protel石英晶体振荡器课程设计

石英晶体振荡器第一章研究意义金融危机以来，国家围绕“保增长、调结构”采取了一系列调控政策，为我国石英晶体振荡器行业提供了较为宽松的国内发展环境，使石英晶体振荡器行业从2008年下半年以来的困境中得到了缓解和恢复。

我国石英晶体振荡器行业也在加快产业结构调整、转变发展方式，为行业持续发展提供了动力和支撑。

在全球经济不景气、国际市场持续低迷的情况下，我国石英晶体振荡器行业仍然呈现出了企稳回升、发展逐渐向好的良好局面。

虽然石英晶体振荡器行业发展很快，但是市场存在的一些问题不容忽视，如市场无序竞争、产品质量下降、创新乏力等。

石英晶体振荡器行业的规划和发展需要建立在充分市场调研的基础之上，石英晶体振荡器市场管理需要认清市场经济条件下政府和企业的角色定位，石英晶体振荡器市场有序运行需要完善市场交易规则和各项制度。

第二章发展现状石英的化学成分为SiO2，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英（a-石英），是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。

广义的石英还包括高温石英（b-石英）。

低温石英常呈带尖顶的六方柱状晶体产出，柱面有横纹，类似于六方双锥状的尖顶实际上是由两个菱面体单形所形成的。

石英集合体通常呈粒状、块状或晶簇、晶腺等。

纯净的石英无色透明，玻璃光泽，贝壳状断口上具油脂光泽，无解理。

受压或受热能产生电效应。

发展趋势1、小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。

例如TCXO这类器件的体积缩小了30～100倍。

采用SMD 封装的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已经上市石英晶体振荡器。

2、高精度与高稳定度，无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm，VCXO的频率稳定度在10～7℃范围内一般可达±20～100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。

石英晶体振荡电路设计摘要：不同的制造商提供各种形状与大小的石英晶体，其性能指标也各不一样。

这些指标包括谐振频率、谐振模式、负载电容、串联阻抗、管壳电容以及驱动电平。

本应用笔记帮助读者理解这些指标参数，并允许用户根据应用选择合适的晶体以及在MAX1470超外差接收机电路应用中获得最佳效果。

不同的制造商提供各种形状与大小的石英晶体，其性能指标也各不一样。

这些指标包括谐振频率、谐振模式、负载电容、串联阻抗、管壳电容以及驱动电平。

本篇应用笔记帮助读者理解这些指标参数，并允许用户根据应用选择合适的晶体以及在MAX1470超外差接收机电路应用中获得最佳效果。

晶体的等效电路见图1。

图中包括了动态元件：电阻Rs、电感Lm、电容Cm和并联电容Co。

这些动态元件决定了晶体的串联谐振频率和谐振器的Q值。

并联电容Co是晶体电极、管壳和引腿作用的结果。

图1. 晶体模型以下详细给出主要的性能指标。

谐振频率晶体频率可以根据接收频率指定。

由于MAX1470使用低端注入的中频，晶体频率可由下式给出(单位为MHz)：对于315MHz应用，晶体的频率可为，而在应用时需要晶体。

仅基频模式的晶体需要指定(无需泛音)。

谐振模式晶体具有两种谐振模式：串联(两个频率中的低频率)和并联(反谐振，两个频率中的高频率)。

所有在振荡电路中呈现纯阻性时的晶体都表现出两种谐振模式。

在串联谐振模式中，动态电容的容抗Cm、感抗Lm相等且极性相反，阻抗最小。

在反谐振点。

阻抗却是最大的，电流是最小的。

在振荡器应用中不使用反谐振点。

通过添加外部元件(通常是电容)，石英晶体可振荡在串联与反谐振频率之间的任何频率上。

在晶体工业中，这就是并联频率或者并联模式。

这个频率高于串联谐振频率低于晶体真正的并联谐振频率(反谐振点)。

图2给出了典型的晶体阻抗与频率关系的特性图。

图2. 晶体阻抗相对频率负载电容和可牵引性在使用并联谐振模式时负载电容是晶体一个重要的指标。

在该模式当中，晶体的总电抗呈现感性，与振荡器的负载电容并联，形成了LC谐振回路，决定了振荡器的频率。

题目：基于protel 99的石英晶体振荡器设计学生姓名：刘菲学生学号： 1214030219 系别：电气信息工程学院专业：通信工程年级： 12级任课教师：井田电气信息工程学院制基于Protel99的石英晶体振荡器学生：刘菲指导老师：井田电气信息工程学院12级通信工程2班摘要Protel设计系统是世界上第一套将EDA环境引入到Windows环境中的EDA开发工具，是具有强大功能的电子设计CAD软件，它具有原理图设计、印刷电路板（PCB）、设计层次原理图设计、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等功能，是进行电子设计最有用的软件之一。

是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。

在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。

想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上。

石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，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。

本次实验课设是设计一个简易的石英晶体振荡器，并利用Protel 99 SE对其原理图进行绘制，PCB图制作关键字：Protel设计；石英晶体振荡；原理图绘制；PCB制作1 石英晶体振荡器设计1.1 石英晶体振荡器的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致：从一块石英晶体上按一定方位切下薄片，在它的两个对应面上涂覆银层作为电极，在每个电极上各焊接一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体或晶体、晶振。

实验三石英晶体振荡器
[实验目的]
1.了解晶体振荡器的工作原理及特点；
2.掌握晶体振荡器的设计方法及参数计算方法。

[实验要求]
1.查阅晶体振荡器的有关资料, 阐明为什么用石英晶体作为振荡回路元件就能使振荡器的频率稳定度大大提高；
2.试画并联谐振型晶体振荡器和串联谐振型晶体振荡器的实际电路, 并阐述两者在电路结构及应用方面的区别。

[实验仪器设备及材料]
1.双踪示波器；
2.万用表；
3.高频电路实验装置
[实验方案]
实验电路见图3-1。

1.测振荡器静态工作点, 调图中Rp, 测得IEmin及IEmax；
2.测量当工作点在上述范围时的振荡频率及输出电压；
3.负载不同时对频率的影响, RL分别取110kΩ、10kΩ、1kΩ, 测出电路振荡频率, 填入表10-3-1并与LC振荡器比较。

填入表10-3-1, 并与LC振荡器比较。

R L～f 表10-3-1 实验数据
[实验报告]
1.画出实验电路的交流电路；
2.整理实验数据；
3.比较晶体振荡器与LC振荡器带负载能力的差异, 并分析原因；
4.你如何肯定电路工作在晶体的频率上；
5.根据电路给出的LC参数计算回路中心频率, 阐述本电路的优点。

[思考题]
石英晶体振荡器与LC三点式振荡器输出信号的差异有哪些？
1。

晶体振荡器课程设计报告1应时晶体及其特性11.1应时晶体简介11.2应时晶体的阻抗频率特性12晶体管33的内部工作原理。

晶体振荡器电路的类型和工作原理43.1串联谐振晶体振荡器43.2并联谐振晶体振荡器63.3谐振晶体振荡器84工作点和环路参数的确定(以皮尔斯电路为例)94.1主要技术点标准94.2工作点的确定104.3交流参数的确定105提高振荡器116的频率稳定性。

12参考文献摘要:131应时晶体及其特性1.1应时晶体简介应时是一种矿物二氧化硅，其化学组成为二氧化硅，其形状为角锥形六方晶体，具有各向异性的物理特性。

根据其自然形状，它有三个对称轴，即电轴x、机械轴y和光轴z。

石英谐振器中的各种晶片从每个轴以不同的角度被切成正方形、矩形、圆形或棒状薄片，例如at、BT、CT、DT等。

在图1中。

不同的芯片类型具有不同的振动类型和不同的性能。

1.2应时晶体的阻抗频率特性石英谐振器的电路符号和等效电路如图 1.2.1所示。

C0被称为静态电容，即当晶体不振动时，两个极板之间的等效电容，它与晶片尺寸有关，通常约为几十pF至几十pF。

机械振动中晶体的惯性相当于Lq，Cq振动中摩擦引起的损耗相当于Rq。

它们的值与晶片切割方向、形状和尺寸有关。

一般来说，Lq是H，Cq是pF，Rq在几百到几百欧姆之间。

它的Lq很大，而Cq和Rq很小，有一个品质因数，所以Q值很高。

在这两者之间，因为应时晶体振荡器的存取系数P=Cq/(C0 Cq)很小，所以外部元件参数对应时晶体振荡器的影响很小。

忽略等效电路中的Rq，完整的等效电路图阻抗符号基频等效电路1.2.1晶体振荡器等效电路应时晶体振荡器可以等效为串联谐振电路和并联谐振电路。

如果忽略gq，晶体振荡器两端会出现纯电抗。

串联谐振频率:并联谐振频率可由上述公式获得，其阻抗频率特性曲线如图1.2.2和图1.2.2所示。

当使用f fp时，X为0，环路为容性。

当fq f 0时，环路是电感性的，发生串联谐振或并联谐振。

年月日一、石英晶体的基本特性及其等效电路1、压电效应按一定的方位角切下的石英晶体薄片（方形、圆形或棒形），叫做石英品片。

在晶片的两个对面上喷涂上一对金展极板，再加封装，就构成石英晶体谐振器，如图：在切得的晶片上加压力时，晶片表面会产生电荷；当加在晶片上的压力变为拉力时，晶片表面电荷的极性也随之改变。

反之，如果把电压加到晶片上，则晶片产生机械压力；当所加电压反向吋，晶片上的压力变为拉力。

以上现象叫做石英晶片的压电效应。

如图：若在石英晶体谐振器的极板上加以交变电压，晶体就会产生机械振动。

此机械振动又使晶体表面产生交变电压，如此便产生一个循环过程。

一般情况下，机械振动和交变电压的振幅都非常微小，只有当外加交变电压的频率为某一个特定频率时，振幅才突然增大，这种现彖叫做压电谐振。

谐振时电流达最大，它相当于回路的串联谐振现彖。

产生压电谐振时的频率，叫做晶体谐振器的谐振频率。

2、符号和等效电路从石英谐振器的等效电路可知，这个电路有两个谐振频率，当1八C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为投影片投影片(a) @)/s=l/2n J LC当等效电路并联谐振时，并联谐振频率为/p=l/2 Ji V L (C"C / (C + C°))/s和帀两个频率非常接近。

图b为石英谐振器的电抗-频率特性，在/s和/p之间为电感性，在此区域之外为电容性。

二、石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路是形式多样的，但基本电路只有两类，即并联品体振荡电路和串联晶体振荡电路。

投影片晶体在回路屮一定是起电感L的作用，即振荡频率在晶体振荡器的/s和/p之间。

振荡回路的谐振频率表示式为振荡频率基本上是rh晶体的固有频率/s所决定，而与C'的关系很小，即由于C'不稳定所引起的频率漂移是很小的，故其振荡频率稳定度高。

2、串联型品体振荡电路当振荡频率等于晶体的串联谐振频率/s时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，电路满足自激振荡条件而振荡。

目录第一章振荡器的基本常识 (1)第一节振荡器的分类 (1)第二节振荡产生的原理 (1)一自激振荡的产生 (1)二产生振荡的条件 (2)第三节起振和稳幅 (3)一起振过程 (3)二振幅的稳定 (3)第四节正弦波振荡器 (4)第五节频率稳定度 (5)第二章石英晶体 (6)第一节石英晶体的基本特性 (6)一石英晶体的基本结构 (6)二压电效应 (6)第二节石英晶体等效电路和振荡电路 (7)第三章12MHz石英晶体正弦波振荡器 (10)第一节电路的选择 (10)第二节石英晶体振荡器设计 (10)一主要技术指标 (10)二设计说明........................................... (10)（一）选择电路............................................ .10 （二）选择晶体管和石英晶体. (11)（三）确定直流工作点并计算偏置电路元件参数 (11)（四）求C1\C2\Ct的电容值 (12)心得体会 (13)参考文献 (13)第一章振荡器的基本常识第一节振荡器的分类震荡器（Oscillator）是一种能量转换装置。

它的能量来源一般是直流形式（振荡器电路的直流供电电源）。

经过振荡器转换后，此直流能量转换为一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出。

这种电能的“转换”过程被称作“振荡”(Oscillation）。

振荡器的作用是产生特定的输出信号，因此也常常被称为信号发生器（signal creator）。

振荡器的类型繁多，按照振荡过程是否依赖于外部激励信号的参与，可以分为他激振荡器和自激振荡器；按照波形分类有正弦波振荡器和非正弦波振荡器；按照振荡器振荡频率的高低，可以分为低频振荡器、高频振荡器、超高频振荡器等；按照振荡器的选频元件分类，则有RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器等。

第二节振荡产生的原理一自激振荡的产生无需外加激励就能产生特定波形的交流输出信号，这种振荡电路称为自激振荡器。

石英晶体振荡器设计参考石英晶体振荡器设计参考振荡器是一种将直流电能转换为具有一定频率的交流电能的装置，而将石英晶体谐振器（以下简称晶体）作为频率控制元件的振荡器就叫做石英晶体振荡器（以下简称晶振）。

由于晶体的机械品质因数（Q值）可达到105～106数量级，其相移随频率的变化△Φ/△ω很大，故晶振有很高的频率稳定度，约在10-4～10-12的范围。

目前晶振被广泛应用到军、民用通信电台、微波通信设备、程控电话交换机、无线电综合测试仪、移动电话发射台、高档频率计数器、GPS、卫星通信、遥控移动设备等。

目前晶振有以下八类：普通晶体振荡器（XO）、压控晶体振荡器（VCXO）、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、恒温晶体振荡器（OCXO）、温补压控晶体振荡器（TCVCXO）、恒温压控晶体振荡器（OCVCXO）、微机补偿晶体振荡器（MCXO）和铷-晶体振荡器。

其中，温度补偿晶体振荡器包括模拟温补、数字温补、模拟-数字混合温补和单片机温补的晶体振荡器。

以下根据晶振的分类和应用，对晶振设计时需考虑的问题做一下简单介绍。

1.晶体的选用（1）切型的选取晶体的切型有AT、BT、CT、DT、ET、FT、ST、x+5、AC、BC、FC、LC、SC等，每种切型都有各自的特性，而目前在晶振中应用最多的切型是AT切和SC切。

由于AT切石英片的尺寸合适，便于加工，体积可以做的很小，在较宽的温度范围内具有良好的频率温度特性（在-55℃～85℃范围内可达到±25×10-6），并有较高的压电活性等优点，从而得到最广泛的应用。

它是石英谐振器中最重要的一种切型，频率范围约为800kH z～350MHz，采用离子刻蚀技术，其基音频率可达到1GHz左右。

目前的温度补偿晶体振荡器基本都是采用的AT切型晶体。

SC切晶体是一种双旋转切型晶体。

由于它具有应力补偿和热瞬变补偿特性，故其频率与热应力及电极应力在表面内所产生的应力无关。

因此，这种切型具有老化小、相位噪声低、短期频率稳定性好、热滞效应小及开机特性好等优点，特别适用于高稳定晶体振荡器。

1.课程设计的目的 (3)2.课程设计的内容 (3)3.课程设计原理 (3)4.课程设计的步骤或计算 (5)5.课程设计的结果与结论 (11)6.参考文献 (16)一、设计的目的设计一个晶振频率为20MHz，输出信号幅度≥5V（峰-峰值），可调的晶体振荡器二、设计的内容本次课程设计要求振荡器的输出频率为20Mhz，属于高频范围。

所以选择LC振荡器作为参考对象，再考虑输出频率和振幅的稳定性，最终选择了克拉泼振荡器。

通过ORCAD 的设计与仿真，Protel绘制PCB版图，得到了与理论值比较相近的结果，这表明电路的原理设计是比较成功的，本次课程设计也是比较成功的。

三、设计原理1．振荡器的概述在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有在没有激励信号的情况下产生周期性振荡信号的电子线路，这种电子线路就是振荡器。

振荡器是一种能量转换器，它不需要外部激励就能自动地将直流电源共给的功率转换为制定频率和振幅的交流信号功率输出。

振荡器一般由晶体管等有源器件和某种具有选频能力的无源网络组成。

振荡器的种类很多，根据工作原理可分为反馈型振荡器和负阻型振荡器，根据所产生的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器；根据选频网络可分为LC振荡器﹑晶体振荡器﹑RC振荡器等。

2．振荡器的振荡条件反馈型振荡器的原理框图如下：图1.1 反馈型振荡器的原理框图如图1，放大器的电压放大倍数为K(s)，反馈网络的电压反馈系数为F(s)，则闭环电压放大倍数Ku(s)的表达式为[1]：K u (s)=)()(s Us s Uo ( 1—1) 由 K(s)=)()(s Ui s Uo (1—2) F(s)=)()(s Uo s i U ' (1—3)U i(s)=U s (s)+)(s i U ' (1—4)得 K u (s)=)()(1)(s F s K s K -=)(1)(s T s K - (1—5)其中T(s)=K(s)F(s)=)()(s Ui s i U ' (1—6) 称为反馈系统的环路增益。