正弦波震荡电路

黄海学院学院机电学院高频电子线路课程设计正弦波振荡器电商学院13电信专班程文硕13030320008论文总体框架摘要..............................................................................................………….3一：正弦波振荡器的背景知识.......................................................................3（一）正弦波振荡器简介…………………………………………………………………3（二）石英晶体正弦波振荡器设计的目的………………………………………………4二：总体设计……………………………………………………………………………………4（一）正弦波振荡器框图………………………………………………………………….4(二)石英晶体正弦波振荡器的设计原理………………………………………………..5三：石英晶体正弦波振荡器的设计…………………………………………………………..5（一）串联型晶体振荡器…………………………………………………………………..5（二）石英晶体正弦波振荡器的设计原理……………………………………………..6(三)输出级设计…………………………………………………………………………….7四：石英晶体正弦波振荡器总设计…………………………………………………………….7（一）总设计案…………………………………………………………………………….7（二）电路在Multisim中的仿真与调试…………………………………………………9五：设计总结与心得体会…………………………………………………………………………10参考文献………………………………………………………………………………………….11正弦波振荡器的设计摘要：正弦波振荡器在各种电子设备中有着越来越广泛的应用。它是种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。它无需外加激励信号，就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。本论文主要论述了串并联石英晶体正弦波振荡器的设计，它是以高稳定度、高Q值的石英谐振器替代LC振荡器中震荡回路的电感、电容元件而构成的自激正弦波振荡器，利用石英晶体的压电效应实现机械能与电能的相互转化，从而实现了30MHZ振荡频率和高稳定度。关键字：串并联石英晶体正弦波振荡器Multisim仿真一：正弦波振荡器的背景知识（一）正弦波振荡器简介正弦波振荡器在无线发射机中的载波信号源，接收设备中的本地振荡信号源，各种测量仪器如信号发生器、频率计、fT测试仪中的核心部分环节等中有着广泛的应用。常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成，这就是反馈振荡器。另外根据工作原理划分有反馈型和负阻型振荡器，根据输出波形划分有正弦波，三角波，矩形波等振荡器，根据选频网络划分有LC,RC，晶体振荡器等。根据网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型。石英晶体正弦波振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器。它在老化率、温度稳定性、长期稳定度和短期稳定度等方面的性能都非常好。它是利用石英晶体即二氧化硅的结晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。变电场的频率与田英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC谐振回路、滤波器等，从而实现正弦波振荡波。石英晶体正弦波振荡器被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件，如彩电的色副载波振荡器、电子钟表的时基振荡器及游戏机中的时钟脉冲振荡器等，石英晶体成本较高，故在要求不太高的电路中一般采用陶瓷谐振元件。（二）本次石英晶体正弦波振荡器设计的目的1.掌握高频电子电路的设计方法。通过设计的电路产生高而稳定的振荡频率。2.掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，并在此基础上设计一个由分立元件实现的石晶体正弦波振荡器。3.提高电子电路的理论知识及较强的实践能力，能够正确使用Multisim仿真软件进行电路的调试与检测。二：总体设计（一）正弦波振荡器框图正弦波振荡电路是一个没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路。正弦波振荡电路也称为正弦波振荡器，其实质是放大器引正反馈的结果。正弦波振荡电路一般由放大电路、选频网络、正反馈电路、稳幅环节四部分组成。选频网络通常不是独立存在，有时和正反馈网络合二为一，有时和放大电路合二为一。其基本原理如下：在直流电源闭合的瞬间，频率丰富的干扰信号串入振荡电路的输入端，经过放大后出现在电路的输出端，但是由于幅值很小而频率又杂，不是所要求的信号。此信号再经过选频及正反馈网络把某一频率信号筛选出来（而其他信号被抑制），再送回放大电路的输入端，整个电路的回路增益应略大于1，这样不断循环放大，得到失真的输出信号，最后经稳幅环节可输出一个频率固定、幅值稳定的正弦波信号。总的来说，正弦波振荡电路大致框图如下图3.1.1所示：干扰信号输出正弦波图3.1.1正弦波振荡电路作用过程（二）石英晶体正弦波振荡器的设计原理振荡器电路属于一种信号发生器类型，即表现为没有外加信号的情况下能自动生成具有一定频率、一定波形、一定振幅的周期性交变振荡信号的电子线路。振荡器起振时是将电路自身噪声或电源跳变中频谱很广的信号进行放大选频。此时振荡器的输出幅值是不断增长的，随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区或者截止区，其增益逐渐下降，当放大器增益下降而导致环路增益下降到1时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡，进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态后，直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。三：石英晶体正弦波振荡器的设计振荡器电路属于一种信号发生器类型，即表现为没有外加信号的情况下能自动生成具有一定频率、一定波形、一定振幅的周期性交变振荡信号的电子线路。振荡器起振时是将电路放大器选频及正反馈网络稳幅环节自身噪声或电源跳变中频谱很广的信号进行放大选频。此时振荡器的输出幅值是不断增长的，随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区或者截止区，其增益逐渐下降，当放大器增益下降而导致环路增益下降到1时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡，进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态后，直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。（一）串联型晶体振荡器在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路中。下图4.1.1和图4.1.2显示出了一串联型振荡器的实际路线和等效电路。可以看出，如果将石英晶体短路，该电路即为电容反馈的振荡器。电路的实际工作原理为：当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，晶体的阻抗最小，近似为一短路线，电路满足相位条件和振幅条件，故能正常工作；当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时，，晶体阻抗增大，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作.图4.1.1串联型晶体振荡器实际电路图4.1.2串联型晶体振荡器等效电路（二）并联型晶体振荡器（b-e晶体振荡器）b-e型并联晶体振荡器的典型电路如下图4.2.1路是一个双回路振荡器，它的固有谐振频率略高于振荡器的工作频率，负载回路选用的是并联谐振回路，可以抑制其他谐波，有利于改善输出波形，并且电路的输出信号较大，但频率稳定度不如b-c型振荡电路，因为在电路如下图4.2.2所示。图4.2.1b-e型并联晶体振荡器实际电路图4.2.2b-e型并联晶体振荡器等效电路和一般LC振荡器相比，石英晶体振荡器在外界因素变化而影响到晶体的回路固有频率时，它还具有使频率保持不变的电抗补偿能力，原因是石英晶体谐振器的等效电感Le与普通电感不同，当频率由Wq变化到Wo时，等效电感值将由零变到无穷大，这段曲线十分陡峭，而振荡器又刚好被限定在工作在这段线性范围内，也就是说，石英晶体在这个频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线，因而它具有很高的电感补偿能力。(三)输出级设计输出缓冲级主要完成对所产生的振荡信号进行输出，不管是并联谐振正弦波晶体电路还是串联谐振晶体电路，它们的带负载都不是很强，负载值改变时可能造成振荡器的输出频率变化，也可能影响振荡器的输出幅度，输出缓冲级的作用就是提高整个振荡器的带负载能力，即使振荡器的输出特性不受负载影响，或影响较小。输出缓冲级是在电路的输出端加一射极跟随器，从而提高回路的带负载能力。其电路原理图如下图4.3.1所示：R110kΩKey=A50%R25.1kΩR35.1kΩR4390ΩR51.2kΩR6330ΩR7100ΩC110nFC2100uFC310nFC450pFKey=B50%C5270pFC61.6nFC7100pFC8100nFC910nFQ12N2222Q22N2222C10100uFL11uHL2330mHL3330mH1210311VCC5VVCC5XSC1ABExtTrig++__+_13X2HC-49/U_11MHzX1HC-49/U_11MHz00S1Key=1S2Key=2S3Key=3S4Key=486414715图4.3.1输出级电路四：石英晶体正弦波振荡器总设计（一）总设计方案1.总设计原理图根据设计要求，该晶体振荡器通过跳线能够实现串联谐振和并联谐振晶体振荡器的转换，通过比较并联谐振晶体振荡器和串联谐振晶体振荡器的原理可以发现，串联型晶体振荡器同c-b型并联晶体振荡器结构类似，二者同为电容三点式反馈振荡器。晶体在并联和串联振荡器方式下作用不同，在并联方式下，要求晶体工作于感性区，其等效电感与外部电容构成振荡回路，该回路满足电容三点式条件，而在串联谐振振荡器中晶体则充当选频短路线作用，因晶体Q值很高，通频带很窄，而频率选择性很高，可以从振荡回路中选出频率为晶体振荡频率的谐波，反馈至振荡器的输入，从而使振荡器输出频率稳定的正弦波。若将晶体短路，则电路变成电容三点式振荡器，并且可以正常起振。依据各部分的方案设计并结合设计要求，综合考虑各种影响因素，设计系统原理图如下图5.1.1所示。图4.1.1石英晶体正弦波振荡器总设计原理图从上图5.1.1中可以看到，图中R1和R2分压为三极管Q1提供偏置电压，通过改变R8阻值的大小可以改变Q1的静态工作点，C1用于在振荡器起振时将R2短路从而可以是振荡器可以正常的振荡，C2、C3组成反馈分压，用于为振荡器提供反馈信号，ZL1和ZL2为高频扼流圈，目的是防止高频信号流经电源。C6、C7、C8、C9为高频旁路电容，Q2连接成射极跟随器，用于提高系统的带负载能力。S1打开时，S3,S4断开时振荡器为串联型晶体振荡器，此时晶体相当于选频短路线；当S2打开，S3,S4接通时振荡器为并联型晶体振荡器，此时晶体相当于一等效电感。且fq=1/2πLqCq，f0=fqCoCq/1。2.设计电路的参数电路参数如下表所示：参数VbVcVeVbeQ11.901V1.168V5.00V0.733VQ24.535V3.805V5.00V0.720V可知当Q1、Q2均工作在放大状态，满足起振条件，该电路的静态工作点符合要求。（二）电路在Multisim中的仿真与调试1.串联型振荡器输出测试在Multisim软件环境下进行仿真，此时开关S1接通，S2断开，S3,S4全部断开，形成串联型振荡器，为了便于观察振荡器工作时各部分电路的工作情况，分别在振荡器输出端和缓冲级输出端接入示波器观察波形，记录示波器上显示的输出振幅和输出频