摘要

石英晶體正弦波振蕩器簡(jiǎn)稱晶振，是以高穩(wěn)定度、高Q值的石英諧振器替代LC振蕩器中震蕩回路的電感、電容元件而構(gòu)成的自激正弦波振蕩器，它利用石英晶體的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化。由于晶體振蕩器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。?

本設(shè)計(jì)對(duì)利用石英晶體構(gòu)成正弦波的振蕩器的方法做了較深入的研究，對(duì)振蕩器的原理及石英晶體振蕩器原理做了詳細(xì)的介紹并通過Multisim?軟件設(shè)計(jì)、仿真出串并聯(lián)可交換的石英晶體振蕩器，最后按照原理圖進(jìn)行實(shí)物的連接、調(diào)試和參數(shù)的計(jì)算。

石英晶體振蕩器是利用石英晶體即二氧化硅的結(jié)晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn)稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳?上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。石英晶體振蕩器具有很好的標(biāo)準(zhǔn)性和極高的品質(zhì)因素，因此利用石英晶體振蕩器作濾波原件構(gòu)成的振蕩器，具有很高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度的穩(wěn)頻措施后，石英晶體振蕩器可以達(dá)到很好的頻率穩(wěn)定度。

石英晶體特性簡(jiǎn)介?

壓電效應(yīng)?

晶體的基本特性是它具有壓電效應(yīng)。依靠這種效應(yīng)，可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；反之，也可以將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。所謂壓電效應(yīng)就是在石英晶體打兩個(gè)電極上加直流電場(chǎng)，晶體就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變。反之，若在晶體的兩側(cè)施加一機(jī)械壓力，則會(huì)在晶體相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。若是晶體懶得兩級(jí)上叫交變激勵(lì)電壓，晶體就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同樣晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。且當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率激勵(lì)下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。

晶振的優(yōu)缺點(diǎn)?

優(yōu)點(diǎn)：使用石英晶體作為震蕩回路元件，能夠使振蕩器的頻率穩(wěn)定度大大提高，原因有三：石英晶體的物理特性和化學(xué)特性都十分穩(wěn)定，因此，它的等效諧振回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。它具有正、反壓電效應(yīng)，而且在諧振頻率附近，晶體的等效參數(shù)L很大、C很小、R也不高，因此，晶體的Q值可高達(dá)數(shù)百萬數(shù)量級(jí)。在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻率內(nèi)，具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對(duì)頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。?????缺點(diǎn)：石英晶體諧振器的主要缺點(diǎn)時(shí)它的單頻性，即每塊晶體只能提供一個(gè)穩(wěn)定的振蕩頻率，因而不能直接用于波段振蕩器。

晶體振蕩器?

起振和穩(wěn)幅?

起振過程?

在振蕩開始時(shí)，由于激勵(lì)信號(hào)較弱，輸出電壓的振幅比較小，此后經(jīng)過不斷的放大與反饋循環(huán)，輸出幅度開始逐漸增大，為了維持這一過程，必須滿足AF≥l的要求

振幅的穩(wěn)定?

振蕩器接通電源開始起振時(shí)，起始信號(hào)可能很弱。此時(shí)放大器工作在線性放大區(qū)，信號(hào)被放大，其振幅逐漸增加，反饋信號(hào)的振幅也隨之增加。促使它們不斷增大的因素是放大作用和正反饋。當(dāng)振幅增大到某種程度后，由于二極管特性的非線性，晶體三極管工作范圍將超出放大區(qū)．進(jìn)人飽和區(qū)或截止區(qū)。放大器的放大倍數(shù)將顯著下降，因而使輸出信號(hào)振幅的增大程度變緩。另一方面，能量的損耗也會(huì)使輸出信號(hào)振幅的增大程度變緩。因?yàn)檎袷幤魉牡哪芰縼碜噪娫?，故電路中所能取得的能量總是有限的。?dāng)振蕩器輸出信號(hào)的幅度加大時(shí)，其電路各部分的能量消耗也加大了（包括負(fù)載的功率輸出），由于能量的供給有限，使電路的輸出振幅不可能無限增大。所以振蕩器的振幅只能增大到某種程度，此后形成等幅振蕩波形輸出。

??串聯(lián)型晶體振蕩器實(shí)際電路?????串聯(lián)型晶體振蕩器等效電路

輸出緩沖級(jí)?

常用的輸出緩沖級(jí)是在電路的輸出端加一射極跟隨器，從而提高回路的帶負(fù)載能力。射極跟隨器的特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大倍數(shù)略低于1，帶負(fù)載能力強(qiáng)，具有較高的電流放大能力，它可以起到阻抗變換和極間隔離的作用，因而可以減小負(fù)載對(duì)于振蕩回路的影響，射極跟隨器的典型電路如圖所示。

輸出緩沖級(jí)電路

晶體正弦波振蕩器原理圖及參數(shù)計(jì)算?

晶體振蕩器總原理圖

從圖中可以看到：R1、R2：為三極管Q1提供偏置電壓。?

R8：改變阻值的大小可以改變Q1的靜態(tài)工作點(diǎn)。?

C1：用于在振蕩器起振時(shí)將R2短路從而可以是振蕩器可以正常的振蕩。?

C2、C3：組成反饋分壓，用于為振蕩器提供反饋信號(hào)。?

ZL1、ZL2：為高頻扼流圈，目的是防止高頻信號(hào)流經(jīng)電源。?

C6、C7、C8、C9為高頻旁路電容，濾除高頻部分。?Q2連接成射極跟隨器，用于提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。

J1上端打開時(shí)，J2斷開時(shí)振蕩器為串聯(lián)型晶體振蕩器，此時(shí)晶體相當(dāng)于選頻短路線；當(dāng)J1下端打開，J2接通時(shí)振蕩器為并聯(lián)型晶體振蕩器，此時(shí)晶體相當(dāng)于一等效電感。

元件參數(shù)的計(jì)算?

正確的靜態(tài)工作點(diǎn)是振蕩器能夠正常工作的關(guān)鍵因素，靜態(tài)工作點(diǎn)主要影響晶體管的工作狀態(tài)，若靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置不當(dāng)則晶體管無法進(jìn)行正常的放大，振蕩器在沒有對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)是無法工作的。振蕩器主電路的靜態(tài)工作點(diǎn)主要由R1、R2、R3、R8決定，將電感短路，電容斷路，得到直流通路如圖4-9所示。
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直流通路等效電路

如圖所示，其中V1=5V，要使三極管滿足起振條件，則靜態(tài)時(shí)它應(yīng)工作在放大區(qū)，故R3兩端電壓應(yīng)大于0.7V，一般情況下發(fā)射極電流為mA級(jí)，基極電流uA級(jí)。不妨取R1=R3=5.1KΩ，R2=400Ω，β=45則Vb=2.5V，Ie=4.5mA,Ib=100uA,符合射級(jí)要求。為了調(diào)節(jié)方便，在R1處在串聯(lián)一電位器，最大阻值為10K。對(duì)于振蕩器，當(dāng)該電路接為串聯(lián)型振蕩器時(shí)，晶體起到選頻短路線的作用，輸出頻率應(yīng)為10MHZ，不妨取L1=1uH,則由f0=2πLC回路總電容C=253.3pF，即C2，C3串聯(lián)后的總電容為253.3?pF，則取C2=300pF，C3=1600pF.為了便于調(diào)節(jié)C2由一定值電阻和可變電阻并聯(lián)而成。當(dāng)該電路接為并聯(lián)型振蕩器時(shí)，晶體起到等效電感的作用，此時(shí)工作頻率介于兩諧振頻率之間。同時(shí)為了提高振蕩器的帶負(fù)載能力，應(yīng)附加一個(gè)緩沖輸出級(jí)，本設(shè)計(jì)中使用的是一個(gè)射級(jí)跟隨器，其各參數(shù)如圖4-8所示。為了提高振蕩器的工作性能和穩(wěn)定度，在電路中還應(yīng)有高頻電源去耦電容和高頻扼流圈，一般取電解電容C=100nF，瓷片電容C=10?nF，扼流圈L=330mH。

電路仿真?

靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)試?

根據(jù)設(shè)計(jì)好的靜態(tài)工作點(diǎn)的電路圖，在Multisim軟件中分別在晶體管Q1、Q2的b、e、c三端接入示波器，觀察靜態(tài)時(shí)各極上的電壓。測(cè)量結(jié)果如表5-1所示。
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根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可以看出，Q1、Q2均工作在放大狀態(tài)，滿足起振條件，該電路的靜態(tài)工作點(diǎn)符合要求。

串聯(lián)型振蕩器輸出測(cè)試?

在Multisim軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真，此時(shí)開關(guān)J1上端接通，下斷開，J2全部斷開，形成串聯(lián)型振蕩器，為了便于觀察振蕩器工作時(shí)各部分電路的工作情況，分別在振蕩器輸出端和緩沖級(jí)輸出端接入示波器觀察波形，記錄示波器上顯示的輸出振幅和輸出頻率，仿真波形如圖5-1所示。

串聯(lián)型振蕩器輸出波形

從圖5-1中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為Vo=1.34V，輸出頻率f=6.38MHZ，波形有較小的失真，這是由于元件參數(shù)的精度較低導(dǎo)致的，該振蕩器的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。

并聯(lián)型振蕩器輸出測(cè)試?

在Multisim軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真，此時(shí)開關(guān)J1上端斷開，下端接通，J2接通，形成并聯(lián)聯(lián)型振蕩器，為了便于觀察振蕩器工作時(shí)各部分電路的工作情況，分別在振蕩器輸出端和緩沖級(jí)輸出端接入示波器觀察波形，記錄示波器上顯示的輸出振幅和輸出頻率，仿真波形如圖5-2所示。

從圖中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為Vo=1.46V，輸出頻率f=6.69MHZ波?形有較小的失真，這是由于元件參數(shù)的精度較低導(dǎo)致的，該振蕩器的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。