1、武漢理工大學高頻電子線路課程設計報告書課程設計任務書學生姓名： 專業班級： 電子1001班 指導教師： 工作單位： 信息工程學院 題 目：高頻晶體正弦波振蕩器初始條件：具較扎實的電子電路的理論知識及較強的實踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設計能力及基本調試能力；能夠正確使用實驗儀器進行電路的調試與檢測。要求完成的主要任務：1. 采用晶體三極管構成一個多功能正弦波振蕩器；2. 額定電源電壓12V ，電流13mA; 輸出頻率 10 MHz；3. 通過跳線可構成串、并聯晶體振蕩器；4. 有緩沖級，在100歐姆負載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P);5.

2、 完成課程設計報告（應包含電路圖，清單、調試及設計總結）。時間安排：12013年12月23日分班集中，布置課程設計任務、選題；講解課設具體實施計劃與課程設計報告格式的要求；課設答疑事項。22013年12月24日 至2013年12月26日完成資料查閱、設計、制作與調試；完成課程設計報告撰寫。3. 2013年12月27日提交課程設計報告，進行課程設計驗收和答辯。指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘 要1緒論21 設計內容及要求32 石英晶體特性簡介32.1 壓電效應32.2 等效電路及電抗特性42.3 晶振的優缺點53 晶體振蕩器53.1起振和穩幅53.2 并聯

3、型晶體振蕩器53.3 串聯型晶體振蕩器63.4 輸出緩沖級73.5 晶體正弦波振蕩器原理圖及參數計算84 電路仿真94.1高頻晶體振蕩器輸出測試94.2實物制作與調試105 元器件清單116 心得體會12參考文獻13武漢理工大學高頻電子線路課程設計說明書摘 要石英晶體正弦波振蕩器簡稱晶振，是以高穩定度、高Q值的石英諧振器替代LC振蕩器中震蕩回路的電感、電容元件而構成的自激正弦波振蕩器，它利用石英晶體的壓電效應實現機械能與電能的相互轉化。由于晶體振蕩器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩定度高等優點，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

4、生時鐘信號和為特定系統提供基準信號。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、Multisim緒論石英晶體振蕩器是利用石英晶體即二氧化硅的結晶體的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為

5、石英晶體或晶體、晶振。石英晶體振蕩器具有很好的標準性和極高的品質因素，因此利用石英晶體振蕩器作濾波原件構成的振蕩器，具有很高的頻率穩定度，采用高精度的穩頻措施后，石英晶體振蕩器可以達到很好的頻率穩定度。本次設計通過對并聯型晶體振蕩器和串聯型晶體振蕩器各方面的比較，結合兩種電路得到我們需要的電路。1 設計內容及要求1.1設計目的（1）掌握高頻電子電路的基本設計能力及基本調試能力，并在此基礎上設計一個通過跳線可實現串并聯變換的晶體正弦波振蕩器。（2）提高電子電路的理論知識及較強的實踐能力，能夠正確使用實驗儀器進行電路的調試與檢測。 1.2 設計任務及要求根據已知條件，完成通過基于石英晶體的正弦波振

6、蕩器的設計、連接與仿真。該振蕩器須符合以下要求： （1）采用晶體三極管構成一個多功能正弦波振蕩器；（2）額定電源電壓12V ，電流13mA; 輸出頻率 10 MHz；（3）通過雙變跳線可構成克拉勃和西勒的串、并聯晶體振蕩器；（4）有緩沖級，在100歐姆負載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P)。2 石英晶體特性簡介2.1 壓電效應晶體的基本特性是它具有壓電效應。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

7、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。2.2 等效電路及電抗特性圖2-1是石英晶體諧振器的等效電路。圖中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。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，

8、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兩個頻率非常接近。圖2-1 晶體振蕩器的等效電路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2-2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2-2 晶體的電抗特性曲線2.3 晶振的優缺點 優點：使用石英晶體作為震蕩回路元件，能夠使振蕩器的頻率穩定

9、度大大提高，原因有三：石英晶體的物理特性和化學特性都十分穩定，因此，它的等效諧振回路有很高的標準性。它具有正、反壓電效應，而且在諧振頻率附近，晶體的等效參數L很大、C很小、R也不高，因此，晶體的Q值可高達數百萬數量級。在串、并聯諧振頻率之間很狹窄的工作頻率內，具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對頻率變化具有極靈敏的補償能力。 缺點：石英晶體諧振器的主要缺點時它的單頻性，即每塊晶體只能提供一個穩定的振蕩頻率，因而不能直接用于波段振蕩器。3 晶體振蕩器3.1起振和穩幅在振蕩開始時，由于激勵信號較弱，輸出電壓的振幅比較小，此后經過不斷的放大與反饋循環，輸出幅度開始逐漸增大，為了維持這一過程，必須滿足AF

10、l的要求。振蕩器接通電源開始起振時，起始信號可能很弱。此時放大器工作在線性放大區，信號被放大，其振幅逐漸增加，反饋信號的振幅也隨之增加。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進人飽和區或截止區。放大器的放大倍數將顯著下降，因而使輸出信號振幅的增大程度變緩。另一方面，能量的損耗也會使輸出信號振幅的增大程度變緩。因為振蕩器所消耗的能量來自電源，故電路中所能取得的能量總是有限的。當振蕩器輸出信號的幅度加大時，其電路各部分的能量消耗也加大了（包括負載的功率輸出），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

11、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。3.2 并聯型晶體振蕩器這類晶體振蕩器的振蕩原理和一般反饋式LC振蕩器相同，只是把晶體置于反饋網絡的振蕩回路之中，作為一個感性元件，并與其他回路元件一起按照三端電路的基本準則組成三端振蕩器。根據這種原理，常用的有兩種基本類型：c-b型電路和b-e型電路。c-b型并聯晶體振蕩器的典型電路如圖3-1所示，振蕩管的基極對高頻接地，晶體接集電極與基極之間，C2和C3是位于回路的另外兩個電抗元件，振蕩器的回路等效電路如圖3-2所示，它類似于克拉潑振蕩器。圖3-1 c-b型并聯晶體振蕩器實際線路 圖3-2 c-b型并聯晶體振蕩器等效線路b-e型并聯晶

12、體振蕩器的典型電路如圖3-3所示，該電路晶體接在基極和發射極之間，當晶體呈感性，即并聯使用，且LC并聯回路也呈感性時，滿足電感三點式組成，電路的輸出信號較大。其等效電路如圖3-4所示。圖3-3 b-e型并聯晶體振蕩器實際電路 圖3-4 b-e型并聯晶體振蕩器等效電路3.3 串聯型晶體振蕩器在串聯型晶體振蕩器中，晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點之間，通常接在反饋電路中。圖3-5和圖3-6顯示出了一串聯型振蕩器的實際路線和等效電路。可以看出，如果將石英晶體短路，該電路即為電容三點式振蕩器。電路的實際工作原理為：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，近似為一短路線，電路滿足相位條件

13、和振幅條件振蕩器的工作頻率等于晶體的串聯諧振頻率，故能正常工作；當回路的諧振頻率距串聯諧振頻率較遠時，晶體阻抗增大，是反饋減弱，從而使電路不能滿足振幅條件，電路不能正常工作。圖3-5 串聯型晶體振蕩器實際電路 圖3-6 串聯型晶體振蕩器等效電路3.4 輸出緩沖級常用的輸出緩沖級是在電路的輸出端加一射極跟隨器，從而提高回路的帶負載能力。射極跟隨器的特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大倍數略低于1，帶負載能力強，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，因而可以減小負載對于振蕩回路的影響，射極跟隨器的典型電路如圖3-7所示。圖3-7 輸出緩沖級電路3.5 晶體正弦波振蕩器原理圖

14、及參數計算圖 3-8 晶體振蕩器總原理圖從圖3-8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的靜態工作點。C1：用于在振蕩器起振時將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。ZL1、ZL2：為高頻扼流圈，目的是防止高頻信號流經電源。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，用于提高系統的帶負載能力。J1上端打開時，J2斷開時振蕩器為串聯型晶體振蕩器，此時晶體相當于選頻短路線；當J1下端打開，J2接通時振蕩器為并聯型晶體振蕩器，此時晶體相當于一等效電感。正確的靜態工作點是振蕩

15、器能夠正常工作的關鍵因素，靜態工作點主要影響晶體管的工作狀態，若靜態工作點的設置不當則晶體管無法進行正常的放大，振蕩器在沒有對反饋信號進行放大時是無法工作的。振蕩器主電路的靜態工作點主要由R1、R2、R3、R8決定，將電感短路，電容斷路，得到直流通路如圖3-9所示。圖3-9 直流通路等效電路如圖3-9所示，其中V1=5V，要使三極管滿足起振條件，則靜態時它應工作在放大區，故R3兩端電壓應大于0.7V，一般情況下發射極電流為mA級，基極電流uA級。不妨取R1=R3=5.1K，R2=400，=45則Vb=2.5V，Ie=4.5mA,Ib=100uA,符合射級要求。為了調節方便，在R1處在串聯一電位

16、器，最大阻值為10K。對于振蕩器，當該電路接為串聯型振蕩器時，晶體起到選頻短路線的作用，輸出頻率應為10MHZ，不妨取L1=1uH,則由f0=2回路總電容C=253.3pF，即C2，C3串聯后的總電容為253.3 pF，則取C2=300pF，C3=1600pF.為了便于調節C2由一定值電阻和可變電阻并聯而成。當該電路接為并聯型振蕩器時，晶體起到等效電感的作用，此時工作頻率介于兩諧振頻率之間。同時為了提高振蕩器的帶負載能力，應附加一個緩沖輸出級，本設計中使用的是一個射級跟隨器，其各參數如圖4-8所示。為了提高振蕩器的工作性能和穩定度，在電路中還應有高頻電源去耦電容和高頻扼流圈，一般取電解電容C=

17、100nF，瓷片電容C=10 nF，扼流圈L=330mH。4 電路仿真4.1高頻晶體振蕩器輸出測試在Multisim軟件環境下進行仿真，形成串聯型振蕩器，為了便于觀察振蕩器工作時各部分電路的工作情況，分別在振蕩器輸出端和緩沖級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4-1所示。圖4-1高頻晶體振蕩器輸出波形從圖4-1中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為Vo=1.5V，輸出頻率f=9.98MHZ，可通過可變電容做一定微調，輸出頻率在8到10MHZ之間，波形有較小的失真，這是由于元件參數的精度較低導致的，該振蕩器的設計符合設計要求。4.2實物制作與調試 圖4-2

18、實物圖調制波形: 圖4-3高頻晶體振蕩器輸出波形5 元器件清單序號名稱型號數量備注1電阻5.1K2R1、R22電阻1.2K1R63電阻4001R34電阻3301R55電阻1001R76電位器10K1R87瓷片電容1033C1、C6、C88瓷片電容1011C49瓷片電容1041C510瓷片電容2711C211瓷片電容1521C312電解電容100uF/16V1C7、C912可變電容60pF1C1014電感1uH1L115電感330mH2L2、L316晶振6M2X1、X217三極管2N22222Q1、Q218撥碼開關2J1、J26 心得體會通過這次課程設計，不僅使我對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解，更鞏固和提高了我的高頻電子電路的基本設計能力及基本調試能力，讓我能夠正確使用實驗儀器進行電路的調試與檢測。這次的課程設計主要是進行高頻晶體正弦波振蕩器設計仿真與調試，剛開始的時候，按照老師給的任務書，查找資料，進行設計，自己動手開始進行實物的制作。在調試過程中遇到不少問題，波形出不來，失真嚴重等。最終在老師的指導和幫助下我順利完成了本次課設，得到了一個可微調