高频电子课程设计

通信电路课程设计。

题目名称：晶体振荡器

姓名：施会勇

学号： 0809121022

班级：电子信息工程2班

铜陵学院电气系。

目录。第一章课程设计任务书 3

1.1 设计任务 3

1.2 主要技术指标 3

第二章前言 3

2.1 设计目的 3

2.2 振荡的基本知识 3

2.2.1 振荡产生的原理 3

2.2.2 起振和稳幅 4

2.2.3 振荡器的频率稳定度 5

第三章晶体振荡器的设计 5

3.1 晶体振荡器的分类 5

3.2 晶体振荡器电路的类型及其工作原理 6

3.2.1 串联型谐振晶体振荡器 6

3.2.2 并联谐振型晶体振荡器 7

3.2.3 泛音晶体振荡器 9

3.3 确定工作点和回路参数 9

3.3.1 确定工作点 9

3.3.2 回路参数的确定 10

3.4 提高振荡器的频率稳定度 10

第四章总结 11

附录 11设计一个晶体振荡器。

晶振频率为20mhz，输出信号幅度》=5v（峰-峰值），可调。

通过设计晶体振荡器，了解石英晶体的结构和特性，提高动手能力，掌握晶体振荡器的设计方法以及设计思路。

如果在放大器的输入端不加输入信号，输出端仍有一定的幅值和频率的输出信号，这种现象叫做自激振荡。自激振荡器产生的波形可能是正弦波，也可能是非正弦波。其中正弦波自激振荡器在广播通讯、自动控制、仪器仪表、高频加热、超声探伤等领域有着广泛的应用；而非正弦振荡器能产生出矩形波（方波）、三角波、锯齿波等信号，这些信号可以用于测量设备、数字系统、自动控制及计算机设备中。

在振荡器中要维持等幅的自激振荡，基本放大器输入端的反馈信号必须和原输人信号幅度相等，同时相位也应相同。af=1就是产生自激振荡时a、f应满足的基本数学条件。其中a和f是频率的函数，一般也可以表示为复数形式。

复数乘积af=1的涵义就是振荡器电路的环路放大倍数等于l , 同时复数的相位值等于2nπ，其中n=0,士1, 士2，…。总之，产生自激振荡既要满足幅度条件，也要满足相位条件。假若af<1,则xf＜xi，则振荡幅度越来越小，最终将导致振荡电路停振。

这也从反面说明了，只有af≥1，电路才能维持振荡。根据振荡条件，信号由图2.1中的输人端开始，沿环路绕行一周，必须保证其振幅与相位不变。

一个振荡器必须同时满足这两个条件，才有可能产生自激振荡。

图2. 1 自激振荡器方框图。

i. 起振过程。

在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压xi的产生原因有两种：一是在电路接通电源时取得。因为接通电源时，电路各处都存在瞬变过程，在输人端的瞬变电压即可作为起始输人电压；二是放大器中存在各种微小的电扰动和噪声电压。

这两种原因所取得的起始电压包含着极为丰富的各种频率分量）它们中总会有符合相位条件的某个频率成分，最终成为自激信号的最初**。至于振幅条件更容易满足，由于开环放大倍数a是无穷大，很容易满足起振条件af≥l的要求。

为了保证电路在指定的频率上振荡起来，常常为这种自激振荡器安排一个谐振在指定频率上的选频回路，使电路更容易在指定的频率上满足产生自激振荡的条件。放大器获得起始瞬时榆入电压了xi后，接着产生输出信号电压和正反馈电压，并且经过放大器的选频后，指定频率的输出电压幅度增大了，反馈电压的幅度也增大，经过电路的正反馈、放大、再反溃、再放大的循环过程，使振荡电压由小到大逐渐建立起来。

ii. 振幅的稳定。

振荡器接通电源开始起振时，起始信号可能很弱。此时放大器工作**性放大区，信号被放大，其振幅逐渐增加，反馈信号的振幅也随之增加。促使它们不断增大的因素是放大作用和正反馈。

当振幅增大到某种程度后，由于二极管特性的非线性，晶体三极管工作范围将超出放大区．进人饱和区或截止区。放大器的放大倍数将显著下降，因而使输出信号振幅的增大程度变缓。另一方面，能量的损耗也会使输出信号振幅的增大程度变缓。

因为振荡器所消耗的能量来自电源，故电路中所能取得的能量总是有限的。当振荡器输出信号的幅度加大时，其电路各部分的能量消耗也加大了（包括负载的功率输出），由于能量的供给有限，使电路的输出振幅不可能无限增大。所以振荡器的振幅只能增大到某种程度，此后形成等幅振荡波形输出。

反馈振荡器若满足起振、平衡，稳定三个条件，就能够产生等幅持续的振荡波形。当受到外界不稳定因素影响时，振荡器的相位或振荡频率可能发生些微变化，虽然能自动回到平衡状态，但振荡频率在平衡点附近随机变化这一现象却是不可避免的。为了衡量实际振荡频率f相对于标称振荡频率f0变化的程度，提出了频率稳定度这一性能指标。

频率稳定度是将振荡器的实测数据代入规定的公式中计算后得到的。根据测试时间的长短，将频率稳定度分成长期频稳度、短期频稳度和瞬时频稳度三种。测试时间分别为一天以上、一天以内、和一秒以内。

时间划分并无严格的界限，它是按照引起频率不稳定的因素来区别的。长期频稳度主要取决于元器件的老化特性，短期频稳度主要取决于电源电压和环境温度的变化以及电路参数的变化等等，而瞬时频稳度则与元器件的内部噪声有关。

通常所讲的频率稳定度一般指短期频稳度，定义为。

其中，（δf0）i=∣fi—f0∣是第i次测试时的绝对频率偏差。

1) 普通晶振(晶体振荡器)（spxo）可产生10^(-5)～10^(-4)量级的频率精度，标准频率1—100mhz,频率稳定度是±100ppm。spxo没有采用任何温度频率补偿措施， **低廉，通常用作微处理器的时钟器件。封装尺寸范围从21×14×6mm及5×3.

2×1.5mm。

2) 电压控制式晶振(晶体振荡器)（vcxo）的精度是10^(-6)～10^(-5)量级，频率范围1~30mhz。低容差振荡器的频率稳定度是±50ppm。通常用于锁相环路。

封装尺寸14×10×3mm。

3) 温度补偿式晶振(晶体振荡器)（tcxo）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10^(-7)～10^(-6)量级，频率范围1—60mhz,频率稳定度为±1～± 2.5ppm,封装尺寸从30×30×15 mm至11.4×9.

6×3.9mm。通常用于手持**、蜂窝**、双向无线通信设备等。

4) 恒温控制式晶振(晶体振荡器)（ocxo）将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。ocxo频率精度是10^(-10)至10^(-8)量级，对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。

串联型晶体振荡器是将石英晶体用于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件的特性，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶体串联谐振频率fs上起振。图3.2.

1是一种串联型单管晶体振荡器电路，图3.2.2是其高频等效电路。

这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶体。ｌ、和组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。

图3.2.1 串联谐振型晶体振荡器。

图3.2.2 串联晶体振荡器交流等效电路。

图3.2.3 并联谐振型晶体 c—b型振荡器电路（皮尔斯电路）

图3.2.4 并联谐振型晶体振荡器高频回路等效电路。

a) 振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管ｃ、ｂ端，ｃ、端和ｅ、ｂ端的接入系数分别是：

以上三个接入系数一般均小于，所以外电路中的不稳定参数对振荡回路影响很小，提高了回路的标准性。

b) 振荡频率几乎由石英晶体的参数决定，而石英晶体本身的参数具有高度的稳定性。振荡频率，其中是和晶体两端并联的外电路各电容的等效值，即根据产品要求的负载电容。在实用时，一般需加入微调电容，用以微调回路的谐振频率，保证电路工作在晶体外壳上所注明的标称频率fn上。

c) 由于振荡频率一般调谐在标称频率上，位于晶体的感性区内，电抗曲线陡峭，稳频性能极好。

d) 石英晶体的q值和特性阻抗都很高，所以晶体的谐振电阻也很高，一般可达以上。这样即使外电路接入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。

在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电路中，为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上，不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡而且必须正确地调节电路的环路增益，使其在工作泛音频率上略大于1，满足起振条件，而在更高的泛音频率上都小于1，不满足起振条件。

在实际应用时，可在三点式振荡电路中，用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件，使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则，不能起振；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振。

图3.2.5给出了一种并联泛音晶体振荡电路。

假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为5mhz，基频为1mhz，则lc1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样在5mhz频率上，lc1回路呈容性，振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说，lc1回路呈感性，电路不符合组成法则，不能起振。

而在七次及其以上泛音频率，lc1回路呈现容性，但等效容抗减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于1，不满足振幅起振条件。

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