宁 波 工 程 学 院

高频实验报告

实 验 名 称 ： 石英晶体振荡器 专业、班级 ： 电信082 姓 名： 储德峰 学 号： 08401180233

实验4 石英晶体振荡器

—、实验准备

1．做本实验时应具备的知识点： ? ? ?

石英晶体振荡器 串联型晶体振荡器

静态工作点、微调电容、负载电阻对晶体振荡器工作的影响

2．做本实验时所用到的仪器： ? ? ? ?

晶体振荡器模块 双踪示波器 频率计 万用表

二、实验目的

1．熟悉电子元器件和高频电子线路实验系统。

2．掌握石英晶体振荡器、串联型晶体振荡器的基本工作原理，熟悉其各元件功能。 3．熟悉静态工作点、负载电阻对晶体振荡器工作的影响。

4．感受晶体振荡器频率稳定度高的特点，了解晶体振荡器工作频率微调的方法。

三、实验内容

1．用万用表进行静态工作点测量。

2．用示波器观察振荡器输出波形，测量振荡电压

峰-峰值Vp-p，并以频率计测量振荡频率。 3．观察并测量静态工作点、负载电阻等因素对晶

体振荡器振荡幅度和频率的影响。

四、基本原理

1．晶体振荡器工作原理

一种晶体振荡器的交流通路如图4-1所示。图中，若将晶体短路,则L1、C2、C3就构成

了典型的电容三点式振荡器(考毕兹电路)。因此，图4-1的电路是一种典型的串联型晶体振荡器电路（共基接法）。若取L1=4.3μH、C2=820pF、C3=180pF，则可算得LC并联谐振回路的谐振频率f0≈6MHz，与晶体工作频率相同。图中， C5是耦合（隔直流）电容，R5是负载电阻。很显然，R5越小，负载越重，输出振荡幅度将越小。 2．晶体振荡器电路

晶体振荡器电路如图4-2所示。图中，4R03、4C02为去耦元件，4C01为旁路电容，并构成共基接法。4W01用以调整振荡器的静态工作点（主要影响起振条件）。4C05为输出耦合电容。4Q02为射随器，用以提高带负载能力。实际上，图4-2电路的交流通路即为图4-1所示的电路。

五、实验步骤

1．实验准备

在实验箱主板上插好晶振模块，接通实验箱上电源开关，按下开关4K01，此时电源指示灯点亮。

2．静态工作点测量

改变电位器4W01可改变4Q01的基极电压VB，并改变其发射极电压VE。记下VE的最大、

最小值，并计算相应的IEmax、IEmin值（发射极电阻4R04=1KΩ）。 3．静态工作点变化对振荡器工作的影响 ⑴ 实验初始条件：VEQ=2.5V（调4W01达到）。

⑵ 调节电位器4W01以改变晶体管静态工作点IE，使其分别为表4.1所示各值，且把示波器探头接到4TP02端，观察振荡波形，测量相应的振荡电压峰-峰值Vp-p，并以频率计读取相应的频率值，填入表4.1。

表4.1

六、实验结果与分析

1．根据实验测量数据，分析静态工作点(IEQ)对晶体振荡器工作的影响。

答：随着静态工作点的升高，振荡器的振荡幅度会逐渐变大，幅频虽然开始很稳定，但最终会停止振动。

2．对实验结果进行分析，总结静态工作点、负载电阻等因素对晶体振荡器振荡幅度和频率的影响，并阐述缘由。

答：负载电阻越小，负载越重，输出的震荡幅度就越小。因为随着发射极电流的增大，静态工作点提升，集电极电流也会增大，即输出电流增大，在负载一定的情况下，输出震荡幅度就会增大。由于电路本身负载能力有限，所以负载越重，震荡幅度越小。

3．对晶体振荡器与LC振荡器之间在静态工作点影响、带负载能力方面作一比较，并分析其原因。

答：与LC振荡器比起来，晶体振荡器的频率稳定度（工作点的影响要小）要高但其带负载能力要差。这都是由于晶体的频稳度高，但其工作时的等效阻抗较小的缘故。

七、实验心得：

通过这次实验，我初步了解和掌握了石英晶体振荡器、串联型晶体振荡器的基本工作原理，熟悉了哥哥元器件的基本功能，并且了解了静态工作点Q、负载电阻对晶体振荡器工作的影响，了解并掌握了晶体振荡器频率稳定性高的特点以及晶体振荡器工作频率如何微调的方法。为以后的工作和信息打下了良好的基础！

第二篇：石英晶体振荡器与外围电路关系

石英晶体振荡器与外围电路关系

一、三端式LC振荡器

三端式LC振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几MHz到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，约为10–3~10–4量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。

三端式LC振荡电路以分为电感三端式和电容三端式

电容三端式又分为串联型电容三端式和并联型电容三端式（也有叫三点式）。

并联型电容三端式：

电容反馈式振荡电路,如图1a。

振荡频率　　(公式1)

　反馈系数          (公式2)

集电极等效负载：       　(公式3)

           a                                             b

图1

　在这个电路中若要提高电容反馈式振荡电路的振荡频率，势必要减小C1和C2的电容量和L的电感量。实际上不C1和C2的电容量减小到一定程度时，晶体管的极间电容和电路中的杂散电容将纳入C1和C2中，从而影响振荡频率。这些电容等效为放大电路的输入电容Ci和输出电容C。，如图1b中所标注。

       电路的优点:

1. 电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。

2.      电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响。

3. 电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作频率可做到几十MHz,采用共基放大电路可做到几百MHz的甚高频波段范围。

电路的缺点：

           调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。

改进型电容反馈式振荡电路，如图2：

a) 

 

 

 

图2

    在电感支路串联一个小容量电容C，而且C＜＜C1，C＜＜C2，这样

                    

总电容约为C，因面电路的振荡频率为：

      (公式4)

二、石英晶体振荡器

1 、石英晶体的压电特性

石英晶体所以能成为电谐振器，是利用了它所特有的正、反两种压电效应。所谓正压电效应，就 是当沿晶体的电轴或机械轴施以张力或压力时，就在垂直于电轴的两面上产生正、负电 荷，呈现出电压。负压电效应是指当在垂直于电轴的两面上加以交变电压时，晶体将会沿电轴或机械轴产生弹性变形（伸张或压缩），称为机械振动。

2 、石英晶体的谐振特性：

因为石英晶体和其它弹性体一样，具有弹性和惯性，因而存在着固有振动频率。当外加电信号频率在此自然频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振，又在电路上表现出电谐振。

    3、石英晶体的阻抗频率特性

并联型石英晶体振荡电路：

石英晶振可以等效为一个串联谐振回路或一个并联谐振回路

石英晶体的等效电路如下虚线部份：

其频率特性如下：

串联谐振频率:

并联谐振频率:

当振荡频率为f＝fq 时，Lq,Cq,rq支路呈感性，与C0产生并联谐振。，石英晶体呈纯阻性。

由于Cq<<Co

　所以fp≈fs , fs越接近fp石英晶体呈感性的频带愈狭窄。

4、其它特性：

      

由于晶振的Q值和特性阻抗R都很高，所以晶振的谐振电阻也很高，一般可达1010?以上。这样即使外电路接入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。

5、反馈系数

反馈系数,若增大C1/C2,则一方面反馈系数数值随之增大，,环路增益大,有利于电路起振；但是其值过大时，它又使减小，，从而造成电压放大倍数数值减小，振荡稳定性会变差，不利于电路起振。因此，C1/C2既不能太大，又不能太小，具体数值应通过实验来确定。所以各个厂家在卖石英晶体时会给出一个匹配值。比值通常取1.2～2.4。标频f越高,比值趋近2.4;标频率f越低,比值趋近1.2　　

A178 谐振器测试记录

注：稍好：指在10次测试中，超过5次能正常振荡；

较好：测试中，每次都能正常振荡，试验次数不等（3－10次），包括冷启动和热启动。

不稳定：失败次多次数多，且要较长时间等待。

三、补充资料

1、 晶振：即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。不过由于在消费类电子产品中，谐振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于谐振器理解了。后者就是通常所指时钟振荡器(振荡器)。

2、 分类。首先说一下谐振器。

谐振器一般分为插件（Dip）和贴片（SMD）。插件中又分为

1)      HC-49U

2)      HC-49U/S

3)      音叉型（圆柱）

HC-49U一般称49U，有些采购俗称“高型”，而HC-49U/S一般称49S，俗称“矮型”。音叉型按照体积分可分为3*8，2*6，1*5，1*4等等。贴片型是按大小和脚位来分类。例如7*5（0705）、6*3.5（0603），5*3.2（5032）等等。脚位有4pin和2pin之分。

振荡器：它需要外接电源才能正常工作。可以分为插件和贴片。插件的可以按大小和脚位来分。例如所谓全尺寸的，又称长方形或者14pin，半尺寸的又称为正方形或者8pin。不过要注意的是，这里的14pin和8pin都是指振荡器内部核心IC的脚位数，振荡器本身是4pin。而从不同的应用层面来分，又可分为SPXO （或OSC，普通钟振），TCXO（温度补偿），VCXO（压控），OCXO（恒温）等等。

1)    普通晶体振荡器(SPXO)。

这是一种简单的晶体振荡器，通常称为钟振，其工作原理为图3中去除“压控”、“温度补偿”和“AGC”部分,完全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。

2)    恒温晶体振荡器(以下简称OCXO)

这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，在一定范围内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。这类晶振主要用于各种类型的通信设备，包括交换机、SDH传输设备、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设备等领域。根据用户需要，该类型晶振可以带压控引脚。OCXO的工作原理如下图3所示：

 
图3恒温晶体振荡器原理框图

OCXO的主要优点是，由于采用了恒温槽技术，频率温度特性在所有类型晶振中是最好的，由于电路设计精密，其短稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗大、体积大，需要5分钟左右的加热时间才能正常工作等。

3)    补偿晶体振荡器(以下简称TCXO)。

其对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段，主要原理是通过感应环境温度，将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率，达到稳定输出频率的效果。传统的TCXO是采用模拟器件进行补偿，随着补偿技术的发展，很多数字化补偿大TCXO开始出现，这种数字化补偿的TCXO又叫DTCXO，用单片机进行补偿时我们称之为MCXO，由于采用了数字化技术，这一类型的晶振再温度特性上达到了很高的精度，并且能够适应更宽的工作温度范围，主要应用于军工领域和使用环境恶劣的场合。其设计原理如图4。

 
图4 MCXO数字温补晶振原理框图

4)    压控晶体振荡器(VCXO)

这是根据晶振是否带压控功能来分类，带压控输入引脚的一类晶振叫VCXO，以上三种类型的晶振都可以带压控端口。

四、基本术语。

一些常用的谐振器术语：

Frequency Tolerance（调整频差）：在规定条件下，在基准温度（25±2℃）与标称频率允许的偏差。一般用PPm（百万分之）表示。

Frequency Stability(温度频差)：指在规定的工作温度范围内，与标称频率允许的偏差。用PPm表示。

Aging（年老化率）：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率。

Shunt Capacitance（静电容）：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用C0表示。

Load Capacitance（负载电容）：与晶体一起决定负载谐振频率fL的有效外界电容，通常用CL表示。

一般最关注的参数有2个，即调整频差，负载电容。有一部分对温度频差有要求。如果工作温度范围比较广，则会对工作温度范围有所要求，即所谓宽温。

钟振的选择则主要决定产品电路的特性的要求，一般来说钟振在精密性以及需要达到相关应用的要求会更好。例如手机，通信机站，卫星等等。