石英晶体正弦波振荡器

目录课程设计任务书第一章摘要 (2)第二章特性简介【1】物理特性 (2)【2】晶振符号及等效电路 (2)【3】电抗特性 (3)【4】晶振的特点 (3)【5】晶振的优缺点 (4)第三章晶体振荡器的类型概述【1】并联型晶体振荡器 (4)【2】串联型晶体振荡器 (6)【3】泛音晶体振荡器 (6)第四章正弦波晶体振荡器设计电路【1】晶体振荡器原理图选择依据 (7)【2】晶体振荡器设计原理图 (7)【3】工作点及回路参数的确定 (8)第五章心得体会 (10)第六章参考文献 (11)第一章摘要石英晶体正弦波振荡器简称晶振，是以高稳定度、高Q值的石英谐振器替代LC振荡器中震荡回路的电感、电容元件而构成的自激正弦波振荡器，它利用石英晶体的压电效应实现机械能与电能的相互转化。

由于晶体振荡器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，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。

第二章特性简介【1】物理特性晶体的基本特性是它具有压电效应。

依靠这种效应，可以将机械能转变为电能；反之，也可以将电能转变为机械能。

当晶体受到机械力时，它的表面上就产生了电荷。

如果机械力由压力变成张力，则晶体表面的电荷极性就反过来。

这种效应成为正压电效应。

反之，如果在晶体表面加入一定的电压，则晶体就会产生弹性变形。

如果外加电压作交流变化，晶体就产生机械振动，振动的大小基本上正比于外加电压幅度，这种效应称为反压电效应。

晶体的压电效应如图1（a）所示。

另外，石英晶体和其他弹性体一样，也具有惯性和弹性，因而存在固有振动频率。

当外加电源频率与晶体的固有振动频率相等时，晶体片就产生谐振。

这时，机械振动的幅度最大，相应地晶体表面产生的电量亦最大，因而外电路中的电流也最大。

因此石英晶体片本身具有谐振回路的特性，如图1（b）所示。

【2】晶振符号及等效电路石英晶体谐振器的符号及等效电路分别如图2（a）（b）所示。

C0：封装电容。

代表石英晶体支架静电容量，一般为几至几百皮法；L ：动态电感。

相当于晶体的质量（惯性），很大，一般以几亨至十分之几亨计；C ：动态电容。

相当于晶体的等效弹性模数，很小，一般以百分之几皮法计；R ：动态电阻。

相当于晶体的的摩擦损耗，一般以几至几百欧计。

因，易知：石英晶体的品质因数很高。

石英晶体谐振器有两个谐振频率：(1)当L、C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为显然，fs < fp，但由于C << C0，因此fs和fp两个频率非常接近。

【3】电抗特性石英晶体谐振器的电抗曲线如图2（c）所示。

可以看出，电抗特性曲线分三个区间和两个谐振频率点：当f < fs或f > fp时，电抗特性呈容性，等效为电容；当fs < f < fp时，电抗特性呈感性，等效为电感；当f = fs时，电抗呈纯电阻性，等效阻抗为最小，为串联谐振点；当f = fp时，电抗呈纯电阻性，等效阻抗为最大，为并联谐振点；在串联谐振频率点与并联谐振频率点之间极窄的频带内石英晶体谐振器呈感性，用其构成的电容三点式振荡器就是利用了这个区间。

【4】晶振的特点在振荡频率上，闭合回路的相移为2nπ。

当开始加电时，电路中唯一的信号是噪声。

满足振荡相位条件的频率噪声分量以增大的幅度在回路中传输，增大的速率由附加分量，即小信号，回路益增和晶体网络的带宽决定。

幅度继续增大，直到放大器增益因有源器件（自限幅）的非线性而减或者由于某一自动电平控制而被减小。

在稳定状态下，闭合回路的增益为1。

【5】晶振的优缺点优点：使用石英晶体作为震荡回路元件，能够使振荡器的频率稳定度大大提高，原因有三：（1）石英晶体的物理特性和化学特性都十分稳定，因此，它的等效谐振回路有很高的标准性。

（2）它具有正、反压电效应，而且在谐振频率附近，晶体的等效参数L很大、C很小、R也不高，因此，晶体的Q值可高达数百万数量级。

（3）在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频率内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。

缺点：石英晶体谐振器的主要缺点时它的单频性，即每块晶体只能提供一个稳定的振荡频率，因而不能直接用于波段振荡器。

第三章晶体振荡器的类型概述根据石英晶体谐振器的电抗曲线，在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，它呈电感性。

因而石英谐振器或者工作于感性区，或者工作于串联谐振频率上，绝不能使用容性区。

因为如果振荡器电路是设计在晶体呈现电容性时产生振荡，那么，由于晶体在静止时就是呈现电容性的，所以无法判断晶体是否已经在工作，从而不能保证频率稳定作用。

因此，根据晶体在振荡器线路中的作用原理，振荡电路可分为两类：一类是石英晶体在电路中作为等效电感元件使用，这类振荡器称为并联谐振型晶体振荡器；另一类是把石英晶体作为串联谐振元件使用，使它工作于串联谐振频率上，称为串联谐振型晶体振荡器。

【1】并联型晶体振荡器这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并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。

根据这种原理，常用的有两种基本类型：c-b 型电路和b-e型电路。

如图3所示。

图3（a）c-b型电路图3（b）b-e型电路图3（a）所示相当于电容三端振荡电路。

图3（b）所示相当于电感三端振荡电路。

图4（a）晶振电路图4（b）等效电路图4（a）所示为典型的c-b型晶体振荡器线路。

振荡管的基极对高频接地，晶体接在集电极与基极之间，C1与C2为回路的另外两个电抗元件。

振荡器回路的等效电路如图4（b）。

由于Cq非常小，因此，晶体振荡器的谐振回路与振荡管之间的耦合非常弱，从而使频率稳定性大为提高。

图5（a）b-e型晶振图图5（b）等效回路图5（a）所示为典型的b-e型晶体振荡器线路。

图5（b）所示为它的等效回路。

由图可看出，该电路是个双回路振荡器，L1C1回路应呈电感性，因此它的固有谐振频率f0应略高于振荡器的工作频率f，振荡器为哈特莱电路。

【2】串联型晶体振荡器图6（a）所示为一种正弦波串联晶体振荡器电路，图6（b）所示为它的等效电路。

由图可知，该电路与电容三端振荡电路十分相似，只是反馈信号要经过石英晶体JT后，才能送到发射极与基极之间。

石英晶体在串联谐振时阻抗近似于零，可以认为时短路，此时正反馈最强，满足振荡条件。

因此，这个电路的振荡频率和频率稳定度都取决于石英晶体的串联谐振频率。

图6（a）串联型晶振电路图6（b）等效电路使用晶体谐振器时应注意以下几点：（1）石英晶体谐振器的标称频率是在石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的，在使用时也必须外加负载电容，并经微调后才能获得标称频率；（2）石英晶谐振器的激励电平应在规定范围内；（3）在并联型晶体振荡器中，石英晶体起电感的作用；若作为容抗，则在石英晶体片失效时，石英谐振器的支架电容还存在，线路仍可能满足振荡条件而起振，石英晶体谐振器失去了稳频作用；（4）在晶体振荡器中，一块晶体只能稳定一个频率，当要求得到可选择的许多频率时，就要采取其他电路器件。

【3】泛音晶体振荡器所谓泛音，是指石英片振动的机械波。

它与电气谐波的主要区别是：电气谐波与基波是整数倍关系，且谐波与基波同时并存；泛音则与基频不成整数倍关系，只是在基频奇数倍附近，且两者不能同时存在。

图7所示为泛音晶体振荡器的交流等效电路。

图7 泛音晶体振荡器交流等效电路。

第四章正弦波晶体振荡器设计电路【1】晶体振荡器原理图选择依据石英晶体谐振器在串并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，它具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。

依据这个特性，选取石英晶体在电路中作为等效电感原件使用，即选择并联谐振型晶体振荡器。

常用的并联谐振型晶体振荡器有两种基本类型：c-b型电路和b-e型电路。

比较这两种电路可知：b-e型电路的输出信号教大，L1C1 回路还可以抑制其他谐波，但频率稳定度不如c-b型电路。

因为在b-e型电路中，石英晶体接在输入阻抗低的b-e之间，降低了石英晶体的标准性。

c-b型电路中的石英晶体则接在阻抗很高的c-b之间，石英晶体的标准性受影响很小。

因此，综合考虑各项因素，本次设计选择并联谐振晶体c-b型振荡器电路。

【2】晶体振荡器设计原理图正弦波晶体振荡器设计电路原理图如下图8（a）所示。

图8（a）正弦波晶体振荡器设计电路原理图振荡管的基极对高频接地，晶体接在集电极与基极之间，C1C2为回路的另外两个电抗元件，C b 为旁路电容,Cq为负载电容。

由于晶振的Cq非常小，因此，晶体振荡器的谐振电路与振荡管之间的耦合非常弱，从而使频率稳定性大为提高。

振荡器回路的交流等效电路如下图8（b）所示。

图8（b）交流等效电路和一般的LC三端电路相比，石英晶体在稳频方面有一个显著特点，即一旦因外界因素变化而影响到晶体的回路固有频率时，它还具有力图使频率保持不变的电抗电抗补偿能力。

这主要是由于石英谐振器的等效电感Le与普通电感不同，Le时频率的函数，并且随着频率w从w q变到w p，Le则从0变到趋于无穷。

在这十分狭窄的之间，存在着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率，亦即石英晶体在这个频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。

因而它具有很高的稳频能力，或者说它具有很高的电感补偿能力。

【3】工作点及回路参数的确定（1）晶体管和晶振的选择选择高频管3DG6C型晶体管作为振荡管。

查手册其参数如下：石英谐振器可选用HC-49S系列，其性能参数为：品牌ZJ 型号HC-49S种类晶振标称频率12.000MHz（MHz）调整频差20PPM（MHz）温度频差20PPM（MHz）总频差20PPM（MHz）负载电容20PF（pF）负载谐振40（Ω）电阻（2）确定直流工作点并计算偏置电路元件参数根据3DG6C的静态特性曲线选取工作点为：射极电流：I E=2mA,集电极发射极电压：Uce=0.6V,Vcc=0.6×12=7.2V；取集电极电压Uc=0.8Vcc=0.8×12=9.6V；发射极电压Ue=0.2Vcc=0.2×12=2.4V则有集电极电阻Rc =（Vcc-Uc）/ IE=（12-9.6）/0.002=1.2KΩ发射极电阻Re = Ue/ IE=2.4/0.002=1.2 KΩ取基极偏置电阻Rb2=5Re=6 KΩ基极偏置电阻Rb1={（Vcc-Ue）/Ue}×RB2=24 KΩ根据实际的标称电阻值，取Rc、Re、RB1、RB2取精度为1%的金属膜电阻: Rc= Re= 1.2KΩ；Rb1= 24 KΩ，Rb2=6.2 KΩ；（3）C1、C2、C3的确定根据振荡器回路的交流等效电路可知：C1、C2、C3串联，C1、C2串联后的值为C12 = C1*C2/(C1+C2);C1、C2、C3串联后的值为C = C12*C3/(C12+C3);依据回路谐振频率f0公式可计算出C取C3=30pF（一般Ct应略大于负载电容值），= C3 *C/ （C3- C）=（30×10）/（30-10）=15 pF则C12= C1*C2/(C1+C2)两式联立解，并取F=1/2由反馈系数F=C1/C2和C12则C1= C12(1+F)=22.5 pFC2= C12(1+1/F)=45 pF根据电容量的标称值，取C1、C2为聚苯乙烯电容，C1=20pF,C2=40pF第五章心得体会经过为期一周的高频电子线路课程设计，我发现了自己能力的不足和知识上的欠缺，同时也学到了很多东西。