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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。
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。
采用石英晶体构成多谐振荡器的案例说明上述多谐振荡器的振荡周期或频率不仅与时间常数RC 有关，而且还取决于门电路的阈值电压U TH 。
由于U TH 本身易受温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，不能适应频率稳定性要求较高的电路。
在对频率稳定性要求较高的电路中，通常采用频率稳定性很高的石英晶体振荡器。
石英晶体的选频特性非常好，具有一个极为稳定的串联谐振频率s f 。
而s f 只由石英晶体的结晶方向和外尺寸所决定。
目前，具有各种谐振频率的石英晶体（简称“晶振”）已被制成标准化和系列化的产品出售。
图9.7为常见的石英晶体振荡器电路。
电阻R 的作用是使反相器工作在线性放大区，对于TTL 门电路，其值通常在0.5～2K Ω之间；对于CMOS 门电路，其值通常在5～100M Ω之间。
电容C 用于两个反相器之间的耦合，电容C 的大小选择应使其在频率为s f 时的容抗可以忽略不计。
该电路的振荡频率即为s f ，而与其它参数无关。
石英晶体振荡器的突出优点是具有极高的频率稳定度，且工作频率范围非常宽，从几百赫兹到几百兆赫兹，多用于要求高精度时基的数字系统中。
图9.7 石英晶体多谐振荡器例：秒脉冲信号产生电路的设计。
解：实用的秒脉冲信号产生电路一般均采用图9.7的电路形式。
为了得到1Hz 的秒脉冲信号，一种是在图9.7电路基础上稍作改动，得到如图9.8所示的电路。
图中晶振的谐振频率为4MHz ，故输出电压u o2的频率为4MHz ，该信号经一个4×106分频电路后得到1Hz 的秒脉冲信号u o 。
分频电路可利用集成计数器实现。
u oC G 2G 1 R1 1 R图9.8 秒信号产生电路(1) u o2 C 1 G 2G 1R1 1 R C2 分频电路 1Hz 秒信号 u o。
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。
3、低噪声，高频化，在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。
OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善。
除VCXO外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。
例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器，其频率为650～1700MHz，电源电压2.2～3.3V，工作电流8～10mA。
4、低功能，快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。
电源电压一般为3.3V。
许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2mA。
石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。
例如日本精工生产的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm规定值范围条件下，频率稳定时间小于4ms。
日本东京陶瓷公司生产的SMDTCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。
OAK公司的10～25MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到±0.01ppm的稳定度。
第三章种类详介3.1 石英晶体振荡器石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本结构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。
其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英晶体的压电效应：若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。
反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。
注意，这种效应是可逆的。
如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。
它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、电压控制晶体振荡器（VCXO）、恒温控制式晶体振荡器（OCXO）和数字化/μp补偿式晶体振荡器（DCXO/MCXO）等几种类型。
其中，无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种，在日本工业标准(JIS)中，称其为标准封装晶体振荡器（SPXO）。
现以SPXO 为例，简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理。
石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。
石英晶体本身并非振荡器，它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。
SPXO主要是由品质因数（Q）很高的晶体谐振器（即晶体振子）与反馈式振荡电路组成的。
石英晶体振子是振荡器中的重要元件，晶体的频率（基频或n次谐波频率）及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。
石英晶体谐振器的基本结构、（金属壳）封装及其等效电路。
只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。
当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。
石英晶体振荡器的应用：1、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。
不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。
2、随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503kHz的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源，经1/3的分频得到15625Hz的行频，其稳定性和可靠性大为提高。
面且晶振价格便宜，更换容易。
3、在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也得到了更快的发展。
许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。
3.2温度补偿晶体振荡器温度补偿晶体振荡器（TCXO）是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器。
TCXO中，对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿两种类型：（1）直接补偿型直接补偿型TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成石英晶体振荡器的温度补偿电路，在振荡器中与石英晶体振子串联而成的。
在温度变化时，热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化，从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。
该补偿方式电路简单，成本较低，节省印制电路板（PCB）尺寸和空间，适用于小型和低压小电流场合。
但当要求晶体振荡器精度小于±1pmm时，直接补偿方式并不适宜。
（2）间接补偿型间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型。
模拟式间接温度补偿是利用热敏电阻等温度传感元件组成温度－电压变换电路，并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的变容二极管上，通过晶体振子串联电容量的变化，对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。
该补偿方式能实现±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低电压情况下受到限制。
数字化间接温度补偿是在模拟式补偿电路中的温度—电压变换电路之后再加一级模/数（A/D）变换器，将模拟量转换成数字量。
该法可实现自动温度补偿，使晶体振荡器频率稳定度非常高，但具体的补偿电路比较复杂，成本也较高，只适用于基地站和广播电台等要求高精度化的情况。
3.2.1 TCXO发展现状TCXO在近十几年中得到长足发展，其中在精密TCXO的研究开发与生产方面，日本居领先和主宰地位。
在70年代末汽车电话用TCXO的体积达20 以上，目前的主流产品降至0.4 ，超小型化的TCXO器件体积仅为0.27 。
在30年中，TCXO 的体积缩小了50余倍乃至100倍。
日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生产的表面贴装TCXO厚度由4mm降至2mm，在振荡启动4ms后即可达到额定振荡幅度的90%。
金石（KSS）集团生产的TCXO频率范围为2～80MHz，温度从－10℃到60℃变化时的稳定度为±1ppm或±2ppm；数字式TCXO的频率覆盖范围为0.2～90MHz，频率稳定度为±0.1ppm（－30℃～+85℃）。
日本东泽通信机生产的TCO－935/937型片式直接温补型TCXO，频率温度特性（点频15.36MHz）为±1ppm/－20～+70℃，在5V±5%的电源电压下的频率电压特性为±0.3ppm，输出正弦波波形（幅值为1VPP），电流损耗不足2mA，体积1 ，重量仅为1g。
PiezoTechnology生产的X3080型TCXO采用表面贴装和穿孔两种封装，正弦波或逻辑输出，在－55℃～85℃范围内能达到±0.25～±1ppm的精度。
国内的产品水平也较高，如北京瑞华欣科技开发有限公司推出的TCXO（32～40MHz）在室温下精度优于±1ppm，第一年的频率老化率为±1ppm，频率（机械）微调≥±3ppm，电源功耗≤120mw。
目前高稳定度的TCXO器件，精度可达±0.05ppm。
高精度、低功耗和小型化，仍然是TCXO的研究课题。
在小型化与片式化方面，面临不少困难，其中主要的有两点：一是小型化会使石英晶体振子的频率可变幅度变小，温度补偿更加困难；二是片式封装后在其回流焊接作业中，由于焊接温度远高于TCXO的最大允许温度，会使晶体振子的频率发生变化，若不采限局部散热降温措施，难以将TCXO的频率变化量控制在±0.5×10－6以下。
但是，TCXO的技术水平的提高并没进入到极限，创新的内容和潜力仍较大。
3.2.2 TCXO的应用石英晶体振荡器的发展及其在无线系统中的应用，由于TCXO具有较高的频率稳定度，而且体积小，在小电流下能够快速启动，其应用领域重点扩展到移动通信系统。
TCXO作为基准振荡器为发送信道提供频率基准，同时作为接收通道的第一级本机振荡器；另一只TCXO作为第2级本机振荡器，将其振荡信号输入到第2变频器。
目前移动电话要求的频率稳定度为0.1～2.5ppm（－30～+75℃），但出于成本上的考虑，通常选用的规格为1.5～2.5ppm。
移动电话用12～20MHz 的TCXO代表性产品之一是VC－TCXO－201C1，采用直接补偿方式，，由日本金石（KSS）公司生产。
应用：测试设备频率范围： 1MHz-160MHz常用频点： 4 5 5.12 6 6.4 8.192 9.216 10 10.24 12 12.8 13 14.4 15.36 16.38 16.384 19.44 19.68 19.8 20 30.72 32.768 36.864 38.88 40 52 50 77.7680 100 155.523.3电压控制晶体振荡器电压控制晶体振荡器（VCXO），是通过施加外部控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。
