高频晶体正弦波振荡器简介及应用设计

摘要

石英晶体正弦波振荡器简称晶振，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，它利用石英晶体的压电效应实现机械能与电能的相互转化。由于晶体振荡器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，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。 

本设计对利用石英晶体构成正弦波的振荡器的方法做了较深入的研究，对振荡器的原理及石英晶体振荡器原理做了详细的介绍并通过Multisim 软件设计、仿真出串并联可交换的石英晶体振荡器，最后按照原理图进行实物的连接、调试和参数的计算。

石英晶体振荡器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。石英晶体振荡器具有很好的标准性和极高的品质因素，因此利用石英晶体振荡器作滤波原件构成的振荡器，具有很高的频率稳定度，采用高精度的稳频措施后，石英晶体振荡器可以达到很好的频率稳定度。

石英晶体特性简介 

压电效应 

晶体的基本特性是它具有压电效应。依靠这种效应，可以将机械能转变为电能；反之，也可以将电能转变为机械能。所谓压电效应就是在石英晶体打两个电极上加直流电场，晶体就会产生机械形变。反之，若在晶体的两侧施加一机械压力，则会在晶体相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。若是晶体懒得两级上叫交变激励电压，晶体就会产生机械振动，同样晶片的机械振动又会产生交变电场。且当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率激励下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振。

晶振的优缺点 

优点：使用石英晶体作为震荡回路元件，能够使振荡器的频率稳定度大大提高，原因有三：石英晶体的物理特性和化学特性都十分稳定，因此，它的等效谐振回路有很高的标准性。它具有正、反压电效应，而且在谐振频率附近，晶体的等效参数L很大、C很小、R也不高，因此，晶体的Q值可高达数百万数量级。在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频率内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。     缺点：石英晶体谐振器的主要缺点时它的单频性，即每块晶体只能提供一个稳定的振荡频率，因而不能直接用于波段振荡器。

晶体振荡器 

起振和稳幅 

起振过程 

在振荡开始时，由于激励信号较弱，输出电压的振幅比较小，此后经过不断的放大与反馈循环，输出幅度开始逐渐增大，为了维持这一过程，必须满足AF≥l的要求

振幅的稳定 

振荡器接通电源开始起振时，起始信号可能很弱。此时放大器工作在线性放大区，信号被放大，其振幅逐渐增加，反馈信号的振幅也随之增加。促使它们不断增大的因素是放大作用和正反馈。当振幅增大到某种程度后，由于二极管特性的非线性，晶体三极管工作范围将超出放大区．进人饱和区或截止区。放大器的放大倍数将显著下降，因而使输出信号振幅的增大程度变缓。另一方面，能量的损耗也会使输出信号振幅的增大程度变缓。因为振荡器所消耗的能量来自电源，故电路中所能取得的能量总是有限的。当振荡器输出信号的幅度加大时，其电路各部分的能量消耗也加大了（包括负载的功率输出），由于能量的供给有限，使电路的输出振幅不可能无限增大。所以振荡器的振幅只能增大到某种程度，此后形成等幅振荡波形输出。

  串联型晶体振荡器实际电路     串联型晶体振荡器等效电路

输出缓冲级 

常用的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。射极跟随器的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大倍数略低于1，带负载能力强，具有较高的电流放大能力，它可以起到阻抗变换和极间隔离的作用，因而可以减小负载对于振荡回路的影响，射极跟随器的典型电路如图所示。

输出缓冲级电路

晶体正弦波振荡器原理图及参数计算 

晶体振荡器总原理图

从图中可以看到：R1、R2：为三极管Q1提供偏置电压。 

R8：改变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、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，滤除高频部分。 Q2连接成射极跟随器，用于提高系统的带负载能力。

J1上端打开时，J2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J1下端打开，J2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。

元件参数的计算 

正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。振荡器主电路的静态工作点主要由R1、R2、R3、R8决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图4-9所示。
 

直流通路等效电路

如图所示，其中V1=5V，要使三极管满足起振条件，则静态时它应工作在放大区，故R3两端电压应大于0.7V，一般情况下发射极电流为mA级，基极电流uA级。不妨取R1=R3=5.1KΩ，R2=400Ω，β=45则Vb=2.5V，Ie=4.5mA,Ib=100uA,符合射级要求。为了调节方便，在R1处在串联一电位器，最大阻值为10K。对于振荡器，当该电路接为串联型振荡器时，晶体起到选频短路线的作用，输出频率应为10MHZ，不妨取L1=1uH,则由f0=2πLC回路总电容C=253.3pF，即C2，C3串联后的总电容为253.3 pF，则取C2=300pF，C3=1600pF.为了便于调节C2由一定值电阻和可变电阻并联而成。当该电路接为并联型振荡器时，晶体起到等效电感的作用，此时工作频率介于两谐振频率之间。同时为了提高振荡器的带负载能力，应附加一个缓冲输出级，本设计中使用的是一个射级跟随器，其各参数如图4-8所示。为了提高振荡器的工作性能和稳定度，在电路中还应有高频电源去耦电容和高频扼流圈，一般取电解电容C=100nF，瓷片电容C=10 nF，扼流圈L=330mH。

电路仿真 

静态工作点的测试 

根据设计好的静态工作点的电路图，在Multisim软件中分别在晶体管Q1、Q2的b、e、c三端接入示波器，观察静态时各极上的电压。测量结果如表5-1所示。
 

根据表中的数据可以看出，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。

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J1上端接通，下断开，J2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率，仿真波形如图5-1所示。

串联型振荡器输出波形

从图5-1中可以看出，输出波形为正弦波，幅值为Vo=1.34V，输出频率f=6.38MHZ，波形有较小的失真，这是由于元件参数的精度较低导致的，该振荡器的设计符合设计要求。

并联型振荡器输出测试 

在Multisim软件环境下进行仿真，此时开关J1上端断开，下端接通，J2接通，形成并联联型振荡器，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率，仿真波形如图5-2所示。

从图中可以看出，输出波形为正弦波，幅值为Vo=1.46V，输出频率f=6.69MHZ波 形有较小的失真，这是由于元件参数的精度较低导致的，该振荡器的设计符合设计要求。