正弦波振蕩器的設(shè)計摘要：正弦波振蕩器在各種電子設(shè)備中有著越來越廣泛的應(yīng)用。它是種能自動地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號能量的轉(zhuǎn)換電路。它無需外加激勵信號，就能產(chǎn)生具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交流信號。本論文主要論述了串并聯(lián)石英晶體正弦波振蕩器的設(shè)計，它是以高穩(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，利用石英晶體的壓電效應(yīng)實現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)了30MHZ振蕩頻率和高穩(wěn)定度。關(guān)鍵字：串并聯(lián)石英晶體正弦波振蕩器Multisim仿真一：正弦波振蕩器的背景知識（一）正弦波振蕩器簡介正弦波振蕩器在無線發(fā)射機(jī)中的載波信號源，接收設(shè)備中的本地振蕩信號源，各種測量儀器如信號發(fā)生器、頻率計、fT測試儀中的核心部分環(huán)節(jié)等中有著廣泛的應(yīng)用。常用正弦波振蕩器主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反饋放大器組成，這就是反饋振蕩器。另外根據(jù)工作原理劃分有反饋型和負(fù)阻型振蕩器，根據(jù)輸出波形劃分有正弦波，三角波，矩形波等振蕩器，根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)劃分有LC,RC，晶體振蕩器等。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所采用元件的不同，正弦波振蕩器可分為LC振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型。石英晶體正弦波振蕩器是一種高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器。它在老化率、溫度穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度等方面的性能都非常好。它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（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應(yīng)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(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC諧振回路、濾波器等，從而實現(xiàn)正弦波振蕩波。石英晶體正弦波振蕩器被廣泛應(yīng)用于彩電、計算機(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)生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號。石英諧振器因具有極高的頻率穩(wěn)定性，故主要用在要求頻率十分穩(wěn)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(jī)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。（二）本次石英晶體正弦波振蕩器設(shè)計的目的1.掌握高頻電子電路的設(shè)計方法。通過設(shè)計的電路產(chǎn)生高而穩(wěn)定的振蕩頻率。2.掌握高頻電子電路的基本設(shè)計能力及基本調(diào)試能力，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計一個由分立元件實現(xiàn)的石晶體正弦波振蕩器。3.提高電子電路的理論知識及較強(qiáng)的實踐能力，能夠正確使用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測。二：總體設(shè)計（一）正弦波振蕩器框圖正弦波振蕩電路是一個沒有輸入信號，依靠自激振蕩產(chǎn)生正弦波輸出信號的電路。正弦波振蕩電路也稱為正弦波振蕩器，其實質(zhì)是放大器引正反饋的結(jié)果。正弦波振蕩電路一般由放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋電路、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四部分組成。選頻網(wǎng)絡(luò)通常不是獨立存在，有時和正反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一，有時和放大電路合二為一。其基本原理如下：在直流電源閉合的瞬間，頻率豐富的干擾信號串入振蕩電路的輸入端，經(jīng)過放大后出現(xiàn)在電路的輸出端，但是由于幅值很小而頻率又雜，不是所要求的信號。此信號再經(jīng)過選頻及正反饋網(wǎng)絡(luò)把某一頻率信號篩選出來（而其他信號被抑制），再送回放大電路的輸入端，整個電路的回路增益應(yīng)略大于1，這樣不斷循環(huán)放大，得到失真的輸出信號，最后經(jīng)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)可輸出一個頻率固定、幅值穩(wěn)定的正弦波信號。總的來說，正弦波振蕩電路大致框圖如下圖3.1.1所示：穩(wěn)幅環(huán)節(jié)選頻及正反饋網(wǎng)絡(luò)放大器干擾信號輸出正弦波穩(wěn)幅環(huán)節(jié)選頻及正反饋網(wǎng)絡(luò)放大器圖3.1.1正弦波振蕩電路作用過程（二）石英晶體正弦波振蕩器的設(shè)計原理振蕩器電路屬于一種信號發(fā)生器類型，即表現(xiàn)為沒有外加信號的情況下能自動生成具有一定頻率、一定波形、一定振幅的周期性交變振蕩信號的電子線路。振蕩器起振時是將電路自身噪聲或電源跳變中頻譜很廣的信號進(jìn)行放大選頻。此時振蕩器的輸出幅值是不斷增長的，隨著振幅的增大，放大器逐漸由放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)或者截止區(qū)，其增益逐漸下降，當(dāng)放大器增益下降而導(dǎo)致環(huán)路增益下降到1時，振幅的增長過程將停止，振蕩器達(dá)到平衡，進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)后，直流電源補(bǔ)充的能量剛好抵消整個環(huán)路消耗的能量。三：石英晶體正弦波振蕩器的設(shè)計振蕩器電路屬于一種信號發(fā)生器類型，即表現(xiàn)為沒有外加信號的情況下能自動生成具有一定頻率、一定波形、一定振幅的周期性交變振蕩信號的電子線路。振蕩器起振時是將電路自身噪聲或電源跳變中頻譜很廣的信號進(jìn)行放大選頻。此時振蕩器的輸出幅值是不斷增長的，隨著振幅的增大，放大器逐漸由放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)或者截止區(qū)，其增益逐漸下降，當(dāng)放大器增益下降而導(dǎo)致環(huán)路增益下降到1時，振幅的增長過程將停止，振蕩器達(dá)到平衡，進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)后，直流電源補(bǔ)充的能量剛好抵消整個環(huán)路消耗的能量。（一）串聯(lián)型晶體振蕩器在串聯(lián)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。下圖4.1.1和圖4.1.2顯示出了一串聯(lián)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，該電路即為電容反饋的振蕩器。電路的實際工作原理為：當(dāng)回路的諧振頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率時，晶體的阻抗最小，近似為一短路線，電路滿足相位條件和振幅條件，故能正常工作；當(dāng)回路的諧振頻率距串聯(lián)諧振頻率較遠(yuǎn)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4.1.1串聯(lián)型晶體振蕩器實際電路圖4.1.2串聯(lián)型晶體振蕩器等效電路（二）并聯(lián)型晶體振蕩器（b-e晶體振蕩器）b-e型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如下圖4.2.1路是一個雙回路振蕩器，它的固有諧振頻率略高于振蕩器的工作頻率，負(fù)載回路選用的是并聯(lián)諧振回路，可以抑制其他諧波，有利于改善輸出波形，并且電路的輸出信號較大，但頻率穩(wěn)定度不如b-c型振蕩電路，因為在電路如下圖4.2.2所示。圖4.2.1b-e型并聯(lián)晶體振蕩器實際電路圖4.2.2b-e型并聯(lián)晶體振蕩器等效電路和一般LC振蕩器相比，石英晶體振蕩器在外界因素變化而影響到晶體的回路固有頻率時，它還具有使頻率保持不變的電抗補(bǔ)償能力，原因是石英晶體諧振器的等效電感Le與普通電感不同，當(dāng)頻率由Wq變化到Wo時，等效電感值將由零變到無窮大，這段曲線十分陡峭，而振蕩器又剛好被限定在工作在這段線性范圍內(nèi)，也就是說，石英晶體在這個頻率范圍內(nèi)具有極陡峭的相頻特性曲線，因而它具有很高的電感補(bǔ)償能力。(三)輸出級設(shè)計輸出緩沖級主要完成對所產(chǎn)生的振蕩信號進(jìn)行輸出，不管是并聯(lián)諧振正弦波晶體電路還是串聯(lián)諧振晶體電路，它們的帶負(fù)載都不是很強(qiáng)，負(fù)載值改變時可能造成振蕩器的輸出頻率變化，也可能影響振蕩器的輸出幅度，輸出緩沖級的作用就是提高整個振蕩器的帶負(fù)載能力，即使振蕩器的輸出特性不受負(fù)載影響，或影響較小。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(fù)載能力。其電路原理圖如下圖4.3.1所示：圖4.3.1輸出級電路四：石英晶體正弦波振蕩器總設(shè)計總設(shè)計方案1.總設(shè)計原理圖根據(jù)設(shè)計要求，該晶體振蕩器通過跳線能夠?qū)崿F(xiàn)串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振晶體振蕩器的轉(zhuǎn)換，通過比較并聯(lián)諧振晶體振蕩器和串聯(lián)諧振晶體振蕩器的原理可以發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)型晶體振蕩器同c-b型并聯(lián)晶體振蕩器結(jié)構(gòu)類似，二者同為電容三點式反饋振蕩器。晶體在并聯(lián)和串聯(lián)振蕩器方式下作用不同，在并聯(lián)方式下，要求晶體工作于感性區(qū)，其等效電感與外部電容構(gòu)成振蕩回路，該回路滿足電容三點式條件，而在串聯(lián)諧振振蕩器中晶體則充當(dāng)選頻短路線作用，因晶體Q值很高，通頻帶很窄，而頻率選擇性很高，可以從振蕩回路中選出頻率為晶體振蕩頻率的諧波，反饋至振蕩器的輸入，從而使振蕩器輸出頻率穩(wěn)定的正弦波。若將晶體短路，則電路變成電容三點式振蕩器，并且可以正常起振。依據(jù)各部分的方案設(shè)計并結(jié)合設(shè)計要求，綜合考慮各種影響因素，設(shè)計系統(tǒng)原理圖如下圖5.1.1所示。圖4.1.1石英晶體正弦波振蕩器總設(shè)計原理圖從上圖5.1.1中可以看到，圖中R1和R2分壓為三極管Q1提供偏置電壓，通過改變R8阻值的大小可以改變Q1的靜態(tài)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和ZL2為高頻扼流圈，目的是防止高頻信號流經(jīng)電源。C6、C7、C8、C9為高頻旁路電容，Q2連接成射極跟隨器，用于提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。S1打開時，S3,S4斷開時振蕩器為串聯(lián)型晶體振蕩器，此時晶體相當(dāng)于選頻短路線；當(dāng)S2打開，S3,S4接通時振蕩器為并聯(lián)型晶體振蕩器，此時晶體相當(dāng)于一等效電感。且fq=1/2π，f0=fq。2.設(shè)計電路的參數(shù)電路參數(shù)如下表所示：參數(shù)VbVcVeVbeQ11.901V1.168V5.00V0.733VQ24.535V3.805V5.00V0.720V可知當(dāng)Q1、Q2均工作在放大狀態(tài)，滿足起振條件，該電路的靜態(tài)工作點符合要求。（二）電路在Multisim中的仿真與調(diào)試1.串聯(lián)型振蕩器輸出測試在Multisim軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真，此時開關(guān)S1接通，S2斷開，S3,S4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，仿真波形如下圖5.2.1所示。圖5.1.1串聯(lián)型振蕩器輸出波形從上圖5.2.1中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為Vo=1.535V，輸出頻率f=29.85MHZ，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)計符合設(shè)計要求。2.并聯(lián)型振蕩器輸出測試在Multisim軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真，此時開關(guān)S1斷開，S2接通，S3,S4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5.2.2所示:圖5.2.2并聯(lián)型振蕩器輸出波形從圖5.2.2中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為Vo=1.554V，輸出頻率f=30.08MHZ，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)計符合設(shè)計要求。五：設(shè)計總結(jié)與心得體會這次課程設(shè)計，通過幾天的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，理論知識還不夠扎實。這次的課程設(shè)計也讓我看到了個人力量的渺小，我認(rèn)為一個人工作是很艱難的工作，自己犯了錯誤是很難發(fā)現(xiàn)的，只有等到做完在同學(xué)們檢查以后才知道還有許多不足之處。我需要團(tuán)隊，需要合作，需要幫助。剛開始的時候，按照老師給的任務(wù)要求，去找了資料，后來又積極的查詢了相關(guān)資料，自己就動手開始設(shè)計。在課程設(shè)計中一個人知識的有限性往往是導(dǎo)致最終設(shè)計的片面，甚至是失敗。而這次設(shè)計也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。在這個過程中，我也曾經(jīng)因為無從下手，對設(shè)計問題的迷茫而失落過，也曾經(jīng)為成功的畫了一個原理圖而熱情高漲過。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。雖然這只是一次的極簡單的課程設(shè)計，可是平心而論，也耗費了我不少的心血，這就讓我不得不佩服技術(shù)編書方面前輩，讓我意識到老一輩對我們社會的付出是艱辛的。通過這次課程設(shè)計，我想說：為完成這次課程設(shè)計我們確實很辛苦，但苦中仍有樂，和自己的這一星期一起面對，和同學(xué)們一起忙碌的日子，讓我們相互幫助，多少人間歡樂在這里灑下。對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。讓我