1、目 錄第一章 振蕩器的基本常識.1第一節 振蕩器的分類.1第二節 振蕩產生的原理.1一 自激振蕩的產生.1二 產生振蕩的條件.2第三節 起振和穩幅 .3一 起振過程.3二 振幅的穩定.3第四節 正弦波振蕩器.4第五節 頻率穩定度.5第二章 石英晶體.6第一節 石英晶體的基本特性.6一 石英晶體的基本結構.6二 壓電效應.6第二節 石英晶體等效電路和振蕩電路.7第三章 12MHz石英晶體正弦波振蕩器.10第一節 電路的選擇.10第二節 石英晶體振蕩器設計10一 主要技術指標.10二 設計說明.10（一） 選擇電路.10（二） 選擇晶體管和石英晶體.11（三） 確定直流工作點并計算偏置電路元件參數

2、11（四） 求C1C2Ct的電容值.12心得體會13參考文獻13第一章 振蕩器的基本常識第一節 振蕩器的分類震蕩器（Oscillator）是一種能量轉換裝置。它的能量來源一般是直流形式（振蕩器電路的直流供電電源）。經過振蕩器轉換后，此直流能量轉換為一定頻率、一定幅度和一定波形的交流能量輸出。這種電能的“轉換”過程被稱作“振蕩”(Oscillation）。振蕩器的作用是產生特定的輸出信號，因此也常常被稱為信號發生器（signal creator）。振蕩器的類型繁多，按照振蕩過程是否依賴于外部激勵信號的參與，可以分為他激振蕩器和自激振蕩器；按照波形分類有正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器；按照振蕩器振蕩

3、頻率的高低，可以分為低頻振蕩器、高頻振蕩器、超高頻振蕩器等；按照振蕩器的選頻元件分類，則有RC振蕩器、LC振蕩器、石英晶體振蕩器等。第二節 振蕩產生的原理一 自激振蕩的產生無需外加激勵就能產生特定波形的交流輸出信號，這種振蕩電路稱為自激振蕩器。自激振蕩器產生的波形可能是正弦波，也可能是非正弦波。其中正弦波自激振蕩器在廣播通訊、自動控制、儀器儀表、高頻加熱、超聲探傷等領域有著廣泛的應用；而非正弦振蕩器能產生出矩形波（方波）、三角波、鋸齒波等信號，這些信號可以用于測量設備、數字系統、自動控制及計算機設備中。振蕩產生的原理并不復雜，有時甚至會在不經意中自動發生。例如，當我們演唱卡拉OK時，話筒將唱歌

4、的信號轉變為電信號，經擴音機放大后推動揚聲器發出聲音。這個過程可以用圖1.1（a） 表示。如果揚聲器和話筒的相對位置安排不當，如圖1.1（b）所示那樣，揚聲器發出的聲音將和歌唱聲同時進人話筒，形成正反饋。如此反復循環，將形成聲-電和電-聲變換系統的自激振蕩。此時即使沒有輸入信號，在揚聲器中也會出現嘯叫聲，這是“聲回授”參與到電路中產生的振蕩。上述的“同授”也叫作反饋。在設置有反饋支路的放大器中，若在某些頻率點上由于反饋不當，形成了正反饋所需的相移量并具有足夠的強度，符合自激振蕩的條件，就會產生一種不希望的“寄生振蕩”它常常會淹沒“有用”的信號而使放大器的工作不穩定。在正常放大器中不希望振蕩出現

5、，但是可以利用這一現象制成振蕩器。事實上，振蕩器都是利用電路中的正反饋來工作的。正反饋放大器形成自激振蕩的原理可以用圖1.2來解釋。圖 1.2.1圖1.2.2 正反饋放大器形成自激振蕩的原理二 產生振蕩的條件在振蕩器中要維持等幅的自激振蕩，基本放大器輸入端的反饋信號必須和原輸人信號幅度相等，同時相位也應相同。AF=1就是產生自激振蕩時A、F應滿足的基本數學條件。其中A和F是頻率的函數，一般也可以表示為復數形式。復數乘積AF=1的涵義就是振蕩器電路的環路放大倍數等于l , 同時復數的相位值等于2N，其中N=0,士1, 士2，士3，。總之，產生自激振蕩既要滿足幅度條件，也要滿足相位條件。假若AF&

6、lt;1,則XfXi，則振蕩幅度越來越小，最終將導致振蕩電路停振。這也從反面說明了，只有AF1，電路才能維持振蕩。根據振蕩條件，信號由圖1.3中的輸人端開始，沿環路繞行一周，必須保證其振幅與相位不變。一個振蕩器必須同時滿足這兩個條件，才有可能產生自激振蕩。 圖 1.2.3 自激振蕩器方框圖振蕩器中的反饋支路常常采用電抗元件構成二當信號頻率確定后，這些電抗元件和信號的頻率就共同決定了此信號相移的大小。電路的起振如果是由頻率成分豐富的噪聲引起的，那么總會有其中的一個頻率滿足相位平衡條件。有了噪聲作為起始信號，電路不需要另外送人信號，就能產生輸出信號。第三節 起振和穩幅一 起振過程在自激振蕩器中，起

7、始瞬間的輸入電壓Xi的產生原因有兩種：一是在電路接通電源時取得。因為接通電源時，電路各處都存在瞬變過程，在輸人端的瞬變電壓即可作為起始輸人電壓；二是放大器中存在各種微小的電擾動和噪聲電壓。這兩種原因所取得的起始電壓包含著極為豐富的各種頻率分量）它們中總會有符合相位條件的某個頻率成分，最終成為自激信號的最初來源。至于振幅條件更容易滿足，由于開環放大倍數A是無窮大，很容易滿足起振條件AFl的要求。為了保證電路在指定的頻率上振蕩起來，常常為這種自激振蕩器安排一個諧振在指定頻率上的選頻回路，使電路更容易在指定的頻率上滿足產生自激振蕩的條件。放大器獲得起始瞬時榆入電壓了Xi后，接著產生輸出信號電壓和正反

8、饋電壓，并且經過放大器的選頻后，指定頻率的輸出電壓幅度增大了，反饋電壓的幅度也增大，經過電路的正反饋、放大、再反潰、再放大的循環過程，使振蕩電壓由小到大逐漸建立起來。二 振幅的穩定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

9、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。第四節 正弦波振蕩器圖 正弦波振蕩器（sin-wave oscillator）可以輸出單一顆率的正弦波，是應用最為廣泛的振蕩器。從結構上看， 正弦波振蕩電路就是一個沒有輸入信號的帶選頻網絡的正反饋放大器。圖（a）表示接成正反饋時，因此有放大電路在輸入信號時的方框圖。可改畫成圖（b）所示。由圖可知，若在放大器的輸入端（1端）外接一定頻率、一定幅度的正弦波信號經過基本放大器和

10、反饋網絡構成的環路傳輸后,在反饋網絡的輸出端（2端) ，得到反饋信號與在大小和相位上都一致,那么就可以去除外接信號，而將（1）、（2）兩端連接在一起(如圖中的虛線所示）而形成閉環系統， 其輸出端可能繼續維持與開環時一樣的輸出信號。這樣由于便有 或 正弦波振蕩器的振蕩條件為：幅度平衡條件： ，相位平衡條件： 第五節 頻率穩定度在工程應用中，要求正弦波振蕩電路的振蕩頻率有一定的穩定度，有必要引用頻率穩定度來作為衡量振蕩電路的質量指標之一。頻率穩定度一般用頻率的相對變化量f/f0來表示，f0為振蕩頻率，f為頻率偏移。頻率穩定度有時附加時間條件，如一小時或一日內的頻率相對變化量。各振蕩電路頻率特性如圖

11、 圖 振蕩電路頻率特性第一章 石英晶體第一節 石英晶體基本特性石英晶體振蕩電路之所以具有極高的頻率穩定度，主要是由于采用了具有極高Q值的石英晶體元件。一 石英晶體的基本結構石英晶體是一種各向異性的結晶體，它是硅石的一種，其化學成分是二氧化硅 。 從一塊晶體上按一定的方位角切下的薄片稱為晶片（可以是正方形、矩形或圓形等)， 然后在晶片的兩個對應表面上涂敷銀層并裝上一對金屬板，就構成石英晶體產品，如圖所示，一般用金屬外殼密封，也有用玻璃殼封裝的。圖 石英晶體結構二 壓電效應若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形。反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產生電場，這種

12、物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。 第二節 石英晶體等效電路石英晶體的特點在于它具有很高的質量與彈性的比值 (等效于L/C)，因而它的品質因數Q高達10000500000的范圍內。等效電路中元件的典型參數為：Co分布電容很小：幾pF幾十pF，L：幾十mH幾百mH，C動態電容：0.0

13、002 pF 0.1pF。如圖所示。由等效電路可知，石英晶體有兩個諧振頻率，即圖 石英晶體的符號、等效電路和電抗特性。（1）L-C-R支路串聯諧振（2）當f>fs時，L-C-R支路呈感性，與Co產生并聯諧振。由于Co>>C，故fPfS. 圖 外接可調電容在實際應用中，通常串入一個用于校正振蕩頻率的小電容CS，如圖所示，圖電路的電抗為X'，則令上式中的分子為零得（串聯諧振）：CS一般采用微調電容，使fs'在fs和fP之間的一個狹窄的范圍內調整。將上式展開成冪級數的形式，并考慮到C<<（C0+CS），則 因為Co（幾pF幾十pF），C（0.0002pF

14、0.1pF），CS>C，所以振蕩頻率的相對變化量很小。串并聯石英晶體振蕩電路由英晶體的頻率特性可構成兩種不同類型的頻率高度穩定的正弦波振蕩電路：1）當石英晶體發生串聯諧振時，它呈純阻性，相移是0。若把石英晶體作為放大電路的反饋網絡，并起選頻作用，只要放大電路的相移也是0，則滿足相位條件。形成串聯型石英晶體正弦波振蕩電路。2）當頻率在fs與fp之間，石英晶體呈感性，可將它與兩個C構成電容三點式正弦波振蕩電路，形成并聯型石英晶體正弦波振蕩電路。如圖 如圖 串并聯石英晶體正弦波振蕩器第二章 12Mhz石英晶體正弦波振蕩器第一節 電路的選擇晶體振蕩電路中，與一般LC振蕩器的振蕩原理相同，只是把晶

15、體置于反饋網絡的振蕩電路之中，作為一感性元件，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。根據實際常用的兩種類型，電感三點式和電容三點式。常用電路簡單結構如圖和3.1.2所示。由于石英晶體存在感性和容性之分，且在感性榮性之間有一條極陡峭的感抗曲線，而振蕩器又被限定在此頻率范圍內工作。該電抗曲線對頻率有極大的變化速度，亦即石英晶體在這頻率范圍內具有極陡峭的相頻特性曲線。所以他具有很高的穩頻能力，或者說具有很高的電感補償能力。因此選用c-b型皮爾斯電路進行制作。 圖3.1.1 c-b型電路 圖3.1.2 b-e型電路第二節 石英晶體振蕩器設計一 主要技術指標：振蕩頻率：。=12MHz短

16、期穩定度：。/。優于士15×10-6工作環境溫度范圍：-40+85電源電壓：+12V二 設計說明（1）選擇電路形式：選用12MHz皮耳斯c-b型電路如圖所示 圖 12MHz 皮爾斯c-b型電路（2）選擇晶體管和石英晶體。根據設計要求，按公式max= T(210)H=（24120MHz）選擇高頻管3DG6C型晶體管作為振蕩管。查手冊其參數如下： T =250MHz；ß40，取ß =50；NPN型通用；額壓：20V；Icm=20mA；Po= 0.1W；ßT / ß=5 MHz。 石英諧振器可選用HC-49S系列，其性能參數為： 標稱頻率。=12 M

17、Hz；工作溫度：-40+85；25時頻率偏差：士3×10-6士30×10-6；串聯諧振電阻：60；負載電容：CL=10PF,激勵功率：0.010.1mW。（3）確定直流工作點并計算偏置電路元件參數 根據3DG6C的靜態特性曲線選取工作點為：IE=2mA, Uce=0.6Vcc=0.6×12=7.2V； 取Uc=0.8Vcc=0.8×12=9.6V；Ue=0.2Vcc=0.2×12=2.4V則有 Rc=（Vcc-Uc）/ IE=（12-9.6）/0.002=1.2K Re= Ue/ IE=2.4/0.002=1.2 K 取RB2=5Re=6 K

18、RB1=（Vcc-Ue）/Ue×RB2=24 K根據實際的標稱電阻值，取Rc、Re、RB1、RB2取精度為1%的金屬膜電阻Rc= Re= 1.2K；RB1= 24 K ，RB2=6.2 K；（4）求C1C2Ct的電容值 在計算時，由下式計算的值=26 ß/ IE=650根據C1×C2= =50/（2×12×106）×650×12001+( /ß)2½= 4341.3(PF)2根據負載電容的定義，對于圖所示的電路可以得出 CL=1/(1/C1,2)+1/Ct式中，C1，2為C1與C2相串聯的電容值，由上式可

19、得 C1,2= Ct CL/ （Ct- CL） 若取Ct=30pF（一般Ct應略大于負載電容值），則C1,2= Ct CL/ （Ct- CL）=（30×10）/（30-10）=15 pF由反饋系數F=C1/C2和C1,2=C1C2/C1-C2兩式聯立解，并取F=1/2 則C1=C1,2(1+F)=22.5 pF C2=C1,2(1+1/F)=45 pF根據電容量的標稱值，取C1、C2為聚苯乙烯電容， C1=20pF, C2=40pF ，C1× C2=20×40=800(PF)24341.3(PF)2可見該值遠小于由C1×C2乘機的極限值，故該電路滿足起振條件。心 得 體 會這次課程設計歷時一個星期多左右，通過這一個星期的學習，發現了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，理論知識還不夠扎實。 這次的課程設計也讓我看到了個人力量的渺小，我認為一個人工作是很艱難的工作，自己犯了錯誤是很難發現的，只有等到做完在同學們檢查以后才知道