晶体振荡器的工作原理/类型/优缺点/电路

晶体振荡器是产生稳定、准确和重复信号的电子设备，广泛用于各种电子应用。由于其出色的稳定性、精度和低噪声，它们已成为许多电子电路中的关键元件。在这篇文章中，我们将了解晶体振荡器的工作原理，以及它们的多种品种、应用、优点和缺点。

工作原理：

晶体振荡器是一种利用石英晶体的压电作用产生恒定和精确频率的电路。

压电效应是一种现象，其中材料在施加机械应力时会产生电场，或者在施加电场时振荡。

在晶体振荡器的情况下，谐振器是石英晶体。每当向晶体提供交流电压时，它都会以晶体物理尺寸定义的指定频率谐振。

晶体振荡器电路由放大器和反馈网络组成。石英晶体连接在反馈回路中，而放大器输出则反馈给晶体。

在这里，晶体充当谐振器，反馈网络使预期的反馈能够在晶体的共振频率下保持振荡。

晶体振荡器的输出信号是正弦波，其频率由晶体的谐振频率设定。

晶体振荡器类型：

晶体振荡器有几种类型，包括：

皮尔斯振荡器：最流行的晶体振荡器类型是皮尔斯振荡器。它由石英晶体和反馈网络组成，该反馈网络提供必要的相变以保持振荡运行。通常，反馈系统包括两个电容器和一个电阻器。

科尔皮茨振荡器：晶体振荡器的另一种形式是科尔皮茨振荡器。一个石英晶体、两个电容器和两个电感器组成电路。反馈网络提供所需的相位变化，以保持振荡。

拍板振荡器：Clapp振荡器是Colpitts振荡器的修改版本。它在反馈网络中包括一个额外的电容器，可提供额外的稳定性并降低寄生电容的影响。

巴特勒振荡器：巴特勒振荡器是一种高频晶体振荡器，常用于射频应用。巴特勒振荡器的基波相移由反馈网络、晶体和放大器产生。

晶体振荡器的优点：

高精度：晶体振荡器确保其输出结果的高精度。这种精度对于精确的定时应用至关重要。

稳定的输出：晶体振荡器确保其输出始终稳定。这种稳定性对于高频应用至关重要。

低噪音：晶体振荡器确保其信号具有非常低的噪声。这种低噪声输出对于敏感的电子应用至关重要。

低功耗：晶体振荡器确保其功耗最低。此功能对于电池供电的设备至关重要。

晶体振荡器的缺点：

贵：与其他正常类型的振荡器相比，晶体振荡器有时相当昂贵。

频率范围有限：晶体振荡器的频率范围通常可能有限，可能不适合相当多的应用。

易受冲击和振动：晶体振荡器对冲击和振动敏感，这会影响其精度和稳定性。

对温度的敏感性：晶体振荡器易受温度变化的影响。这个缺点会影响它们的频率稳定性。为了克服这个问题，必须采用温度补偿技术。

晶体振荡器的应用：

一些电子应用采用晶体振荡器，因为它们具有以下优点：

时基生成器：由于其出色的精度和稳定性，晶体振荡器经常被用作时钟和定时电路的时基。

微控制器：为了同步其内部活动，微控制器采用晶体振荡器作为时钟源。

通信系统：晶体振荡器用于在包括无线电和电视发射器和接收器在内的通信系统中产生载波信号。

信号发生器：信号发生器使用晶体振荡器产生具有各种频率和波形的信号。

使用科尔皮茨振荡器的晶体电路

下图可以看到一个易于构建的晶体Colpitts振荡器，范围为1至20 MHz。它围绕并联操作晶体和老式锗NPN双极晶体管构建。

但是，作者已经测试了两个电路，并且没有遇到任何启动问题。如果发现问题（C1和C2），可以测试偏置电阻和反馈电容的不同值。

基波模式晶体振荡器

下一个电路旨在根据使用C500和C20的反馈电路中使用的电容值在2 kHz和3 MHz之间运行。

根据所使用的晶体，这些电容器的标准值显示在相邻的表中。为了将工作频率精确地调谐到需要的位置，采用了频率调整电容器（C1）。

如果将反馈电阻（R1）替换为更高值的反馈电阻（R《》），则电路将以更高的稳定性和更少的谐波失真工作。

一些调查可以确定精确的值。但是，只有在振荡器自由运行时，才应应用该策略。如果 R1

的值太高，则如果它被键控或以某种方式打开和关闭，则可能存在问题。

当电阻值较高时，振荡器将比较低的振荡器更快地增加到其最大输出幅度。但是，使用值小于2200欧姆的电阻器可能会导致晶体过驱动。

基波模式，20 MHz晶体振荡器

下图显示了频率稳定性为百万分之十（PPM）的基本频率振荡器电路。晶体管的发射极和电容分压器反馈网络的结耦合到该电路中的晶体。

可以使用具有并联和串联模式的晶体。通过实验，可以改变反馈电容比以获得最佳（最大稳定性）性能。

R3可以更改为欧姆值在100和1000之间的任何电阻，以改变晶体XTAL1的输出电平。R3值越低，稳定性提高，晶体耗散降低。

C4将电感L1谐振至晶体频率。找到一种接近谐振的配置几乎总是可行的，其中晶体振荡器每次接通时都会持续激活。如果L1线圈调谐或构建错误，电路将根本无法启动。

皮尔斯晶体振荡器电路

下一个晶体振荡器描绘了一个皮尔斯振荡器电路。该电路包含一个在有源器件的输出和输入之间互连的晶体，类似于所有皮尔斯振荡器。

晶体连接在电路的漏极和栅极之间，因为使用的是JFET，而不是双极晶体管的集电极和基极。

隔直功能由与晶体串联的电容器（C2）执行。虽然在某些低压晶体管设计中可以去除这种电容器，但对于我们的目的来说它是必要的。

单结晶体振荡器

下图所示，我们的下一个设计是一个围绕单结晶体管（UJT）构建的奇数100 kHz振荡器。

晶体XTAL1调节该电路的工作频率。该简单晶体控制振荡器的输出可以发送到分频器计数器，以提供稳定的低频输出，用作时钟发生器或用作标记发生器以对齐通信接收器的模拟拨盘。

基于UJT的振荡器中包含的大多数RC定时电路用于调节振荡器的频率。

对于频率稳定性不是主要问题的许多应用，这种方法非常有效。最便宜和最简单的解决方案是使用频率稳定性至关重要的石英晶体。

为了获得出色的正弦波，需要调整上述振荡器输出。您将需要一台示波器。

只需将示波器连接到电路的输出并调整R4即可获得看起来最干净的波形。如果没有示波器，可以使用AM无线电获得良好的结果。

只需打开AM收音机并将拨盘调整到频谱低频部分的频段即可。

将收音机靠近振荡器，然后调整R4，直到听到外差（拍频信号）。

结论：

总之，由于其出色的稳定性、精度和低噪声，晶体振荡器是许多电子电路的重要组成部分。它们广泛用于多个系统，例如信号发生器、微控制器、通信系统以及时钟和定时电路。

尽管存在一些缺点，包括高成本和对冲击、振动和温度的敏感性，但由于它们提供的优势，它们仍然是许多电子应用的首选。随着技术的发展，晶体振荡器继续在当前的电子设备中发挥重要作用，预计其重要性在未来将增长。