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。

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。

石英晶體特性簡介?

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。

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。

晶體振蕩器?

起振和穩幅?

起振過程?

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≥l的要求

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。

??串聯型晶體振蕩器實際電路?????串聯型晶體振蕩器等效電路

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所示。

輸出緩沖級電路

晶體正弦波振蕩器原理圖及參數計算?

晶體振蕩器總原理圖

從圖中可以看到：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。

元件參數的計算?

正確的靜態工作點是振蕩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4-9所示。
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直流通路等效電路

如圖所示，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=5.1KΩ，R2=400Ω，β=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=2πLC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=100nF，瓷片電容C=10?nF，扼流圈L=330mH。

電路仿真?

靜態工作點的測試?

根據設計好的靜態工作點的電路圖，在Multisim軟件中分別在晶體管Q1、Q2的b、e、c三端接入示波器，觀察靜態時各極上的電壓。測量結果如表5-1所示。
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根據表中的數據可以看出，Q1、Q2均工作在放大狀態，滿足起振條件，該電路的靜態工作點符合要求。

串聯型振蕩器輸出測試?

在Multisim軟件環境下進行仿真，此時開關J1上端接通，下斷開，J2全部斷開，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5-1所示。

串聯型振蕩器輸出波形

從圖5-1中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為Vo=1.34V，輸出頻率f=6.38MHZ，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。

并聯型振蕩器輸出測試?

在Multisim軟件環境下進行仿真，此時開關J1上端斷開，下端接通，J2接通，形成并聯聯型振蕩器，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5-2所示。

從圖中可以看出，輸出波形為正弦波，幅值為Vo=1.46V，輸出頻率f=6.69MHZ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。