石英晶体正弦振荡器电路图

高频电子线路实验指导书

实验二 正弦振荡实验

（一）三点式LC振荡器及压控振荡器

一、实验目的

1、掌握三点式LC振荡器的基本原理；

2、掌握反馈系数对起振和波形的影响；

3、掌握压控振荡器的工作原理；

4、掌握三点式LC振荡器和压控振荡器的设计方法。

二、实验内容

1、测量振荡器的频率变化范围；

2、观察反馈系数对起振和输出波形的影响；

3、观察温度变化对振荡器频率稳定度的影响(选做)。

三、实验仪器

1、20MHz示波器 一台

2、数字式万用表 一块

3、调试工具 一套

四、实验原理

1、三点式LC振荡器

三点式LC振荡器的实验原理图如图8－1所示。

C4C6R7R8R6Q1C9R9C10Q2R10R5C11R15Q3R17R14C5K5C8C7K6K7R12C12R16W2TP5TT1TP4C40K8T2+12V

图 8－1 三点式LC振荡器实验原理图

图中，T2为可调电感，Q1组成振荡器，Q2组成隔离器，Q3组成放大器。C6=100pF，C7=200pF，C8=330pF，C40=1nF。通过改变K6、K7、K8的拨动方向，可改变振荡器的反馈系数。设C7、C8、C40的组合电容为C∑，则振荡器的反馈系数F＝C6/ C∑。

反馈电路不仅把输出电压的一部分送回输入端产生振荡，而且把晶体管的输入电阻也反 - 2 - 映到LC回路两端。F大，使等效负载电阻减小，放大倍数下降，不易起振。另外，F的大小还影响波形的好坏，F过大会使振荡波形的非线性失真变得严重。通常F约在0.01～0.5之间。

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。当负载电容值改变后，输出频率也随之改变。因而，晶体的生产商必须知道振荡器电路中的负载电容，这样可以在工厂中使用同样的负载电容来校准。

第五节正弦波振荡电路振荡电路是一种能量转换装置，它无需外加信号，就能自动地将直流电能转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号。

一、正弦波振荡器的基本知识

1．正弦波振荡器的组成

正弦波振荡器主要由放大电路、选频电路和反馈网络组成。

（1）放大电路

利用三极管的电流放大作用使电路具有足够的放大倍数。

（2）选频电路

对某个特定频率的信号产生谐振，从而保证正弦波振荡器具有单一的工作频率。

（3）反馈网络

将输出信号正反馈到放大电路的输入端，作为输入信号，使电路产生自激振荡。

2．自激振荡的过程

当振荡器接通电源的瞬间，电路受到扰动，在放大器的输入端产生一个微弱的扰动电压，经放大器放大、选频后，通过正反馈网络回送到输入端，形成放大→选频→正反馈→再放大的过程，使输出信号的幅度逐渐增大，震荡便由小到大地建立起来。当振荡信号幅度达到一定值时，由于三极管非线性的限制作用，使振幅不再增大，最终使电路维持稳幅振荡。

3．自激振荡的条件

振荡电路要产生自激振荡必须同时满足下列两个条件：

（1）相位平衡条件

反馈电压的相位与输入电压的相位相同，即为正反馈。

n（n=0，1，2，…） 为vf与vi的相位差

（2）振幅平衡条件

反馈电压的幅度与输入电压的幅度相等，这是电路维持稳幅振荡的振幅条件。

AvF≥1 F反馈系数

起振时AvF＞1，稳幅振荡时AvF=1。

二、RC振荡器

RC振荡器主要由RC选频反馈网络和放大器组成，常见的类型有桥式振荡电路和移相式振荡电路。

RC桥式振荡电路的基本原理：

1．RC串并联选频网络 2

图a为RC串并联选频网络，它由R2、C2并联后与R1、C1串联组成，一般取R1= R2= R，C1= C2= C，它的选频特性如图b、c，输入电压vi的幅度一定时，输入信号频率变化会引起输出电压vo幅度和相位的变化。

当输入信号vi的频率等于选频频率时，输出电压幅度最高，为vi/3，而且它们的相位差为零。选频频率f0取决于选频网络元件R、C的数值，并且

模拟电路部分晶振设计

1. 振荡器原理

振荡器是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器。从能量的角度来说，正弦波振荡器是通过自激方式把直流电能转换为特定频率和幅度的正弦交变能量的电路。

对于任何一个带有反馈的放大电路，都可以画成下图所示结构：

图4 振荡器

当增益满足1af，且相位条件满足2时，构成正反馈环路，起振条件得以满足。上图即构成一个振荡器。

2. 晶振原理

当在晶体两端加上一定的交变电场,晶片就会产生机械形变, 石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制的一种谐振器件, 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。同时这个机械形变又会产生相应的交变电压,并且其特征频率下的振幅比其他频率点的振幅大得多。根据这个特点,为了得到低的起振电压和短的起振时间,在晶体两端施加的交变电压的频谱能量应主要集中在晶体的特征频率附近。

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。石英晶体振荡器的等效电路如图5 所示。当用石英晶体组成并联谐振电路时,晶体表现为

感性,其等效品质因数Q 值很高。等效阻抗2频率特性如图6所示。

图5 晶振等效电路

图6 晶振等效阻抗

图6中，Fr为串联谐振点。在频率为)2/(1LCFr时，图2中串联的L、C谐振，串联支路等效为一个纯电阻。Fa为并联谐振点，此时串联支路等效为电感，与并联的C0谐振，0/1CCFFra。此时等效阻抗趋于无穷大。通常这两个频率点之间的差值很小。

总的来说，可以认为晶振在串联谐振时表现为电阻，在并联谐振时表现为电感。这里建议设计时采用并联谐振。 3.

Pierce Oscillator

图7 振荡电路

倒相器作为放大器，同时提供180度的相移。而晶振及负阻电容作为反馈回路，提供剩下的180度相移。RF为反馈电阻，用来决定倒相器的直流工作点，使之工作在高增益区（线性区）。这个电阻值不能太小，否则会导致环路无法振荡。该电路利用晶振的并联谐振，由于并联谐振与C0有关，会受寄生电容影响，因此增加负载电容C1、C2，可减小C0对谐振频率的影响。同时C1、C2的加入会影响起振时间和振荡频率的准确度。负载电容的选择，应根据晶振供应商提供的datasheet的数值选择。在许可范围内，负载电容值越低越好。容值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。