1、武漢理工大學高頻電子電路課程設計目 錄摘要.11.引言.32.Multisim 簡介.43.正弦波振蕩器的基本原理.6 3.1起振過程與起振條件.6 3.2平衡過程與平衡條件.73.3平衡狀態的穩定條件.84.三點式LC振蕩器.94.1電容三點式振蕩器.94.2克拉勃電路.104.3西勒電路.115.石英晶體振蕩器.125.1 壓電效應及其等效電路.125.2石英晶體的阻抗特性.125.3石英晶體振蕩器電路.135.3.1并聯型晶體振蕩電路.135.3.2串聯型晶體振蕩電路.146.振蕩電路的設計及仿真.146.1 主要原件參數設計.146.1.1振蕩電路部分.156.1.2輸出級部分.176

2、.2 電路的仿真.167. 調試波形與實物圖.218.總結.24參考文獻.25附錄1.元件清單.26摘要：石英晶體振蕩器是一種高精度和高穩定度的振蕩器，被廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統中用于頻率發生器、為數據處理設備產生時鐘信號和為特定系統提供基準信號。石英諧振器因具有極高的頻率穩定性，故主要用在要求頻率十分穩定的振蕩電路中作諧振元件，如彩電的色副載波振蕩器、電子鐘表的時基振蕩器及游戲機中的時鐘脈沖振蕩器等，石英晶體成本較高，故在要求不太高的電路中一般采用陶瓷諧振元件。本設計對利用石英晶體構成正弦波的振蕩器的方法做了較深入的研究，對振蕩器的原理及石英晶體振蕩器原理

3、做了詳細的介紹并通過Multisim 軟件設計、仿真出串并聯可交換的石英晶體振蕩器，最后按照原理圖進行實物的連接、調試和參數的計算。關鍵詞：晶體；振蕩器；串并聯；Multisim仿真Abstract: Quartz crystal oscillator is a high precision and high stability of the oscillator, is widely used in color television sets, computers, remote controls and other kinds of oscillator circuits, and com

4、munications systems for the frequency generator, generate the clock for the data-processing equipment signal and reference signals for a particular system. Quartz resonators for very high frequency stability, it is mainly used in the required oscillation frequency is very stable as resonant circuit

5、elements such as color TV color subcarrier oscillator, electronic watches and games when the base of the clock oscillator pulse oscillators, quartz crystal high cost, it is not too high in the required circuit components generally use ceramic resonators.This design constitutes a sine wave on the use

6、 of quartz crystal oscillator method to do a more in-depth research on the oscillator principle and principle of quartz crystal oscillators made a detailed introduction and adoption of Multisim software design, simulation a commutative series-parallel quartz crystal oscillator, and finally in accord

7、ance with the schematic diagram for physical connections, debugging and parameter calculation.Keywords：Crystal；Oscillator；Series-parallel；Multisim Simulation1.引言：正弦波振蕩器是能量轉換器件，是指不需要輸入信號控制就能自動地將直流電轉換為特定頻率和振幅的正弦交變電壓（電流）的電路。正弦振蕩電路與非正弦振蕩電路的一個重要區別是:正弦振蕩電路具有選頻網絡。常用的正弦波振蕩器有電容反饋振蕩器和電感反饋振蕩器兩種。后者輸出功率小，頻率較低；而前

8、者可以輸出大功率，頻率也較高。振蕩器與放大器的區別在于無需外加激勵信號就能產生具有一定頻率，一定波形和一定振幅的交流信號。正弦波振蕩器的主要性能指標是振蕩頻率的準確度和穩定度、振蕩幅度的大小其穩定性、振蕩波形的非線性失真、振蕩器的輸出功率和效率。振蕩器輸出的信號頻率、波形、幅度完全由電路自身的參數決定。正弦波振蕩器可分為兩大類：1、正反饋振蕩器：正反饋振蕩器是利用反饋原理構成的，它是目前應用最廣的一類振蕩器。它又可分為LC振蕩器、晶體振蕩器和RC振蕩器三類。2、負阻振蕩器：負阻振蕩器將負阻抗元件直接連接到諧振回路中，利用負阻器件的負阻抗效應去抵消回路中的損耗，從而產生出正弦波振蕩。正弦波振蕩器

9、廣泛用于各種電子設備中。此類應用中，對振蕩器提出的要求是振蕩頻率和振蕩振幅的準確性和穩定性。正弦波振蕩器的另一類用途是作為高頻加熱設備和醫用電療儀器中的正弦交變能源。這類應用中，對振蕩器提出的要求主要是高效率地產生足夠大的正弦交變功率，而對振蕩頻率的準確性和穩定性的要求一般不作苛求。2.Multisim簡介NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件。作Windows 下運行的個人桌面電子設計工具，NI Multisim 是一個完整的集成化設計環境。NI Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節的這一問題。學員可以很方便地

10、把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現出來，并且可以用虛擬儀器技術創造出真正屬于自己的儀表。NI Multisim軟件絕對是電子學教學的首選軟件具。(1)直觀的圖形界面整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的；(2)豐富的元器件提供了世界主流元件提供商的超過17000多種元件，同時能方便的對元件各種參數進行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創建模型等功能，創建自己的元器件。(3)強大的仿真能力以SPICE3F5

11、和Xspice的內核作為仿真的引擎，通過Electronic workbench 帶有的增強設計功能將數字和混合模式的仿真性能進行優化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向導等功能。(4)豐富的測試儀器提供了22種虛擬儀器進行電路動作的測量：萬用表、函數信號發生器、瓦特表、示波器、波特儀、字符發生器、邏輯分析儀、邏輯轉換儀、失真度儀、頻譜儀、網絡分析、測量探針、四蹤示波器、頻率計數器、伏安特性分析儀、安捷倫仿真儀器、安捷倫示波器、泰克仿真示波器、伏特表、安培表、電流探針、Lab VIEW儀器。這些儀器的設置和使用與真實的一樣，動態互交顯示。除了Multisim提供的默

12、認的儀器外，還可以創建LabVIEW的自定義儀器，使得圖形環境中可以靈活地可升級地測試、測量及控制應用程序的儀器。(5)完備的分析手段Multisimt提供了許多分析功能：直流工作點分析、交流分析、瞬態分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真度分析、直流掃描分析、直流和交流靈敏度分析、參數掃描分析、溫度掃描分析、傳輸函數分析、最差情況分析、零級分析、蒙特卡羅分析、線寬分析、嵌套掃描分析、批處理分析、用戶自定義分析。它們利用仿真產生的數據執行分析，分析的范圍很廣，并可以將一個分析作為另一個分析的一部分的自動執行。集成LabVIEW和Signalexpress快速進行原型開發和測試設計，具有符合行業標準的

13、交互式測量和分析功能。(6)獨特的射頻(RF)模塊提供基本射頻電路的設計、分析和仿真。射頻模塊由RF-specific（射頻特殊元件，包括自定義的RF SPICE模型）、用于創建用戶自定義的RF模型的模型生成器、兩RF-specific儀器（頻譜分析儀和網絡分析儀）、一些RF-specific分析（電路特性、匹配網絡單元、噪聲系數）等組成；(7)強大的MCU模塊支持4種類型的單片機芯片,支持對外部RAM、外部ROM、鍵盤和LCD等外圍設備的仿真，分別對4 種類型芯片提供匯編和編譯支持；所建項目支持C代碼、匯編代碼以及16進制代碼,并兼容第三方工具源代碼； 包含設置斷點、單步運行、查看和編輯內部

14、RAM、特殊功能寄存器等高級調試功能。(8)完善的后處理對分析結果進行的數學運算操作類型包括算術運算、三角運算、指數運行、對數運算、復合運算、向量運算和邏輯運算等；(9)詳細的報告能夠呈現材料清單、元件詳細報告、網絡報表、原理圖統計報告、多余門電路報告、模型數據報告、交叉報表7種報告；(10)兼容性好的信息轉換提供了轉換原理圖和仿真數據到其他程序的方法，可以輸出原理圖到PCB布線（如Ultiboard、OrCAD、PADS Layout2005、P-CAD和Protel）；輸出仿真結果到MathCAD、Excel或LabVIEW；輸出網絡表文件；向前和返回注；提供互聯網共享文件等功能。 3.正

15、弦波振蕩器的基本原理實際中的反饋振蕩器是由反饋放大器演變而來，如圖3。圖3 自激振蕩建立的物理過程若開關K撥向“1”時，該電路則為調諧放大器，當輸入信號為正弦波時，放大器輸出負載互感耦合變壓器L2上的電壓為vf ，調整互感M及同名端以及回路參數，可以使 vi = vf。此時，若將開關K快速撥向“2”點，則集電極電路和基極電路都維持開關K接到“1”點時的狀態，即始終維持著與vi相同頻率的正弦信號。這時，調諧放大器就變為自激振蕩器。起始振蕩信號十分微弱，但是由于不斷地對它進行放大選頻反饋再放大等多次循環，于是一個與振蕩回路固有頻率相同的自激振蕩便由小到大地增長起來。3.1起振過程與起振條件甲類無反

16、饋放大器: 反饋放大器: 圖3.1 基本反饋環 若在某種情況下時，此時即使沒有輸入信號(vi=0)時，放大器仍有輸出電壓放大器變為振蕩器。要維持一定振幅的振蕩，反饋系數F應設計得大一些。一般取這樣就可以使得時的情況下起振。由上分析知，反饋型正弦波振蕩器的起振條件是： 其物理意義是：振幅起振條件要求反饋電壓幅度vf要一次比一次大，而相位起振條件則要求環路保持正反饋。3.2平衡過程與平衡條件所謂平衡條件是指振蕩已經建立，為了維持自激振蕩必須滿足的幅度與相位關系。（1）反饋必須是正反饋即反饋到輸入端的反饋電壓（電流）必須與輸入電壓（電流）同相。也就是說滿足振蕩的相位平衡條件是: 其中，為總相移，為放

17、大相移，為反饋相移，為整數。（2）反饋信號必須足夠大一般情況下，放大器的放大倍數A>1，反饋電路的反饋系數F<1。為了使反饋信號足夠大放大器的增益必須補足反饋系數的衰減，即滿足振蕩的振幅平衡條件為: 所以,振蕩器的平衡條件為:在平衡條件下，反饋到放大管的輸入信號正好等于放大管維持及所需要的輸入電壓，從而保持反饋環路各點電壓的平衡，使振蕩器得以維持。3.3 平衡狀態的穩定條件所謂平衡狀態的穩定條件即指在外因作用下，平衡條件被破壞后，振蕩器能自動恢復原來平衡狀態的能力。振蕩器的穩定包括兩個方面的內容：振幅穩定和相位穩定。 （1）振幅穩定條件 判斷一個點是不是其穩定點，要看此點附近振幅發

18、生變化時，是否能恢復原狀。在平衡點，在K-曲線中，K曲線的斜率是負的，如下圖3.3.1所示。 A 圖3.3.1 K曲線與曲線相交（2）相位穩定條件相位穩定條件的就是研究由于電路中的擾動暫時破壞了相位條件使振蕩頻率發生變化，當擾動離去后，振蕩能否自動穩定在原有頻率上。實質上，相位穩定條件和頻率穩定條件是一回事，因為振蕩的角頻率就是相位的的變化率（）。振蕩器的相位穩定條件是：相位特性曲線在工作頻率附近的斜率是負的，即: 其曲線如下圖3.3.2所示。 f 圖3.3.2 諧振回路的相位穩定作用4.三點式LC振蕩器三點式振蕩器是指LC回路的三個斷點與晶體管的三個電極分別連接而成而組成的一種振蕩器。4.1

19、電容三點式振蕩器圖2.1為電容反饋三點電路的原理電路圖。圖中，L2、C6、和C7組成振蕩回路，作為晶體管放大器的負載阻抗，反饋信號從C7兩端取得，送回放大器輸入端。扼流圈ZL的作用是為了避免高頻信號被旁路，而且為晶體管集電極構成直流通路。圖4.1.1 電容三點式振蕩器如上圖所示，假定在晶體管的基極和發射極間有一輸入信號，當振蕩頻率等于LC回路諧振頻率時，與反相，電流滯后于。上的反饋電壓滯后電流，故與同相，滿足相位平衡條件。為分析方便，可把圖4.1.1畫成圖4.1.2所示的等效電路。圖中為晶體管輸出電阻；為晶體管輸入電阻；為晶體管輸出電容；為晶體管輸入電容；為回路諧振電阻。圖4.1.2 等效電路

20、由圖4.1.2，可得反饋系數: 令,則: 其放大倍數為: 其中，是回路接入系數。為保證相位平衡條件，振蕩器的振蕩頻率基本上等于回路的的諧振頻率，即: 4.2克拉勃電路串聯改進型電容三點式振蕩器如下圖4.2所示。28圖4.2 克拉勃電路克拉勃電路的特點是把基本型的電容反饋三點線路集電極-基極支路的電感改用LC串聯回路代替。該電路的反饋系數為: 電路接成共基極，對交流短路，故基極接地。這種振蕩器的頻率為: 其中由下式決定： 4.3西勒電路西勒電路如圖4.3所示。此電路除了采用兩個容量較大的、外，主要特點就是把基本型的電容反饋線路集電極-基極之路改用LC 并聯回路再與串聯。該電路的回路諧振頻率為:

21、其中回路總電容: 圖4.3 克拉勃電路該電路的反饋系數為: 5.石英晶體振蕩器5.1壓電效應及其等效電路壓電效應是晶體的基本特性，它依靠這種效應，可以將機械能轉變為電能；反之，也可以將電能轉變為機械能。所謂壓電效應就是在石英晶體打兩個電極上加直流電場，晶體就會產生機械形變。反之，若在晶體的兩側施加一機械壓力，則會在晶體相應的方向上產生電場，這種現象稱為壓電效應。若是晶體懶得兩級上叫交變激勵電壓，晶體就會產生機械振動，同樣晶片的機械振動又會產生交變電場。且當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率激勵下的振幅大得多，這種現象稱為壓電諧振。圖5.1是石英晶體諧振器的等效電路。圖中

22、Co是靜電電容，代表石英晶體支架靜電容量，一般為幾至幾百皮法；Lq是動態電感，相當于機械振動的慣性，一般以幾十毫亨至幾百亨；Cq是動態電容，相當于晶體的等效彈性模數，很小，一般以百分之幾皮法計；Rq是動態電阻。相當于晶體的的摩擦損耗，一般以幾至幾百歐計。易知：石英晶體的品質因數很高。 Co RqCqLq 圖5.1 石英晶體諧振器等效電路5.2石英晶體的阻抗特性石英晶體諧振器有兩個諧振頻率,當L、C、R支路串聯諧振時，等效電路的阻抗最小，串聯諧振頻率為fs=1/2，當等效電路并聯諧振時，諧振頻率為fp= fs，顯然，fs < fp，但由于C << C0，因此fs和fp兩個頻率非

23、常接近。 通過石英晶體的等效電路，我們可以得到它的電抗-頻率特性曲線如圖3-2所示，當ffs或f> fp時，晶體諧振器顯容性；當f在fs和fp之間，晶體諧振器等效為一電感，f=fs時，是串聯諧振點，等效阻抗最小；當f=fp時，是并聯諧振點，等效阻抗最大。 圖5.2 晶體的電抗特性曲線5.3石英晶體振蕩器電路5.3.1并聯型晶體振蕩電路晶振電路工作在晶體并聯諧振頻率附近，晶體等效為電感的情況，稱為并聯晶振電路。這種電路由晶體與外接電容器組成，按三點線路的連接原則組成振蕩器，晶體等效為電感。下圖5.3.1(a)為一種并聯型晶體管振蕩電路，其工作頻率由、及晶體構成的回路決定。圖5.3.1（b）

24、為晶體與外部電容的等效電路。 （a） (b)圖5.3.1并聯型晶體振蕩電路由圖（b），令，則，即 整個回路的電容值主要取決于晶體內部的，外部電容的變化基本沒影響，這就是其振蕩頻率保持穩定的原因所在。電路的振蕩頻率，故： 5.3.2 串聯型晶體振蕩電路下圖5.3.2（a）即為串聯型晶體振蕩電路，5.3.2(b)為其等效電路。 （a） (b)圖5.3.2串聯型晶體振蕩電路當回路的諧振頻率等于晶體的串聯諧振頻率時，晶體的阻抗最小，電路滿足相位和振幅條件，振蕩器的工作頻率等于晶體的串聯諧振頻率；反之，當回路的諧振頻率距晶體的串聯諧振頻率較遠時，晶體的阻抗增大，是反饋減弱，從而使電路不能滿足振幅條件，電

25、路不能工作。 6.振蕩電路的設計及仿真如下圖6為設計的高頻正弦振蕩器，通過撥碼開關的選擇，可以組成克拉伯電路、西勒三點式振蕩、晶體串聯振蕩、晶體并聯振蕩四種正弦振蕩器。圖6 總體電路設計原理圖圖6中，C1為基極耦合電容，一般取0.1uF；C3與C4、C5、L1組成電容三點式振蕩，C7與射隨器進行耦合，R1、R2確定基極電位；R4為滑動變阻器，改變阻值的大小可以改變Q1的靜態工作點。Q2連接成射極跟隨器，用于提高系統的帶負載能力。DSW1、DSW2是兩個撥碼開關，當DSW1上端打開時、DSW2中間打開，振蕩器為克拉伯振蕩器；當DSW1上端打開時、DSW2中間和最右邊打開時，為西勒振蕩器；當DSW

26、1下端打開，DSW2中間打開時，振蕩器為串聯型晶體振蕩器；當DSW1上端打開、DSW2最左邊打開時，為并聯型晶體振蕩器。6.1 主要原件參數設計6.1.1 振蕩電路部分電源電壓Vcc=5V,振蕩器靜態工作電流ICQ=2mA， 為提高電路的穩定性，同時又要兼顧放大倍數，可將R3適當取大，取R5=500,則R3=2.5K。 可取，R3用可變電阻來代替，用于控制集電極電流。振蕩回路元件的確定回路中的各種電抗元件都可歸結為總電容 C 和總電感 L 兩部分。確定這些元件參量的方法，是根據經驗先選定一種，而后按振蕩器工作頻率再計算出另一 種電抗元件量。從原理來講，先選定哪種元件都一樣，但從提高回路標準性的

27、觀 點出發，以保證回路電容遠大于總的不穩定電容原則，先選定為宜。 若從頻率穩定性角度出發，回路電容應取大一些，這有利于減小并聯在回路上的晶體管的極間電容等變化的影響。但C不能過大，C過大，L就小，Q值就會降低，使振蕩幅度減小，為了解決頻穩與幅度的矛盾，通常采用部分接入。反饋系數，不能過大或過小，適宜 1/81/2。 因振蕩器的工作頻率為：當LC振蕩時，在本設計中，則回路的諧振頻率主要由決定，即故取=150pf,=100pf,=220pf。對于晶體振蕩，只需和晶體并聯一可調電容進行微調即可。為了盡可能地減小負載對振蕩電路的影響，振蕩信號應盡可能從電路的低阻抗端輸出。例如發射極接地的振蕩電路，輸出

28、宜取自基極；如為基極接地，則應從發射極輸出。6.1.2 輸出級部分輸出級部分由射極跟隨器構成，用于帶動的負載，以滿足設計任務有緩沖級，在100歐姆負載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P)的要求。射極跟隨器，是信號從發射極輸出的放大器。其特點為輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大系數略低于1，負載能力強，常作阻抗變換和級間隔離用。 將三極管按共集方式連接，動態電壓放大倍數小于1并接近1，且輸出電壓與輸入電壓同相但是輸出電阻低，具有電流放大作用，所以有功率放大作用。它從基極輸入信號，從射極輸出信號。它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、輸入信號與輸出信號相位相同的特點。6.2 電路的仿真1.克拉勃振蕩電路仿

29、真圖6.2.1（a）克拉潑仿真波形 圖6.2.1 (b) 克拉潑仿真頻率由圖6.2.1可以看出，克拉潑振蕩電路仿真輸出的正弦波形信號幅度約為1.172V,頻率為6.675MHz。2.西勒振蕩電路仿真 圖6.2.2（a）西勒仿真波形 圖6.2.2（b）西勒仿真頻率由圖6.2.2可以看出，西勒振蕩電路仿真輸出的正弦波信號幅度約為954.904mV，頻率為5.963MHz。3.并聯型晶振電路仿真 圖6.2.3（a）并聯型晶振電路仿真波形 圖6.2.3（b）并聯型晶振電路仿真頻率由圖6.2.3可以看出，并聯型晶振電路仿真輸出的正弦波信號幅度約為742.241mV，頻率為6.323MHz。4.串聯型晶振

30、電路仿真圖6.2.4（a）串聯型晶振電路仿真波形 圖6.2.4（b）串聯型晶振電路仿真頻率由圖6.2.4可以看出，串聯型晶振電路仿真輸出的正弦波信號幅度約為1.053V，頻率為6.119MHz。7. 調試波形與實物圖圖7.1 正面實物圖圖7.2 背面焊接圖圖7.3 電路調試圖7.4 輸出波形圖（西勒）圖7.5 輸出波形圖（并聯晶振）8.總結我們在課堂上掌握的僅僅是專業基礎課的理論面，如何去面對現實中的各種設計？如何把我們所學到的專業基礎理論知識用到實踐中去呢？這次的高頻課程設計就為我們提供了良好的實踐平臺。在這次難得的課程設計過程中我鍛煉了自己的思考能力和動手能力。通過題目構思和設計電路的過程中，加強了我思考問題的完整性和實際生活聯系的可行性。在方案設計選擇上，培養了我綜合應用的能力。鍛煉我們個人的查閱技術資料的能力，動手能力，發現問題，解決問題的能力。并且我們熟練掌握了有關器件的性能及測試方法。在電路的選擇與仿真過程中，我發現從剛開始的Protel到現在的Multisim，不管是學習哪種軟件，都給我留下了很深的印象。由于之前軟件仿真方面接觸的不多，開始著手的時候覺得很費力，但慢慢的摸索出來，到后來就好多了。在每次的課程設計中,遇到問題，最好的辦法就是問別人，因為