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高频电路实验
石英晶体振荡器
一、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。
二、预习要求
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.试画出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。
三、实验仪器设备
1.双踪示波器
2.频率计 3.万用表。 4.实验板G1
四、实验内容及步骤
晶体振荡器原理图
实验电路见图4-1
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4.1，并与LC振荡器比较。
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特点是在克拉泼电路的基础上，用一电容C4与原电路中的L相并联。功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。与克拉泼振荡电路相比，在电感L上并联一个电容。它有以下特点：
1、振荡幅度比较稳定；
2、振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8； 所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。
2.2 晶体振荡器
晶体的基本特性是它具有压电效应。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3-1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。
晶体等效电路
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?Cq/Co，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& f
p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。
晶体的电抗特性曲线
晶振的优缺点：
优点：使用石英晶体作为震荡回路元件，能够使振荡器的频率稳定度大大提高，原因有三：石英晶体的物理特性和化学特性都十分稳定，因此，它的等效谐振回路有很高的标准性。它具有正、反压电效应，而且在谐振频率附近，晶体的等效参数L很大、C很小、R也不高，因此，晶体的Q值可高达数百万数量级。在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频率内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。
缺点：石英晶体谐振器的主要缺点时它的单频性，即每块晶体只能提供一个稳定的振荡频率，因而不能直接用于波段振荡器。
正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。振荡器主电路的静态工作点主要由R1、R2、R3、R4决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图4-9所示。
直流等效电路
如图所示，其中V1=5V，要使三极管满足起振条件，则静态时它应工作在放大区，故R3两端电压应大于0.7V，一般情况下发射极电流为mA级，基极电流uA级。不妨取R1=R3=5.1KΩ，R2=400Ω，β=45则Vb=2.5V，Ie=4.5mA,Ib=100uA,符合射级要求。为了
调节方便，在R1处在串联一电位器，最大阻值为10K。
3.1 克拉泼和西勒振荡部分
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Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp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F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/8―1/2。
因振荡器的工作频率为：
当LC振荡时，f0=6MHz ，L＝10μH
本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C3、C4决定，即
2?L(C3?C4)
取C3 =120pf，C4=51pf（用33Pf与5-20Pf的可调电容并联），因要遵循C1，C2&&C3,C4，C1/C2=1/8―1/2的条件，故取C1=200pf，则C2=510pf。
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；如为基级接地，则应从发射极输出。
3.2 晶体振荡部分
并联型晶体振荡电路：
这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。
并联型晶体振荡电路
串联型晶体振荡电路：
在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路中。可以看出，如果将石英晶体短路，该电路即为电容三点式振荡器。电路的实际工作原理为：当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，
阻抗最小，近似为一短路线，电路满足相位条件和振幅条件振荡器的工作频率等于晶体的串联谐振频率，故能正常工作；当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时，晶体阻抗增大，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作。
串联型晶体振荡电路
3.3 缓冲级部分
常用的输出缓冲级是在电路的输出端加一射极跟随器，从而提高回路的带负载能力。射极跟随器的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大倍数略低于1，带负载能力强，具有较高的电流放大能力，它可以起到阻抗变换和极间隔离的作用，因而可以减小负载对于振荡回路的影响，射极跟随器的典型电路如图3-4所示。
缓冲级部分电路
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石英晶体振荡器的振荡是机械振动吗 机械振动和电路有什么关系呢?
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是很微弱的机械振动,但是晶体在这种状态下的振动是按固有频率振动的,而且这种振动会感应成电信号,所以电路就可以按照感应出来的电信号作为频率的依据了.
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