基于石英晶体的正弦波振荡器multisimnewto st
用Multisim软件模拟正弦波振荡器电路
正弦波振荡器电路的设计一．设计要求1．要求振荡器的工作频率在30MHZ附近。
2．频率的稳定度为1%—5%。
二．设计原理正弦波振荡器可分为两大类，一类是利用正反馈原理构成的反馈振荡器，它是目前应用最广的一类振荡器。
另一类是负阻振荡器，它是将负阻器件直接连接到谐振回路中，领用负阻器件的负电阻效应去抵消回路中的损耗，从而产生出等幅的自由振荡。
本次实验采用负反馈振荡器产生正弦波。
原理框图如下：1、平衡条件与起振条件（1）振荡的过程当接通电源时，回路内的各种电扰动信号经选频网络选频后，将其中某一频率的信号反馈到输入端，再经放大→反馈→放大→反馈的循环，该信号的幅度不断增大，振荡由小到大建立起来。
随着信号振幅的增大，放大器将进入非线性状态，增益下降，当反馈电压正好等于输入电压时，振荡幅度不再增大进入平衡状态。
（2）起振条件——为了振荡起来必需满足的条件由振荡的建立过程可知，为了使振荡器能够起振，起振之初反馈电压Uf 与输入电压Ui 在相位上应同相（即为正反馈）；在幅值上应要求Uf ＞Ui ，即：起振条件：2T K F n ψψψπ=+=|()|1T jw KF => (3)平衡条件——为维持等幅振荡所需满足的条件振幅平衡条件：|()|1T jw KF == 相位平衡条件 :2T K F n ψψψπ=+=其中n=0,1,2,3…2、稳定条件振荡器工作时要处于稳定平衡状态，既要振幅稳定，而且相位要稳定。
振幅稳定条件：AF 与Ui 的变化方向相反。
相位稳定条件：相位与频率的变化方向相反三． 设计步骤 1．选定电路形式。
选择电容反馈式的改进型振荡器——克拉泼振荡器。
下图是克拉泼振荡器的交流等效电路。
它是用电感L 和电容C3的串联电路构成，且C3<<C1,C2。
C1C2L1C3.此回路的总电容C 只要由C3决定，因为C1，C2和并联对电路总电容的影响很小。
所以电路的振荡角频率为10311LC LC ωω≈== 反馈系数12C F C = 振荡器频率取32MHZ ，则C3电容取50PF ，电感L1取500nH 。
高频三级项目——基于Multisim的正弦振荡器仿真
项目名称：正弦波振荡器的仿真设计小组成员及分工：张曌（电路仿真图设计及PPT设计及论文撰写A）、翟小宝(查阅资料及论文撰写B)、陈春(查阅资料及论文撰写B)指导教师：田野日期：2016年目录摘要 (3)前言 (4)正文 (4)一、正弦振荡器的原理及设计 (4)1.1振荡条件 (4)二、互感耦合振荡器仿真设计 (5)2.1互感耦合振荡器的原理 (5)2.2振荡条件 (6)2.3仿真电路图的设计 (6)2.4互感系数对振荡频率的影响 (8)三、电容三端式振荡器仿真设计 (9)3.1电路原理图 (9)3.2振荡条件分析 (9)3.3仿真设计 (10)3.4起振过程分析 (13)3.5探究偏置电路工作点设置对振荡频率的影响 (13)四、电感三端式振荡器 (14)4.1电路原理图 (14)五、改进型电容三端式振荡器 (15)5.1克拉泼振荡器 (16)5.2西勒振荡器 (19)六、并联型石英晶体振荡器 (21)6.1电路原理图 (22)6.2振荡分析 (22)6.3仿真设计 (23)6.4石英晶体的串联和并联谐振频率 (25)七、串联型石英晶体振荡器 (26)7.1基本原理图 (26)7.2仿真设计 (27)八、总结 (29)8.1电路振荡频率稳定度的对比 (29)8.2提高频率稳定度的措施 (29)8.4各振荡电路的应用情况 (29)九、优缺点及问题 (30)十、参考文献 (30)本文利用Mulitisim仿真软件对互感耦合调集正弦振荡器、电容三端反馈式正弦振荡器、克拉泼振荡电路、西勒振荡电路、电感三端反馈式振荡器、并联石英晶体振荡器、串联石英晶体振荡器依次进行了电路设计及仿真，仿真结果表明各正弦振荡器均可实现其功能，产生高频正弦信号。
第一部分对互感耦合振荡器的三种类型进行了介绍，选取最为常见的互感耦合调集电路进行设计，通过选取合适的偏置电路以及利用电位器对晶体管工作点的调整，选取合适的互感系数，从而得到了互感耦合振荡器的波形。
高频课设报告-采用Multisim仿真软件对高频正弦波振荡器设计
高频课设报告-采用Multisim仿真软件对高频正弦波振荡器设计洛阳理工学院计算机与信息工程系20XX届通信工程专业课程设计报告计算机与信息工程系《高频电子线路》课程设计报告专业通信工程班级xxxxxxx学号xxxxxxxxx姓名xxxxxxxx完成日期20XX年12月26日指导教师xxxxxx评语：成绩：批阅教师签名：批阅时间：第一章高频正弦波振荡器1.1任务和设计要求：1.1.1设计内容在本次课程设计中采用了Multisim仿真软对高频正弦波振荡器进行设计及绘制，并模拟仿真。
从理论上对电路进行了分析。
选择合适的预案器，设计出满足要求的高频正弦波振荡器。
1.1.2设计要求设计一个高频正弦波振荡器，要求振荡频率为5MHz,相对准确对≤2‰。
1.2高频正弦波振荡器工作原理及系统框图由LC谐振回路作反馈电路的反馈型正弦波振荡器。
其放大电路主要由晶体管或电子管构成，自振频率基本上决定于谐振回路的电感L和电容C，振荡幅度主要受制于有源电子器的非线性和电源电压的幅度。
LC振荡器因谐振回路具有很高的选择性，即使放大器工作在非线性区，振荡电压仍非常接近正弦形。
但因它的谐振元LC之值限于体积不宜过大，振荡频率不宜太低,一般为几百千赫到几百兆赫。
频率稳定度墹f/f一般为10-2～10-4量级，略优于RC振荡器，但比石英晶体振荡器要低几个数量级。
谐振元L或C 的数值调节方便，可借以改变振荡频率，因而为广播、通信、电子仪器等电子设备所广泛采用。
LC振荡器依L、C在电路中的接法不同而有调集振荡器、哈特莱振荡器、科皮兹振荡器等主要类型。
正弦波振荡器的工作原理图如下：图1系统原理框图1.3系统电路设计该高频正弦波振荡器是不需要输入信号控制就能自动地将直流电转换为特定频率和振幅的正弦交变电压（电流）的电路。
它由四部分组成：放大电路，选频网络，反馈网络和稳幅电路。
常用的正弦波振荡器有电容反馈振荡器和电感反馈振荡器两种。
后者输出功率小，频率较低；而前者可以输出大功率，频率也较高。
石英晶体振荡电路1正弦波振荡电路
正弦波振荡电路能产生正弦波信号，它是在 放大电路的基础上加上正反馈网络构成的。为了 获得单一频率的正弦波，正弦波振荡电路还必须 包含选频网络。为了得到稳定的等幅振荡信号， 正弦波振荡电路还要有一个稳幅环节，它可以由 晶体管的非线性作用来实现。
因此，正弦波振荡电路由放大电路、正反馈 网络、选频网络、稳幅环节组成。
3
1
j(
0 )
0
5.1 正弦波振荡电路
5.1.2 RC正弦波振荡器
1．RC串并联网络的选频特性
0
，
F
1
32 ( 0 )2
f arctg 0 3
0
当 f 0时，
F
Vf Vo
1 3
f 0
5.1 正弦波振荡电路
满足振荡的相位平衡条件。
串联型石英晶体振荡器
5.2 非正弦波产生电路
5.2.1 矩形波产生电路
1．滞回比较器
U 0 U Z
5.2 非正弦波产生电路
5.2.1 矩形波产生电路
1．滞回比较器
UT
R2 R2 R3
UZ
U i＞UT 时，U 0 U Z
UT
R2 R2 R3
UZ
5.1 正弦波振荡电路
5.1.3 LC正弦波振荡器
5．三点式振荡器构成法则
由AF 1得： X 1 、X 2 为同类电抗， X 3 与 X 1 、X 2
为相反种类的电抗。
5.1 正弦波振荡电路
5.1.3 LC正弦波振荡器
〖例7-3〗试用相位平衡条件法判断如图所示电路能否振荡. 解：断开反馈到放大器的输入端点， 假设在输入端加入一正的瞬时信号， 用瞬时极性法判定反馈信号的极性， 若反馈信号与输入信号同相，则满 足相位条件，电路能振荡；否则电 路不能振荡。 通过分析，如图所示电路能振荡。
石英晶体构成的正弦波振荡电路
石英晶体谐振器, 简称石英晶体, 具有非常稳定的固有频率。
对于振荡频率的稳定性要求高的电路, 应选用石英晶体作选频网络。
一、石英晶体的特点将二氧化硅（SiO2）结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片, 再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层, 并作为两个极引出管脚, 加以封装, 就构成石英晶体谐振器。
其结构示意图和符号如右图所示。
1.压电效应和压电振荡在石英晶体两个管脚加交变电场时, 它将会产有利于一定频率的机械变形, 而这种机械振动又会产生交变电场, 上述物理现象称为压电效应。
一般情况下, 无论是机械振动的振幅, 还是交变电场的振幅都非常小。
但是, 当交变电场的频率为某一特定值时, 振幅骤然增大, 产生共振, 称之为压电振荡。
这一特定频率就是石英晶体的固有频率, 也称谐振频率。
2.石英晶体的等效电路和振荡频率石英晶体的等效电路如下图（a）所示。
当石英晶体不振动时,可等效为一个平板电容C0, 称为静态电容；其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积, 一般约为几到几十皮法。
当晶片产生振动时, 机械振动的惯性等效为电感L, 其值为几毫亨。
晶片的弹性等效为电容C, 其值仅为0.01到0.1pF, 因此, C<0。
晶片的磨擦损耗等效为电阻R, 其值约为100Ω, 理想情况下R=0。
当等效电路中的L、C、R支路产生串联谐振时, 该支路呈纯阻性, 等效电阻为R, 谐振频率谐振频率下整个网络的电抗等于R并联C0的容抗, 因R<<ω0C0, 故可近似认为石英晶体也呈纯阻性, 等效电阻为R。
当f<fs时, C0和C电抗较大, 起主导作用, 石英晶体呈容性。
当f>fs时, L、C、R支路呈感性, 将与C0产生并联谐振, 石英晶体又呈纯阻性, 谐振频率由于C<0, 所以fP≈fS。
当f>fP时, 电抗主要决定于C0, 石英晶体又呈容性。
因此, 石英晶体电抗的频率特性如上图所示, 只有在fs<f<fP的情况下, 石英晶体才呈现感性；并且C0和C的容量相差愈悬殊, fs和fP愈接近, 石英晶体呈感性的频带愈狭。
石英晶体振荡器ppt课件
24
;
EXIT
例
一晶体振荡电路如图 4.25(a)所示，其中 C1 为 300pF、C2 从 5pF～22pF 可变、C3 为 1600pF、L 为 3.9uH，试分析该电路中晶体的作用，并求出该电路的振荡频 率。
高频晶体通常标CL为30pF或
2) 要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、 振坏
晶片；过小会使噪声影响大，输出减小，甚至停振。
16
;
EXIT
4. 泛音晶体 机械振动的谐波称为泛音。
奇次
利用基频振动称为基频晶体，利于泛音振动称为泛音晶体。
石英晶体基频越高，晶片越薄，加工难并易碎，故要求 频率高时使用泛音频率。多用三次和五次的。
当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大。 压电谐振
11
;
EXIT
2. 石英谐振器的基本特性与等效电路
C0 是 晶 片 的静态电容，相 当于平板电容， 即由晶片作介质， 镀银电极和支架 引线作极板构成。 几～十几pF
Lq、Cq、rq为晶片振动时的等效动态电感、电容 和摩擦损耗。 Lq很大，几十～几百mH；Cq很小，百分 之几pF； rq 为几～几百欧。
EXIT
2. 石英谐振器的基本特性与等效电路
X fS
容性
感性 fP
f 容性
石英谐振器只在 fs 和 fp 之间的很窄频率范围 内呈感性，且感抗曲线很陡，故当工作于该区域时，
具有很强的稳频作用。一般不用电容区。
14
;
EXIT
2. 石英谐振器的基本特性与等效电路 实际使用时外接一小电容Cs
基于Multisim12的RC正弦波振荡器的仿真及分析
基于Multisim12的RC正弦波振荡器的仿真及分析张静;王瑜【摘要】采用Multisim12电路仿真软件对RC正弦波振荡电路进行虚拟仿真,对于振荡频率采用滑动变阻器R和可变电容C进行组合调节,串并联同时控制,实现不同频率正弦波的输出.仿真并分析了从起振、平衡到失真的整个过程,仿真结果与理论一致.通过虚拟电路的设计、仪器仪表的使用,实验结果的分析,使得正弦波振荡器教学更加形象生动,有利于学生对理论知识的理解,提高他们的高频电子线路的学习热情及效果.【期刊名称】《绥化学院学报》【年(卷),期】2017(037)002【总页数】4页(P151-154)【关键词】Multisim12;RC正弦波振荡器;仿真;频率;幅度;失真【作者】张静;王瑜【作者单位】河海大学文天学院安徽马鞍山 243031;河海大学文天学院安徽马鞍山 243031【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;TN702Multisim12软件是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
它不仅可以广泛的应用于电路、模拟电路、数字电路、通信（高频）电子线路、射频电路、数字通信电路的仿真分析，还可以用于电子测量、单片机仿真PLC控制系统以及PLD的仿真[1]。
在高校教学中的应用也很多，特别是在相对较难的高频电子线路中应用价值尤为突出，比如，在高频小信号放大器的仿真分析[2-3]，高频谐振功率放大器[4-6]，正弦波振荡器的设计与仿真[7-10]，以及调幅与解调的仿真分析[11-12]等等。
通过实验仿真，不仅可以对理论进行检验，同时，电路设计的过程以及仿真分析的过程可以不断发现问题，解决问题，对理论知识思考更加透彻。
正弦波振荡器在通信系统中非常常用，在发送端负责产生高频载波对基带信号进行调制，接收端负责生成本振信号用于混频。
《石英晶体振荡器》PPT课件
– 提高回路的标准性 – 减小相位及其变化量
6
幅度稳定度
U U Uo
Uo
Uo
7
4.4 石英晶体振荡器
以石英谐振器作选频网络的反馈振荡器称为石英晶体振荡器 其频率稳定度可达 106 ~108 ，而LC回路的一般不超过 105
因为石英谐振器具有极高的Q值和很高的标准性
8
4.4 石英晶体振荡器
振荡器的频率和幅度稳定度
1
稳定度指标
• 振荡器输出的信号即要满足一定的频率和幅度要求 • 使用频率稳定度和幅度稳定度这两个重要的性能指标来衡量一个振荡器电路 • 频率稳定度对一个振荡器而言尤为重要
2
• 频率绝对偏差 • 频率稳定度
频率稳定度
f f f0
f f f0
f0
f0
3
影响频率稳定的因素
VCC
RB1
LC
C1
CB
RB 2
RE
C2
CC RL
晶体
Cq1
RE
Lq1
C0
rq1
19
等效电路
VCC
RB1
LC
CC
C1
RL
CB
RB2
RE
C2
晶体
Cq1
C1
RE
Lq1
C0
RL
rq1
C2
20
并联型石英晶体振荡器分析
• 由三点式电路“射同基反”的构成原则 – 晶体应呈现感性
• 石英谐振器和电容C1、C2组成选频网络 • 工作频率
• 主要影响因素 – 振荡回路参数 – 回路品质因素Q
f0
2
1 LC
f0 1 ( L C ) f0 2 L C
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晶体振荡器的基本知识
下图是石英晶体谐振器的等效电路。
图中C0是晶体作为电介质的静电容，其数值一般为几个皮法到几十皮法。
Lq、Cq、rq是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数。
rq是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。
由图3-1可以看出，晶体振荡器是一串并联的振荡回路，其串联谐振频率fq和并联谐振频率f0分别为
f q=1/2πLqCq，f0=f q Co
1
Cq/
图1晶体振荡器的等效电路
当W＜Wq或W>Wo时，晶体谐振器显容性；当W在Wq和Wo之间，晶体谐振器等效为一电感，而且为一数值巨大的非线性电感。
由于Lq很大，即使在Wq 处其电抗变化率也很大。
其电抗特性曲线如图所示。
实际应用中晶体工作于Wq~Wo之间的频率，因而呈现感性。
图2晶体的电抗特性曲线
设计内容及要求
一设计目的及主要任务
1设计目的
掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，并在此基础上设计并联变换的晶体正弦波振荡器。
2并联型晶体振荡器
图3c-b型并联晶体振荡器电路
图4皮尔斯原理电路图5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C L上，其值为
C L=C1C2C3/(C1C2+C2C3+C1C3)
C q/(C0+C L)<<1
二详细设计步骤
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。
由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性容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。
图6工作电路
2、选择晶体管和石英晶体
根据设计要求，
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=；?
?≈?
T
/?=5MHz。
石英谐振器可选用HC-49S系列，其性能参数为：
标称频率?。
=6MHz；工作温度：-40℃~+70℃；25℃时频率偏差：士3×10-6士30×10-6；串联谐振电阻：60 ；负载电容：C L=10PF,激励功率：~。
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R b1、R b2、R e、R决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图所示。
图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I CQ
I b2=10I BQ=，则取：
b1b2
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C L=10pF，即C2，C3，C1串联后的总电容为10pF根据负载电容的定义，C L=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。
三设计结果及分析
仿真电路
调R1可以调静态工作点；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。