体阻抗相对频率负载电容和可牵引性在使用并联谐振模式时负载电容是晶体一个重要的指标。
在该模式当中，晶体的总电抗呈现感性，与振荡器的负载电容并联，形成了LC谐振回路，决定了振荡器的频率。
石英晶体振荡器的集成化设计
由于 PN P 和 N PN 晶体管对偏置电压的补偿 , 减少了缓冲放大器受温度和电源电压变化的影响 . 电路仿真中 , Q 3 的射极处仿真阻抗为 1066Ω , 旁路 电容的值为 100p F 时 , 其容抗值约为 122Ω. 偏置电 压源的输出阻抗约为旁路电容阻抗 9 倍 , 与 R 7 相 比 ,电压源的输出阻抗小得多 . 因此 , 可以去掉旁路 电容 ,缩短振荡器起振时间的同时也减少了电路版 图所需要的面积 . 尽可能的缩小电容电阻所使用的 面积对电路的集成化非常重要 .
( Xe + Re + = 0
+
1 2 ) ωCt
RB
+ j( X -
1 ) ωCt +
( 5)
由上式的实部为 0 得外电路产生的负电阻 R N , 当 R B 和 Ct 的值较大时 , 可由振幅平衡条件得出 R e 与外电路参数的近似关系 :
图2 改进后的共射共基石英晶体振荡器
Re =
g f co
摘 要 : 在分析典型的分立式共射共基晶体振荡器原理的基础上 ,通过建立电路模型 ,设计一种集成化的石英晶体 振荡器 . 采用电压源电路作为缓冲放大器的基极偏置 ,去掉容值较大的旁路电容 ,振荡电路与缓冲放大器电路共用 μm 的 chrt . 35dg 偏置分压电阻 ,缩短电路起振时间 ,减小电路版图面积 . 基于特征尺寸为 0. 35
26 卷 第2期 2009 年 2 月
微电子学与计算机 M ICRO EL ECTRON ICS & COM PU TER
Vol. 26 No. 2 February 2009
protel石英晶体振荡器课程设计
题目：基于protel 99的石英晶体振荡器设计学生姓名：刘菲学生学号： 1214030219 系别：电气信息工程学院专业：通信工程年级： 12级任课教师：井田电气信息工程学院制基于Protel99的石英晶体振荡器学生：刘菲指导老师：井田电气信息工程学院12级通信工程2班摘要Protel设计系统是世界上第一套将EDA环境引入到Windows环境中的EDA开发工具，是具有强大功能的电子设计CAD软件，它具有原理图设计、印刷电路板（PCB）、设计层次原理图设计、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等功能，是进行电子设计最有用的软件之一。
是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。
在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。
想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上。
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。
本次实验课设是设计一个简易的石英晶体振荡器，并利用Protel 99 SE对其原理图进行绘制，PCB图制作关键字：Protel设计；石英晶体振荡；原理图绘制；PCB制作1 石英晶体振荡器设计1.1 石英晶体振荡器的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致：从一块石英晶体上按一定方位切下薄片，在它的两个对应面上涂覆银层作为电极，在每个电极上各焊接一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体或晶体、晶振。
3_实验三 石英晶体振荡器(1)
实验三石英晶体振荡器
[实验目的]
1.了解晶体振荡器的工作原理及特点；
2.掌握晶体振荡器的设计方法及参数计算方法。
[实验要求]
1.查阅晶体振荡器的有关资料, 阐明为什么用石英晶体作为振荡回路元件就能使振荡器的频率稳定度大大提高；
2.试画并联谐振型晶体振荡器和串联谐振型晶体振荡器的实际电路, 并阐述两者在电路结构及应用方面的区别。
[实验仪器设备及材料]
1.双踪示波器；
2.万用表；
3.高频电路实验装置
[实验方案]
实验电路见图3-1。
1.测振荡器静态工作点, 调图中Rp, 测得IEmin及IEmax；
2.测量当工作点在上述范围时的振荡频率及输出电压；
3.负载不同时对频率的影响, RL分别取110kΩ、10kΩ、1kΩ, 测出电路振荡频率, 填入表10-3-1并与LC振荡器比较。
填入表10-3-1, 并与LC振荡器比较。
R L～f 表10-3-1 实验数据
[实验报告]
1.画出实验电路的交流电路；
2.整理实验数据；
3.比较晶体振荡器与LC振荡器带负载能力的差异, 并分析原因；
4.你如何肯定电路工作在晶体的频率上；
5.根据电路给出的LC参数计算回路中心频率, 阐述本电路的优点。
[思考题]
石英晶体振荡器与LC三点式振荡器输出信号的差异有哪些？
1。
晶体振荡器课程设计报告.doc
晶体振荡器课程设计报告1应时晶体及其特性11.1应时晶体简介11.2应时晶体的阻抗频率特性12晶体管33的内部工作原理。
晶体振荡器电路的类型和工作原理43.1串联谐振晶体振荡器43.2并联谐振晶体振荡器63.3谐振晶体振荡器84工作点和环路参数的确定(以皮尔斯电路为例)94.1主要技术点标准94.2工作点的确定104.3交流参数的确定105提高振荡器116的频率稳定性。
12参考文献摘要:131应时晶体及其特性1.1应时晶体简介应时是一种矿物二氧化硅，其化学组成为二氧化硅，其形状为角锥形六方晶体，具有各向异性的物理特性。
根据其自然形状，它有三个对称轴，即电轴x、机械轴y和光轴z。
石英谐振器中的各种晶片从每个轴以不同的角度被切成正方形、矩形、圆形或棒状薄片，例如at、BT、CT、DT等。
在图1中。
不同的芯片类型具有不同的振动类型和不同的性能。
1.2应时晶体的阻抗频率特性石英谐振器的电路符号和等效电路如图 1.2.1所示。
C0被称为静态电容，即当晶体不振动时，两个极板之间的等效电容，它与晶片尺寸有关，通常约为几十pF至几十pF。
机械振动中晶体的惯性相当于Lq，Cq振动中摩擦引起的损耗相当于Rq。
它们的值与晶片切割方向、形状和尺寸有关。
一般来说，Lq是H，Cq是pF，Rq在几百到几百欧姆之间。
它的Lq很大，而Cq和Rq很小，有一个品质因数，所以Q值很高。
在这两者之间，因为应时晶体振荡器的存取系数P=Cq/(C0 Cq)很小，所以外部元件参数对应时晶体振荡器的影响很小。
忽略等效电路中的Rq，完整的等效电路图阻抗符号基频等效电路1.2.1晶体振荡器等效电路应时晶体振荡器可以等效为串联谐振电路和并联谐振电路。
如果忽略gq，晶体振荡器两端会出现纯电抗。
串联谐振频率:并联谐振频率可由上述公式获得，其阻抗频率特性曲线如图1.2.2和图1.2.2所示。
当使用f fp时，X为0，环路为容性。
当fq f 0时，环路是电感性的，发生串联谐振或并联谐振。
29电子线路教案_石英晶体振荡器136ok139.docx
年月日一、石英晶体的基本特性及其等效电路1、压电效应按一定的方位角切下的石英晶体薄片（方形、圆形或棒形），叫做石英品片。
在晶片的两个对面上喷涂上一对金展极板，再加封装，就构成石英晶体谐振器，如图：在切得的晶片上加压力时，晶片表面会产生电荷；当加在晶片上的压力变为拉力时，晶片表面电荷的极性也随之改变。
反之，如果把电压加到晶片上，则晶片产生机械压力；当所加电压反向吋，晶片上的压力变为拉力。
以上现象叫做石英晶片的压电效应。
如图：若在石英晶体谐振器的极板上加以交变电压，晶体就会产生机械振动。
此机械振动又使晶体表面产生交变电压，如此便产生一个循环过程。
一般情况下，机械振动和交变电压的振幅都非常微小，只有当外加交变电压的频率为某一个特定频率时，振幅才突然增大，这种现彖叫做压电谐振。
谐振时电流达最大，它相当于回路的串联谐振现彖。
产生压电谐振时的频率，叫做晶体谐振器的谐振频率。
2、符号和等效电路从石英谐振器的等效电路可知，这个电路有两个谐振频率，当1八C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为投影片投影片(a) @)/s=l/2n J LC当等效电路并联谐振时，并联谐振频率为/p=l/2 Ji V L (C"C / (C + C°))/s和帀两个频率非常接近。
图b为石英谐振器的电抗-频率特性，在/s和/p之间为电感性，在此区域之外为电容性。
二、石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路是形式多样的，但基本电路只有两类，即并联品体振荡电路和串联晶体振荡电路。
投影片晶体在回路屮一定是起电感L的作用，即振荡频率在晶体振荡器的/s和/p之间。
振荡回路的谐振频率表示式为振荡频率基本上是rh晶体的固有频率/s所决定，而与C'的关系很小，即由于C'不稳定所引起的频率漂移是很小的，故其振荡频率稳定度高。
2、串联型品体振荡电路当振荡频率等于晶体的串联谐振频率/s时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，电路满足自激振荡条件而振荡。
石英晶体正弦波振荡器设计
目录第一章振荡器的基本常识 (1)第一节振荡器的分类 (1)第二节振荡产生的原理 (1)一自激振荡的产生 (1)二产生振荡的条件 (2)第三节起振和稳幅 (3)一起振过程 (3)二振幅的稳定 (3)第四节正弦波振荡器 (4)第五节频率稳定度 (5)第二章石英晶体 (6)第一节石英晶体的基本特性 (6)一石英晶体的基本结构 (6)二压电效应 (6)第二节石英晶体等效电路和振荡电路 (7)第三章12MHz石英晶体正弦波振荡器 (10)第一节电路的选择 (10)第二节石英晶体振荡器设计 (10)一主要技术指标 (10)二设计说明........................................... (10)（一）选择电路............................................ .10 （二）选择晶体管和石英晶体. (11)（三）确定直流工作点并计算偏置电路元件参数 (11)（四）求C1\C2\Ct的电容值 (12)心得体会 (13)参考文献 (13)第一章振荡器的基本常识第一节振荡器的分类震荡器（Oscillator）是一种能量转换装置。
它的能量来源一般是直流形式（振荡器电路的直流供电电源）。
经过振荡器转换后，此直流能量转换为一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出。
这种电能的“转换”过程被称作“振荡”(Oscillation）。
振荡器的作用是产生特定的输出信号，因此也常常被称为信号发生器（signal creator）。
振荡器的类型繁多，按照振荡过程是否依赖于外部激励信号的参与，可以分为他激振荡器和自激振荡器；按照波形分类有正弦波振荡器和非正弦波振荡器；按照振荡器振荡频率的高低，可以分为低频振荡器、高频振荡器、超高频振荡器等；按照振荡器的选频元件分类，则有RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器等。
第二节振荡产生的原理一自激振荡的产生无需外加激励就能产生特定波形的交流输出信号，这种振荡电路称为自激振荡器。
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题目：基于protel 99的石英晶体
振荡器设计
学生姓名：刘菲
学生学号： 1214030219 系别：电气信息工程学院
专业：通信工程
年级： 12级
任课教师：井田
电气信息工程学院制
基于Protel99的石英晶体振荡器
学生：刘菲
指导老师：井田
电气信息工程学院12级通信工程2班
摘要
Protel设计系统是世界上第一套将EDA环境引入到Windows环境中的EDA开发工具，是具有强大功能的电子设计CAD软件，它具有原理图设计、印刷电路板（PCB）、设计层次原理图设计、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等功能，是进行电子设计最有用的软件之一。
是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。
在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。
想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上。
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。
本次实验课设是设计一个简易的石英晶体振荡器，并利用Protel 99 SE对其原理图进行绘制，PCB图制作
关键字：Protel设计；石英晶体振荡；原理图绘制；PCB制作
1 石英晶体振荡器设计
1.1 石英晶体振荡器的结构
石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致：从一块石英晶体上按一定方位切下薄片，在它的两个对应面上涂覆银层作为电极，在每个电极上各焊接一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体或晶体、晶振。
其产品一般用金属外壳封装，也用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
1.2 压电效应
若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械形变。
反子，若在晶片的两侧事假机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象成为压电效应。
如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下，晶片振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率的振幅大得多，这种现象为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。
它的谐振与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
1.3 相关参数
当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约到几个pF到几十pF。
当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。
一般L的值约为几十mH到几百mH.。
晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002~0.1pF。
晶片振动时因为摩擦而造成的损耗用R来等效，它的值约为100欧。
由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小因此回路的品质因数Q很大，可达1000~10000。
加上它的本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做的精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
石英晶体谐振器有两个谐振频率，当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。
串联谐振频率用fs表示，石英晶体对于串联谐振频率fs呈纯
阻性；当频率高于fs时L、C、R支路呈感性，可与电容C发生并联谐振，并联频率用fd表示。
2 Protel原理图绘制
2.1创建文件
（1）打开protel 99se程序，点击file，new选择路径建立一个工程，如图1所示。
图1建立工程
（2）点击ok，下一步，新建一个SCH文件，也就是电路图设计项目，选择schematic Documen，如图2所示。
图2新建SCH文件
2.2原理图绘制和电气规则检测
（1）原理图如图3所示。
图3原理图
（2）当整个电路设计完成后，可以进行电气规则检查。
主要是检查电路图中是否有电气性质不一致的情况。
电气规则检查依据问题的严重性分别以错误或警告信息来提示用户。
ERC检查报告无错后进行下一步。
如图4所示。
图4电气规则检测
2.3生成网络表、元件列表、元件报表、NC钻孔报表
（1）选取设计菜单下的create netlist选项，点击OK后生成网络表。
如图5所示。
图5生成网络表
（2）执行菜单命令Report/BILLOFMATERIAL出现新的对话框选择[sheet]点击下一步，默认直到倒数第二步将ProtelFormat、CSVFormatClientSpreadsheet全部选中点击下一步和Finish就生成了相关图表。
元件列表如图6所示，元件报表如7所示。
图6元件列表
图7元件报表
（3)选取设计菜单下的Reports/NC Drill选项，生成NC钻孔报表。
如图8所示。
图8NC钻孔报表
3 PCB图的制做
3.1规划PCB版并导入网络表、元器件的摆放及布、自动布线
(1)设定工作层面：执行菜单命令Design/Options后，Design/Options页面基本工作层面说明：信号层（SignalLayers）：用来放置元件、导线等与电气信号有关的电气元素。
对于制作双面板而言，要选中顶层铜膜布线面（TopLayers）和底层铜膜布线面（BottomLayers）。
丝印层（Silkscreen）：用于绘制元件的外形轮廓，元件序号和标注字符等。
一般选中顶层（Topoverlay）即可。
防护层（Mask）：自动生成，不选。
禁止布线层（KeepOutLayer）：用于规定放置元件和布线的区域。
多层面（Multilayer）：用于快速把对象（例如，焊盘和过孔）加入到所有的信号层，选中即可。
其它的选项使用默认设置即可。
(2)规划电气边界：在禁止布线层（KeepOutlayer）进行。
首先点击相应的层面标签：然后在此层面上绘制一个区域（一般为方形）。
在*.Sch文件的界面下，执行菜单的命令Design/UpdatePCB,会出现一个界面。
全部使用默认值。
然后单击按钮
进入Update Design对话框的Changes选项卡，可以发现更新过程是否存在错误。
如果没有错误，单击对话框的按钮Execute即可将本次更新的变动反映在PCB文件中。
(3)在PCB状态下执行菜单命令【Design】/【Netlist……】,在出现的对话框中点击标签。
然后选择之前创建好的后缀名为.net的网络表。
若元件封装、原理图均无错误后即可在PCB版上生成元器件。
在网络表文件载入时，常常会出现两种错误：FootprintNotAvailable(封装元件遗漏)NodeNotFound(引脚遗漏)。
在加载的时候，应该注意改正错误，得到正确的网络表。
生成的PCB
(4)Protel PCB 内集成了一个功能强大而品质高超的自动布线程序，能自动地设计出最佳的自动布线策略。
选择自动布线菜单中的All，在弹出的对话框中选RouteAll便开始自动布线程序，布线完成后在弹出的对话框中选择OK便完成了。
如图9所示。
图9生成PCB
(3)在PCB状态下执行菜单命令【Reports】/【Board Information;】然后点击Report按钮，生成图表如图10所示。
图10电路板报表文件
4 总结
通过本次Protel课程设计，自己更加熟悉了该软件的操作，了解了Protel在电路原理图的绘制和PCB板制作上的强大功能。
通过一个星期的课程设计，发现自己的实践经验还比较缺乏，理论联系实际的能力需要提高。
本次课设是制作了石英晶体振荡器，在课设过程中，巩固了数字电路方面的理论知识，通过这次课程设计，我掌握了做课程设计的基本思路和方法，在脑海里形成了基本的设计理念和设计技巧，锻炼了自己的思维能力与动手能力。