高頻電路課程設(shè)計(jì)_晶體振蕩器的設(shè)計(jì)與制作

1、下載可編輯* 科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱 ：高頻電路課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)名稱 ：晶體振蕩器的設(shè)計(jì)與制作姓名：學(xué)號(hào):班級(jí)：電子 1002 班指導(dǎo)教師 ：起止日期 ：.專業(yè) .整理 .下載可編輯西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院制.專業(yè) .整理 .下載可編輯課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生班級(jí) ：電子 1002 班學(xué)生姓名 ：學(xué)號(hào)：設(shè)計(jì)名稱 ：晶體振蕩器的設(shè)計(jì)與制作起止日期 ：2012.12.24-2013.1.6指導(dǎo)教師 ：設(shè)計(jì)要求 ：考察知識(shí)點(diǎn) ：晶體振蕩器的靜態(tài)偏置、電路原理以及振蕩幅度、振蕩頻率相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握 。設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)晶體振蕩器，與后級(jí)電路有良好的隔離，振蕩信號(hào)幅度 >500mV ；振蕩頻率 ：a：f

2、0 6MHzb ：f0 12MHzc： f 024MHz課程設(shè)計(jì)學(xué)生日志時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容.專業(yè) .整理 .下載可編輯.專業(yè) .整理 .下載可編輯課程設(shè)計(jì)評(píng)語表指導(dǎo)教師評(píng)語 ：.專業(yè) .整理 .下載可編輯成績(jī)：指導(dǎo)教師 ：年月日.專業(yè) .整理 .下載可編輯晶體振蕩器的設(shè)計(jì)與制作一、設(shè)計(jì)目的和意義振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，它不需要外部激勵(lì)就能自動(dòng)地將直流電源共給的功率轉(zhuǎn)換為制定頻率和振幅的交流信號(hào)功率輸出，凡是能完成這一功能的裝置都可以作為振蕩器。振蕩器一般由晶體管等有源器件和某種具有選頻能力的無源網(wǎng)絡(luò)組成。石英晶體振蕩器（ quatrzoscillator ）， 是利用具有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。

3、 這種石英晶體薄片受到外加交變電場(chǎng)的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)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 ，就可以取代LC(線圈和電容 )諧振回路 、濾波器等 。石英諧振器具有體積小、重量輕 、可靠性高 、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中。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 。本設(shè)計(jì)對(duì)利用石英晶體構(gòu)成振蕩器的方法做了較深入的研究，對(duì)振蕩器的原理及石英晶體振蕩器原理做了詳細(xì)的介紹并通過Multisim11.0 軟件設(shè)計(jì) 、仿真出并聯(lián)的石英晶體振蕩器 ，最后按照原理圖進(jìn)行調(diào)試和參數(shù)

4、的計(jì)算。二、設(shè)計(jì)原理1、 反饋振蕩器振蕩的基本原理2、 振蕩器的條件.專業(yè) .整理 .下載可編輯a)、起振條件 保證接通電源后能逐步建立起振蕩反饋電壓幅度必須大于輸入電壓幅度，即：T（0） >1反饋電壓相位必須與放大器輸入相位相同 正反饋 。T=2n b) 、平衡條件 保證進(jìn)入維持等幅持續(xù)振蕩的平衡狀態(tài)T（0 ）=1T=2n c)、穩(wěn)定條件 保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞在0 附近 T（0 ）的變化率為負(fù)值在0 附近相位的變化率為負(fù)值3、 石英晶體振蕩器石英晶體的特點(diǎn)在于它具有很高的質(zhì)量與彈性的比值(等效于L/C) ，因而它的品質(zhì)因數(shù)Q 高達(dá) 10000500000的范圍內(nèi)

5、 。等效電路中元件的典型參數(shù)為：Co 分布電容很小 ：幾 pF幾十 pF，L：幾十 mH 幾百 mH ，C 動(dòng)態(tài)電容：0.0002 pF0.1pF。 如圖所示 。由等效電路可知 ，石英晶體有兩個(gè)諧振頻率，即.專業(yè) .整理 .下載可編輯（ 1）L-C-R 支路串聯(lián)諧振（ 2）當(dāng) f>fs 時(shí)， L-C-R 支路呈感性 ，與 Co 產(chǎn)生并聯(lián)諧振 。由于 Co>>C ，故 fPfS.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(shí) ，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

6、 Wo 時(shí)，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(gè)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。4、串聯(lián)型晶體振蕩器.專業(yè) .整理 .下載可編輯VCCRcCLRb1GNDCcQ1C1LC3Q1C1C31Y12Y112CbRb2GNDReC2GNDReC2原理電路交流等效電路LC 回路一定要調(diào)諧在石英諧振器的串聯(lián)諧振頻率上。5、 并聯(lián)型晶體振蕩器c-b 型電路b-e 型電路.專業(yè) .整理 .下載可編輯VCCLcQ1C1Rb1CcQ1C1C3RLCb1ReC2Rb2Y1GNDReC22皮爾斯原理電路交

7、流等效電路C3RL1Y12C3 用來微調(diào)電路的振蕩頻率，使其工作在石英諧振器的標(biāo)稱頻率上， C1、C2、C3 串聯(lián)組成石英晶體諧振器的負(fù)載電容CL 上，其值為CL=C1C2C3/(C1C2+C2C3+C1C3)由于 Cq/ (C 0+C L)<<1 ，故皮爾斯振蕩器的振蕩頻率非常接近串聯(lián)諧振頻率。三、詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟.專業(yè) .整理 .下載可編輯1、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 ，只是把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn)則組成三端振蕩器 。根據(jù)實(shí)際常用的兩種類型，電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式。常用電路簡(jiǎn)單

8、結(jié)構(gòu)如圖和所示 。 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(nèi)工作。該電抗曲線對(duì)頻率有極大的變化速度 ，亦即石英晶體在這頻率范圍內(nèi)具有極陡峭的相頻特性曲線。所以它具有很高的穩(wěn)頻能力 ，或者說具有很高的電感補(bǔ)償能力。因此選用 c-b 型皮爾斯電路進(jìn)行制作。VCC12VR1L1100k10H35%Key=AR46.8k C40.01 FQ1C12N390420pFC5R630pFR210k10kR3C2X1510120pFHC-49/US_7MHz工作電路2、選擇晶體管和石英晶體? 8rbb 'Cb ' c根據(jù)設(shè)計(jì)要求 ，

9、按公式 ?max=?T(210)?H= （ 24120MHz ）選擇高頻管 2N3904 型晶體管作為振蕩管 。 查手冊(cè)其參數(shù)如下 ： ?T =300MHz ；?.專業(yè) .整理 .下載可編輯40，取 ? =60 ；NPN 型通用；額壓：20V ；Icm=20mA ； Po= 0.1W ；?T / ?=5MHz 。石英諧振器可選用HC-49S 系列，其性能參數(shù)為 ：標(biāo)稱頻率 ? 。=6 MHz ；工作溫度 ：-40 +70 ； 25時(shí)頻率偏差 ：士 3×10-6 士30 ×10-6 ；串聯(lián)諧振電阻 ：60；負(fù)載電容 ：CL=10PF,激勵(lì)功率 ：0.010.1mW 。3、元器

10、件參數(shù)的計(jì)算a）、 確定三極管靜態(tài)工作點(diǎn)正確的靜態(tài)工作點(diǎn)是振蕩器能夠正常工作的關(guān)鍵因素，靜態(tài)工作點(diǎn)主要影響晶體管的工作狀態(tài) ，若靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置不當(dāng)則晶體管無法進(jìn)行正常的放大，振蕩器在沒有對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)是無法工作的。 振蕩器主電路的靜態(tài)工作點(diǎn)主要由Rb1 、 Rb2 、Re、 R 決定，將電感短路 ，電容斷路 ，得到直流通路如圖4-7 所示 。VCCRRb1Q1Rb2GNDRe圖 4-7 直流通路等效電路高頻振蕩器的工作點(diǎn)要合適 ，若偏低、偏高都會(huì)使振蕩波形產(chǎn)生嚴(yán)重失真 ，甚至停振 。取 ICQ=0.55mA, 若取 VCC=12V,ICQ=2mA,V CEQ=0.8V CC10V,則有

11、Re=V CC-V CEQ / I CQ=(12-10)V/2mA=1k (3.1.1)/ 50=0.04mA若取流過Rb2的電流 Ib2為10IBQ，則Ib2=10IBQ =I CQ / =2mAIBQ= 0.40mA ，則取：VBQ= R b2 *VCC / (R b1 +R b2) VEQ.專業(yè) .整理 .下載可編輯Rb2 = V BQ / I b2 =2.7V/0.40mA=6.75k,Rb1 =23.25 k 實(shí)際電路中 ，Rb1 用 6.5 k 與 50 k電位器串聯(lián) ， Rb2 取 6.5 k，以便工作點(diǎn)的調(diào)整。b ）、交流參數(shù)的確定對(duì)于振蕩器 ，當(dāng)電路接為并聯(lián)型振蕩器時(shí)，晶體起

12、到等效電感的作用，輸出頻率應(yīng)為 6MHZ ，則由晶振參數(shù)知負(fù)載電容CL=10pF ，即 C2， C3，C1 串聯(lián)后的總電容為10pF根據(jù)負(fù)載電容的定義 ，CL=1/(1/C 1,2)+1/C3由反饋系數(shù) F=C1/C2 和 C1,2 =C1C2/C1-C2 兩式聯(lián)立解 ，并取 F=1/2則 C1=51pF ， C2=100pF ，C3=30pF為了提高振蕩器的工作性能和穩(wěn)定度，在電路中還應(yīng)有高頻扼流圈。四、設(shè)計(jì)結(jié)果及分析仿真電路VCCJ112VR1Key = AXSC2100kL135%Key=A10HExt T rig+R4_AB6.8k +_+_C40.01 FC3Q1C1C530pF20

13、pF2N390450pFKey=ARLR230%10k10kX1R3C21k100pFHC-49/US_7MHz輸出穩(wěn)定正弦波，頻率和幅度均達(dá)到了課題要求，但是幅度大小調(diào)節(jié)不方便，故作出以下改進(jìn)調(diào)整改進(jìn).專業(yè) .整理 .下載可編輯VCCXSC1J112VV: 1.26 VR1V(p-p): 3.35 VTektronixKey = AV(rms): 2.20 V100k V(dc): 1.82 VP 1234TL1I: 78.2 uA35%Key=AR7G10HI(p-p): 570 uAI(rms): 186 uA55k R4I(dc): 33.6 nA6.8k Freq.: 6.09 MH

14、zQ2XFC1C41230.01 F2N3904C3C5Probe1Q1C1R520pF50pF30pF5%2N390450k V: 109 mVKey=AKey=AR8V(p-p): 527 mVR230%V(rms): 288 mV10k 10k X1V(dc): 210 mVR3C2Probe2I:HC-49/US_7MHzR6I(p-p):1k100pF510I(rms):I(dc):Freq.: 6.09 MHz實(shí)物電路XSC1VCCJ112VR1Key = A100k 35%Key=AL110HR46.5k V:TektronixV(p-p):V(rms):P 1234TV(dc)

15、:GI:R7I(p-p):1kI(rms):I(dc):Freq.:XFC1C4Q2123Probe12N3904Q1C1R9X10.01 FR55%V:2N390420k5kV(p-p):100PFHC-49/US_7MHzV(rms):Key=AR2R8V(dc):C56.5k 10kProbe2I:200PFR3C2C3R6I(p-p):50%I(rms):1k1nF510I(dc):30pFFreq.:Key=A通過改變滑動(dòng)變阻器R1 可以調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn) ，調(diào)整 R5 可以改變輸出波形幅值的大小。.專業(yè) .整理 .下載可編輯輸出波形由仿真輸出波形可知 ，輸出波頻率為6.08MHZ ，幅

16、度為 3.3V，可以通過改變滑動(dòng)變阻器來調(diào)整輸出幅度的大小滿足設(shè)計(jì)的要求 500mV ，頻率和幅度均滿足設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)。根據(jù)老師提供的元器件在實(shí)物制作中做了一些微調(diào)。測(cè)試得輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波頻率5.998MHZ ±0.01,幅度500mV 可調(diào)，且在該電路中其輸出頻率幾乎不受外圍電路的影.專業(yè) .整理 .下載可編輯響，嚴(yán)格按照石英晶體振蕩器的頻率工作，到達(dá)了設(shè)計(jì)的要求指標(biāo)。在實(shí)物調(diào)試時(shí) ，出現(xiàn)波形不穩(wěn)定時(shí)顯時(shí)不顯，在老師的指導(dǎo)下找到原因，在某個(gè)元件的焊點(diǎn)出現(xiàn)了虛焊造成輸出不穩(wěn)定，對(duì)于高頻電路來說這是個(gè)很關(guān)鍵的因素。經(jīng)過不斷調(diào)式 、改進(jìn)，最終達(dá)到了理想的輸出信號(hào)。在一級(jí)放大后加一級(jí)射極跟隨

17、器，其輸入電阻很大起隔斷后級(jí)對(duì)前級(jí)影響的作用，同時(shí)增大了帶載能力，實(shí)現(xiàn)了輸出幅值可調(diào)，滿足并提高了設(shè)計(jì)要求指標(biāo) 。PCB 制作VCCS1P1VCCVCC1R1Lc2R111KQ2P2GNDCcGND1Rb1OUT12Q1C1C3R2P31KOUT1R221OUT212OUT2Rb2Y1GND ReC22RL12121231221211112222121211221112 213221底層 頂層附銅.專業(yè) .整理 .下載可編輯12121231212123123211232121212211112121121222211221122211121211121211222211333213212221

18、21器件清單6.8K210K21K1電阻5101100K 變阻15K 變阻150P1電容100P120P1.專業(yè) .整理 .下載可編輯30P 可調(diào)電容10.01u1電感10uH1三極管2N39042晶振6MHZ1排針4五、體會(huì)通過本次課程設(shè)計(jì)使自己進(jìn)一步熟悉、掌握高頻課程設(shè)計(jì)原理與基本知識(shí)；綜合訓(xùn)練自己掌握高頻課程設(shè)計(jì)所需電子元件的原理和選擇，從而初步學(xué)會(huì)從分析到調(diào)試的基本過程 、方法和思路 ，為今后的設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn) 。1、在課程設(shè)計(jì)過程中 ，我基本能按照規(guī)定的程序進(jìn)行，調(diào)查有關(guān)資料 ，然后進(jìn)入草案階段 ，期間與同學(xué)進(jìn)行幾次設(shè)計(jì)的分析、討論、再分析 ，最后進(jìn)行正式電路調(diào)試階段。調(diào)試結(jié)束后 ，又在老師指導(dǎo)下進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)計(jì)算，并開始寫報(bào)告