高频正弦波振荡器

目录

摘要 (1)

1.引言 (3)

2.Multisim 简介 (4)

3.正弦波振荡器的基本原理 (6)

3.1起振过程与起振条件 (6)

3.2平衡过程与平衡条件 (7)

3.3平衡状态的稳定条件 (8)

4.三点式LC振荡器 (9)

4.1电容三点式振荡器 (9)

4.2克拉勃电路 (10)

4.3西勒电路 (11)

5.石英晶体振荡器 (12)

5.1 压电效应及其等效电路 (12)

5.2石英晶体的阻抗特性 (12)

5.3石英晶体振荡器电路 (13)

5.3.1并联型晶体振荡电路 (13)

5.3.2串联型晶体振荡电路 (14)

6.振荡电路的设计及仿真 (14)

6.1 主要原件参数设计 (14)

6.1.1振荡电路部分 (15)

6.1.2输出级部分 (17)

6.2 电路的仿真 (16)

7. 调试波形与实物图 (21)

8.总结 (24)

参考文献 (25)

附录1.元件清单 (26)

石英晶体振荡器是一种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。石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件，如彩电的色副载波振荡器、电子钟表的时基振荡器及游戏机中的时钟脉冲振荡器等，石英晶体成本较高，故在要求不太高的电路中一般采用陶瓷谐振元件。

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。

关键词：晶体；振荡器；串并联；Multisim仿真

Quartz crystal oscillator is a high precision and high stability of the oscillator, is widely used in color television sets, computers, remote controls and other kinds of oscillator circuits, and communications systems for the frequency generator, generate the clock for the data-processing equipment signal and reference signals for a particular system. Quartz resonators for very high frequency stability, it is mainly used in the required oscillation frequency is very stable as resonant circuit elements such as color TV color subcarrier oscillator, electronic watches and games when the base of the clock oscillator pulse oscillators, quartz crystal high cost, it is not too high in the required circuit components generally use ceramic resonators.

This design constitutes a sine wave on the use of quartz crystal oscillator method to do a more in-depth research on the oscillator principle and principle of quartz crystal oscillators made a detailed introduction and adoption of Multisim software design, simulation a commutative series-parallel quartz crystal oscillator, and finally in accordance with the schematic diagram for physical connections, debugging and parameter calculation.

Keywords：Crystal；Oscillator；Series-parallel；Multisim Simulation

1.引言：

正弦波振荡器是能量转换器件，是指不需要输入信号控制就能自动地将直流电转换为特定频率和振幅的正弦交变电压（电流）的电路。正弦振荡电路与非正弦振荡电路的一个重要区别是:正弦振荡电路具有选频网络。常用的正弦波振荡器有电容反馈振荡器和电感反馈振荡器两种。后者输出功率小，频率较低；而前者可以输出大功率，频率也较高。振荡器与放大器的区别在于无需外加激励信号就能产生具有一定频率，一定波形和一定振幅的交流信号。正弦波振荡器的主要性能指标是振荡频率的准确度和稳定度、振荡幅度的大小其稳定性、振荡波形的非线性失真、振荡器的输出功率和效率。振荡器输出的信号频率、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。

正弦波振荡器可分为两大类：

1、正反馈振荡器：正反馈振荡器是利用反馈原理构成的，它是目前应用最广的一类振荡器。它又可分为LC振荡器、晶体振荡器和RC振荡器三类。

2、负阻振荡器：负阻振荡器将负阻抗元件直接连接到谐振回路中，利用负阻器件的负阻抗效应去抵消回路中的损耗，从而产生出正弦波振荡。

正弦波振荡器广泛用于各种电子设备中。此类应用中，对振荡器提出的要求是振荡频率和振荡振幅的准确性和稳定性。正弦波振荡器的另一类用途是作为高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。这类应用中，对振荡器提出的要求主要是高效率地产生足够大的正弦交变功率，而对振荡频率的准确性和稳定性的要求一般不作苛求。

2.Multisim简介

NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件具。

(1)直观的图形界面

整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的；

(2)丰富的元器件

提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。

(3)强大的仿真能力

以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。

(4)丰富的测试仪器

提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量：万用表、函数信号发生器、瓦特表、示波器、波特仪、字符发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真度仪、频谱仪、网络分析、测量探针、四踪示波器、频率计数器、伏安特性分析仪、安捷伦仿真仪器、安捷伦示波器、泰克仿真示波器、伏特表、安培表、电流探针、Lab VIEW仪器。这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态互交显示。除了Multisim提供的默认的仪器外，还可以创建LabVIEW的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序的仪器。

(5)完备的分析手段

Multisimt提供了许多分析功能：直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真度分析、直流扫描分析、直流和交流灵敏度分析、参数扫描分析、温度扫描分析、传输函数分析、最差情况分析、零级分析、蒙特卡罗分析、线宽分析、嵌套扫描分析、批处理分析、用户自定义分析。它们利用仿真产生的数据执行分析，分析的范围很广，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行。集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能。

(6)独特的射频(RF)模块

提供基本射频电路的设计、分析和仿真。射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包括自定义的RF SPICE模型）、用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器、两RF-specific仪器（频谱分析仪和网络分析仪）、一些RF-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成；

(7)强大的MCU模块

支持4种类型的单片机芯片,支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4 种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码,并兼容第三方工具源代码；包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。

(8)完善的后处理

对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等；

(9)详细的报告

能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告；

(10)兼容性好的信息转换

提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法，可以输出原理图到PCB布线（如Ultiboard、OrCAD、PADS Layout2005、P-CAD和Protel）；输出仿真结果到MathCAD、Excel或LabVIEW；输出网络表文件；向前和返回注；提供互联网共享文件等功能。

3.正弦波振荡器的基本原理

实际中的反馈振荡器是由反馈放大器演变而来，如图3。

+–v f

v o L

C

+–

+

v i K 12

R b2R e C e

+V CC

M +–

图3 自激振荡建立的物理过程

若开关K 拨向“1”时，该电路则为调谐放大器，当输入信号为正弦波时，放大器输出负载互感耦合变压器L2上的电压为vf ，调整互感M 及同名端以及回路参数，可以使 vi = vf 。此时，若将开关K 快速拨向“2”点，则集电极电路和基极电路都维持开关K 接到“1”点时的状态，即始终维持着与vi 相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。

起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行放大—选频—反馈—再放大等多次循环，于是一个与振荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。

3.1起振过程与起振条件

甲类无反馈放大器:

==f i o o V V V A

反馈放大器:

F A A A o o

f

?-=1

o f

v v F =

A

F

＋

+–

v i +–

v o

图3.1 基本反馈环

若在某种情况下01=-F A o

时，此时即使没有输入信号(vi=0)时，放大器仍有输出电压放大器变为振荡器。要维持一定振幅的振荡，反馈系数F 应设计得大一些。一

般取81~21这样就可以使得1>F A o 时的情况下起振。

由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：

1>F A o

??

?±==+>,...)

1,0(21

n n F A F A o π??

其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度vf 要一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。

3.2平衡过程与平衡条件

所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位关系。 （1）反馈必须是正反馈

即反馈到输入端的反馈电压（电流）必须与输入电压（电流）同相。也就是说满足振荡的相位平衡条件是:

?

?=+=∑360n F K

??

?

其中，∑?为总相移，K ?为放大相移，F ?为反馈相移，n 为整数。 （2）反馈信号必须足够大

一般情况下，放大器的放大倍数A>1，反馈电路的反馈系数F<1。为了使反馈信号足够大放大器的增益必须补足反馈系数的衰减，即满足振荡的振幅平衡条件为: 1=AF

所以,振荡器的平衡条件为:

1=?F A ??

?±==+=...)

,1,0(21

n n AF F A π

??

在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大管维持及所需要的输入电

压，从而保持反馈环路各点电压的平衡，使振荡器得以维持。

3.3 平衡状态的稳定条件

所谓平衡状态的稳定条件即指在外因作用下，平衡条件被破坏后，振荡器能自动恢复原来平衡状态的能力。

振荡器的稳定包括两个方面的内容：振幅稳定和相位稳定。 （1）振幅稳定条件

判断一个点是不是其稳定点，要看此点附近振幅发生变化时，是否能恢复原状。 在平衡点，在K-ce u 曲线中，K 曲线的斜率是负的，如下图3.3.1所示。 0K

A

F

1

ce u

图3.3.1 K 曲线与F

1曲线相交

（2）相位稳定条件

相位稳定条件的就是研究由于电路中的扰动暂时破坏了相位条件使振荡频率发生变化，当扰动离去后，振荡能否自动稳定在原有频率上。实质上，相位稳定条件和频

率稳定条件是一回事，因为振荡的角频率就是相位的的变化率（

dt d w ?=）

。 振荡器的相位稳定条件是：相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的，即:

00

<=f

f df

d ?

其曲线如下图3.3.2所示。

0?

2

π

0f 0f '

f

2

π

-

图3.3.2 谐振回路的相位稳定作用

4.三点式LC 振荡器

三点式振荡器是指LC 回路的三个断点与晶体管的三个电极分别连接而成而组成的一种振荡器。

4.1电容三点式振荡器

图2.1为电容反馈三点电路的原理电路图。图中，L2、C6、和C7组成振荡回路，作为晶体管放大器的负载阻抗，反馈信号从C7两端取得，送回放大器输入端。扼流圈ZL 的作用是为了避免高频信号被旁路，而且为晶体管集电极构成直流通路。

图4.1.1 电容三点式振荡器

如上图所示，假定在晶体管的基极和发射极间有一输入信号be U

，当振荡频率等于LC 回路谐振频率时，ce U

与be U 反相，电流I 滞后于ce U ο90。2C 上的反馈电压f U 滞后电流I

ο90，故f U 与be U 同相，满足相位平衡条件。 为分析方便，可把图4.1.1画成图4.1.2所示的等效电路。图中S R 为晶体管输出电阻；i R 为晶体管输入电阻；o C 为晶体管输出电容；i C 为晶体管输入电容；o R 为回路谐振电阻。

图4.1.2 等效电路

由图4.1.2，可得反馈系数:

i O C C C C F ++≈

21

令11C C C O '=+,22C C C i

'=+,则:

21C C F ''≈

其放大倍数为:

i R R K ∑

=

β

其中，i O

s R F R n R R 22111++=∑，212

C C C n '+''=

是回路接入系数。 为保证相位平衡条件，振荡器的振荡频率o f 基本上等于回路的的谐振频率，即:

2

12

121

C C C C L

f o '+'''≈

4.2克拉勃电路

串联改进型电容三点式振荡器如下图4.2所示。

s

R o

R n 22

F R i

c I

图4.2 克拉勃电路

克拉勃电路的特点是把基本型的电容反馈三点线路集电极--基极支路的电感改用LC 串联回路代替。

该电路的反馈系数为:

211

C C C F +=

电路接成共基极，b C 对交流短路，故基极接地。这种振荡器的频率为:

∑

=LC f o π21 其中∑C 由下式决定：

i

o C C C C C C ++++=∑211111 4.3西勒电路

西勒电路如图4.3所示。此电路除了采用两个容量较大的1C 、2C 外，主要特点就是把基本型的电容反馈线路集电极--基极之路改用LC 并联回路再与3C 串联。

该电路的回路谐振频率o f 为: ∑

≈LC f o π21

其中回路总电容:

3

211111

C C C C C C C i o +

++++

=∑

图4.3 克拉勃电路

该电路的反馈系数为: 2

11

C C C F +=

5.石英晶体振荡器

5.1压电效应及其等效电路

压电效应是晶体的基本特性，它依靠这种效应，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。

图5.1是石英晶体谐振器的等效电路。图中Co 是静电电容，代表石英晶体支架静电容量，一般为几至几百皮法；Lq 是动态电感，相当于机械振动的惯性，一般以几十毫亨至几百亨；Cq 是动态电容，相当于晶体的等效弹性模数，很小，一般以百分之几皮法计；Rq 是动态电阻。相当于晶体的的摩擦损耗，一般以几至几百欧计。易知：石英晶体的品质因数很高。

图5.1 石英晶体谐振器等效电路

5.2石英晶体的阻抗特性

石英晶体谐振器有两个谐振频率,当L 、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fs=1/2πLqCq ，当等效电路并联谐振时，谐振频率为fp= fs Co Cq /1 ，显然，fs < fp ，但由于C << C0，因此fs 和fp 两个频率非常接近。

通过石英晶体的等效电路，我们可以得到它的电抗-频率特性曲线如图3-2所示，

当f ＜fs 或f> fp 时，晶体谐振器显容性；当f 在fs 和fp 之间，晶体谐振器等效为一电感，f=fs 时，是串联谐振点，等效阻抗最小；当f=fp 时，是并联谐振点，等效阻抗最大。

图5.2 晶体的电抗特性曲线

5.3石英晶体振荡器电路

5.3.1并联型晶体振荡电路

晶振电路工作在晶体并联谐振频率附近，晶体等效为电感的情况，称为并联晶振电路。这种电路由晶体与外接电容器组成，按三点线路的连接原则组成振荡器，晶体

Lq

Cq Rq Co

等效为电感。下图5.3.1(a)为一种并联型晶体管振荡电路，其工作频率由1C 、2C 、3C 及晶体构成的回路决定。图5.3.1（b ）为晶体与外部电容的等效电路。

（a ）

(b)

图5.3.1并联型晶体振荡电路

由图（b ），令

3

211

111C C C C L +

+=，则q q L o q L o C C C C C C C C ≈+++=∑)(，即 整个回路的电容值主要取决于晶体内部的q C ，外部电容的变化基本没影响，这就是其振荡频率保持稳定的原因所在。电路的振荡频率

∑=

C L f q o π21

，故：

L o q

q q

L o q

L o q

o C C C f C C C C C C L f ++=+++=

1)(21π

5.3.2 串联型晶体振荡电路

下图5.3.2（a ）即为串联型晶体振荡电路，5.3.2(b)为其等效电路。

o C q

C q L

q R

（a）

(b) 图5.3.2串联型晶体振荡电路

当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，晶体的阻抗最小，电路满足相位和振幅条件，振荡器的工作频率等于晶体的串联谐振频率；反之，当回路的谐振频率距晶体的串联谐振频率较远时，晶体的阻抗增大，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能工作。

6.振荡电路的设计及仿真

如下图6为设计的高频正弦振荡器，通过拨码开关的选择，可以组成克拉伯电路、西勒三点式振荡、晶体串联振荡、晶体并联振荡四种正弦振荡器。

图6 总体电路设计原理图

图6中，C1为基极耦合电容，一般取0.1uF ；C3与C4、C5、L1组成电容三点式振荡，C7与射随器进行耦合，R1、R2确定基极电位；R4为滑动变阻器，改变阻值的大小可以改变Q1的静态工作点。Q2连接成射极跟随器，用于提高系统的带负载能力。

DSW1、DSW2是两个拨码开关，当DSW1上端打开时、DSW2中间打开，振荡器为克拉伯振荡器；当DSW1上端打开时、DSW2中间和最右边打开时，为西勒振荡器；当DSW1下端打开，DSW2中间打开时，振荡器为串联型晶体振荡器；当DSW1上端打开、DSW2最左边打开时，为并联型晶体振荡器。

6.1 主要原件参数设计

6.1.1 振荡电路部分

电源电压Vcc=5V,振荡器静态工作电流ICQ=2mA ，

Ω=-=-=

+k I U V R CQ CEQ CC c 22

1

5R e 为提高电路的稳定性，同时又要兼顾放大倍数，可将R3适当取大，取R5=500Ω,则R3=2.5K Ω。

V A U EQ 1500m 2=?=

β

CQ

BQ I I =

A A I BQ m 33.060m 2==

BQ

BQ

I V R =

2 .70+=EQ BQ V V

可取Ω=K R 5.12，Ω=K R 201，R3用可变电阻来代替，用于控制集电极电流。 振荡回路元件的确定回路中的各种电抗元件都可归结为总电容 C 和总电感 L 两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一 种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观 点出发，以保证回路电容p C 远大于总的不稳定电容d C 原则，先选定p C 为宜。 若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C 不能过大，C 过大，L 就小，Q 值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数2

1C C F =，不

能过大或过小，适宜 1/8—1/2。

因振荡器的工作频率为：

LC

π21f 0=

当LC 振荡时z 6f 0MH =，H L μ10=在本设计中，则回路的谐振频率0f 主要由1C 决定，即

1

21

21f LC LC

ππ=

=

故取5C =150pf,3C =100pf,4C =220pf 。

对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电容进行微调即可。

为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。例如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极；如为基极接地，则应从发射极输出。

6.1.2 输出级部分

输出级部分由射极跟随器构成，用于带动

100的负载，以满足设计任务有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压≥ 1 V (D-P)的要求。

射极跟随器，是信号从发射极输出的放大器。其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大系数略低于1，负载能力强，常作阻抗变换和级间隔离用。

将三极管按共集方式连接，动态电压放大倍数小于1并接近1，且输出电压与输入电压同相但是输出电阻低，具有电流放大作用，所以有功率放大作用。它从基极输入信号，从射极输出信号。它具有高输入阻抗、低输出阻抗、输入信号与输出信号相位相同的特点。

6.2电路的仿真

1.克拉勃振荡电路仿真

图6.2.1（a）克拉泼仿真波形

图6.2.1 (b) 克拉泼仿真频率

由图6.2.1可以看出，克拉泼振荡电路仿真输出的正弦波形信号幅度约为1.172V,频率为6.675MHz。

2.西勒振荡电路仿真

图6.2.2（a）西勒仿真波形