2022年石英晶体正弦波振荡器方案.docx

精品学习资源目 录第一章 振荡器的基本常识 .1 第一节 振荡器的分类 . .1 其次节 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 振幅的稳固 . .3第四节 正弦波振荡器 . 4 第五节 频率稳固度 . . . .5 其次章 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 其次节 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 电路的挑选 . 10 其次节 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） 挑选电路 . . .10<二） 挑选晶体管和石英晶体 . 11<三） 确定直流工作点并运算偏置电路元件参数11<四） 求C1C2Ct的电容值 . 12心得体会 13参考文献 13欢迎下载精品学习资源第一章 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 量转换为肯定频率、肯定幅度和肯定波形的沟通能量输出；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，因此也经常被称为信号发生器 <signalcreator）；振荡器的类型繁多，依据振荡过程是否依靠于外部鼓励信号的参加，可以分为他激振 荡器和自激振荡器；依据波形分类有正弦波振荡器和非正弦波振荡器； 依据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；依据振荡器的选频元件分类，就有RC振荡器、 LC振荡器、石英晶体振荡器等；其次节振荡产生的原理一 自激振荡的产生无需外加鼓励就能产生特定波形的沟通输出信号，这种振荡电路称为自激振荡器；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、自动掌握、仪器外表、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、自动掌握及运算机设备中；振荡产生的原理并不复杂，有时甚至会在不经意中自动发生；例如，当我们演唱卡拉 OK时，话筒将唱歌的信号转变为电信号，经扩音机放大后推动扬声器发出声音；这个过程可以用图1.1<a）表示；假如扬声器和话筒的相对位置支配不当，如图1.1<b）所示那样， 扬声器发出的声音将和唱歌声同时进人话筒，形成正反馈；如此反复循 环，将形成声 -电和电-声变换系统的自激振荡；此时即使没有输入信号，在扬声器中也会显现啸叫声，这是 “声回授 ”参加到电路中产生的振荡；上述的 “同授”也叫作反馈；在设置有反馈支路的放大器中，如在某些频率点上由于反馈不当，形成了正反馈所需的相移量并具有足够的强 度，符合自激振荡的条件，就会产生一种不期望的“寄生振荡 ”它经常会埋没“有用”的信号而使放大器的工作不稳固；在正常放大器中不期望振欢迎下载精品学习资源荡显现，但是可以利用这一现象制成振荡器；事实上，振荡器都是利用电路中的正反馈来工作的；正反馈放大器形成自激振荡的原理可以用图1.2来说明；图 1.2.1图1.2.2正反馈放大器形成自激振荡的原理二产生振荡的条件在振荡器中要维护等幅的自激振荡，基本放大器输入端的反馈信号 必需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应满意的基本数学条件；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 2N ，其中N=0,士1,士2，士3，；总之，产生自激振荡既要满意幅度条 件，也要满意相位条件；假如 AF<1,就XfXi ，就振荡幅度越来越小，最终将导致振荡电路停振；这也从反面说明白，只有AF1，电路才能维护振荡；欢迎下载精品学习资源依据振荡条件，信号由图 1.3中的输人端开头，沿环路绕行一周， 必需保证其振幅与相位不变；一个振荡器必需同时满意这两个条件，才有可能产生自激振荡；图 1.2.3 自激振荡器方框图振荡器中的反馈支路经常采纳电抗元件构成二当信号频率确定后， 这些电抗元件和信号的频率就共同打算了此信号相移的大小；电路的起振假如是由频率成分丰富的噪声引起的，那么总会有其中的一个频率满意相位平稳条件；有了噪声作为起始信号，电路不需要另外送人信号， 就能产生输出信号；第三节起振和稳幅一 起振过程在自激振荡器中，起始瞬时的输入电压的产生缘由有两种：一是在电路接通电源时取得；由于接通电源时，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；这两种缘由所取得的起始电压包含着极为丰富 的各种频率重量）它们中总会有符合相位条件的某个频率成分，最终成 为自激信号的最初来源；至于振幅条件更简洁满意，由于开环放大倍数 A是无穷大，很简洁满意起振条件AF l 的要求；为了保证电路在指定的频率上振荡起来，经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，使电路更简洁在指定的频率上满 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步建立起来；二 振幅的稳固振荡器接通电源开头起振时，起始信号可能很弱；此时放大器工作在线性放大区，信号被放大，其振幅逐步增加，反馈信号的振幅也随之欢迎下载精品学习资源增加；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，晶体三极管工作范畴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；由于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），由于能量的供应有限， 使电路的输出振幅不行能无限增大；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；第四节 正弦波振荡器图 1.4.1正弦波振荡器 <sin-waveoscillator）可以输出单一颗率的正弦波，是应用最为广泛的振荡器；从结构上看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器；图 1.4.1<a ）表示接成正反馈时，因此有放大电路在输入信号 时的方框图；可改画成图 1.4.1<b ）所示；由图可知，如在放大器的输入端 <1 端）外接肯定频率、肯定幅度的正弦波信号 经过基本放大器和反馈网络构成的环路传输后 , 在反馈网络的输出端 <2 端> ，得到反馈信号 与 在大小和相位上都一样 , 那么就可以去除外接信号 ，而将<1）、<2）两端连接在一起 如图中的虚欢迎下载精品学习资源线所示）而形成闭环系统，其输出端可能连续维护与开环时一样的输出信号；这样由于便有或正弦波振荡器的振荡条件为： 幅度平稳条件：， 相位平稳条件：第五节 频率稳固度在工程应用中，要求正弦波振荡电路的振荡频率有肯定的稳固度， 有必要引用频率稳固度来作为衡量振荡电路的质量指标之一；频率稳固度一般用频率的相对变化量f/f0 来表示， f0为振荡频率，f为频率偏移；频率稳固度有时附加时间条件，如一小时或一日内的频率相对变化量；各振荡电路频率特性如图1.5.1图 1.5.1振荡电路频率特性欢迎下载精品学习资源第一章 石英晶体第一节 石英晶体基本特性石英晶体振荡电路之所以具有极高的频率稳固度，主要是由于采纳了具有极高 Q值的石英晶体元件；一 石英晶体的基本结构石英晶体是一种各向异性的结晶体，它是硅石的一种，其化学成分是二氧化硅；从一块晶体上按肯定的方位角切下的薄片称为晶片<可以是正方形、矩形或圆形等 >，然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板，就构成石英晶体产品，如图 2.1.1所示，一般用金属外壳密封，也有用玻璃壳封装的；欢迎下载精品学习资源二 压电效应图 2.1.1 石英晶体结构欢迎下载精品学习资源如在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生气械变形；反之，如在晶片的两侧施加机械压力，就在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应；假如在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生气械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场；在一般情形下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅特别微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与 LC 回路的谐振现象特别相像；它的欢迎下载精品学习资源谐振频率与晶片的切割方式、几何外形、尺寸等有关；其次节石英晶体等效电路石英晶体的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值等效于 L/C> ，因而它的品质因数 Q高达10000500000的范畴内；等效电路中元件的典型参数为： Co分布电容很小：几 pF几十 pF，L ：几十mH几百 mH，C动态电容： 0.0002pF 0.1pF；如图2.2.1所示；由等效电路可知，石英晶体有两个谐振频率，即图2.1.2石英晶体的符号、等效电路和电抗特性；<1）L-C-R 支路串联谐振<2）当f>fs时， L-C-R 支路呈感性，与 Co产生并联谐振；由于Co>>C，故fP fS.欢迎下载精品学习资源图2.1.3 外接可调电容在实际应用中，通常串入一个用于校正振荡频率的小电容CS，如图2.1.3所示，图电路的电抗为 X'，就令上式中的分子为零得 <串联谐振）：CS一般采纳微调电容，使 fs'在fs和fP之间的一个狭窄的范畴内调整；将上式绽开成幂级数的形式，并考虑到C<<<C0+CS），就由于Co<几pF几十 pF）， C<0.0002pF0.1pF）， CS>C，所以振荡频率的相对变化量很小；欢迎下载精品学习资源串并联石英晶体振荡电路由英晶体的频率特性可构成两种不同类型的频率高度稳固的正弦波振荡电路：1） 当石英晶体发生串联谐振时，它呈纯阻性，相移是0；如把石英晶体作为放大电路的反馈网络，并起选频作用，只要放大电路的相移也 是0，就满意相位条件；形成串联型石英晶体正弦波振荡电路；2） 当频率在 fs与fp之间，石英晶体呈感性，可将它与两个 C构成电容三点式正弦波振荡电路，形成并联型石英晶体正弦波振荡电路；如图2.1.4如图 2.1.4 串并联石英晶体正弦波振荡器欢迎下载精品学习资源其次章 12Mhz 石英晶体正弦波振荡器第一节电路的挑选晶体振荡电路中，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 依据三端电路的基本准就组成三端振荡器；依据实际常用的两种类型， 电感三点式和电容三点式；常用电路简洁结构如图3.1.1和3.1.2所示；由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性荣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畴内工作；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畴内具有极陡峭的相频特性 曲线；所以他具有很高的稳频才能，或者说具有很高的电感补偿才能； 因此选用 c-b型皮尔斯电路进行制作；图3.1.1 c-b型电路图3.1.2 b-e型电路其次节 石英晶体振荡器设计一 主要技术指标：振荡频率： .；=12MHz-6短期稳固度： .；/.；优于士 15×10工作环境温度范畴： -40 +85 电源电压： +12V二 设计说明<1）挑选电路形式 ：选用12MHz 皮耳斯c-b型电路如图 3.2.1所示欢迎下载精品学习资源图 3.2.1 12MHz 皮尔斯c-b型电路<2）挑选晶体管和石英晶体 ；依据设计要求，按公式 .max=.T2 10>.H=<24 120MH）z挑选高频管 3DG6C型晶 体管 作为 振 荡管 ； 查 手册 其参 数如 下：.T=250MHz； . 40 ， 取 . =50； NPN型通 用； 额压 ： 20V ；Icm=20mA；Po=0.1W；. .T/. =5MHz ；石英谐振器可选用 HC-49S系列，其性能参数为：标称频率 .；=12 MHz ；工作温度： -40 +85； 25时频率偏-6-6欢迎下载精品学习资源差 ： 士3× 10 士30× 10； 串 联谐 振 电 阻：欢迎下载精品学习资源60；负载电容： CL=10PF,鼓励功率： 0.010.1mW；<3）确定直流工作点并运算偏置电路元件参数依据3DG6C的静态特性曲线选取工作点为：I E=2mA, Uce=0.6Vcc=0.6× 12=7.2V；取 Uc=0.8Vcc=0.8×12=9.6V；Ue=0.2Vcc=0.2× 12=2.4V就有 Rc=<Vcc-Uc ）/ IE=<12-9.6）/0.002=1.2K Re=Ue/IE=2.4/0.002=1.2K取RB2=5Re=6K欢迎下载精品学习资源RB1=<Vcc-Ue ）/Ue ×RB2=24K依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= 1.2K；RB1= 24K， RB2=6.2K；<4）求 C1C2Ct 的电容值 在运算时，由下式运算的值=26 . / IE=6506依据C1 × C2=50/<2 × 12× 10 ）× 650×12001+ ./ . .>2 .=4341.3PF>2依据负载电容的定义，对于图 3.2.1所示的电路可以得出CL=1/1/C1,2>+1/Ct式中， C1， 2为C1与C2相串联的电容值，由上式可得C1,2=CtCL /<Ct-CL）如取Ct=30pF<一般Ct应略大于负载电容值），就C1,2=CtCL/ <Ct-CL）=<30×10） /<30-10）=15pF由反馈系数 F=C1/C2和C1,2=C1C2/C1-C2两式联立解，并取 F=1/2就C1=C1,21+F>=22.5pF C2=C1,21+1/F>=45pF依据电容量的标称值，取 C1、C2为聚苯乙烯电容， C1=20pF,C2=40pF，C1× C2=20×40=800PF>2 4341.3PF>2可见该值远小于由 C1×C2乘机的极限值，故该电路满意起振条件；欢迎下载精品学习资源心得体会这次课程设计历时一个星期多左右，通过这一个星期的学习，发觉了自己的很多不足，自己学问的很多漏洞，理论学问仍不够扎实；这次的课程设计也让我看到了个人力气的微小，我认为一个人工作是很艰巨的工作，自己犯了错误是很难发觉的，只有等到做完在同学们检查以后才知道仍有很多不足之处；我需要团队，需要合作，需要帮忙；刚开头的时候，依据老师给的任务书，去找了资料，后来又积极的查询了相关资料，自己就动手开头一星期的设计；在课程设计中一个人学问的有限性往往是导致最终设计的片面，甚至是失败；而这次设计也正好锤炼我们这一点，这也是特别珍贵的；在这个过程中，我也曾经由于无从下手，对设计问题的迷茫而失落过，也曾经为胜利的画了一个原理图而热忱高涨过；生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收成；劳动是人类生存生活永恒不变的话题；虽然这只是一次的极简洁的课程设计，可是平心而论，也耗费了我不少的心血，这就让我不得不佩服技术编书方面前辈，让我意识到老一辈对我们社会的付出是艰辛的；通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们的确很辛苦，但苦中仍有乐，和自己的这一星期一起面对，和同学们一起劳碌的日子，让我们相互帮忙，多少人间欢快在这里洒下；对我而言，学问上的收成重要，精神上的丰收更加可喜；让我知道了学无止境的道理；我们每一个人永久不能满意于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面仍有更高的山峰在等着你；挫折是一份财宝，经受是一份拥有；这次课程设计将成为我人生旅途上一个特别美好的回忆！最终，我要感谢我的高频老师，感谢老师这一学期来对我的教诲；参考文献：1、李银华 电子线路设计指导 北京航天航空高校出版社 2005.62 、谢自美电子线路设计·试验·测试华中科技高校出版社2003.103、张肃文 高频电子线路 高等训练出版社 2004.11欢迎下载