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石英晶体振荡高频信号源

2014-03-07 6页 doc 98KB 39阅读

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石英晶体振荡高频信号源石英晶体振荡高频信号源 开题报告 班级(学号): 姓名: 指导教师: 一、综述: 石英是矿物质硅石的一种(现已能人工合成制造),它的化学成分是Si02,其形状是六棱柱而两端呈角锥形的结晶体,具有各向异性的物理特性。石英晶体谐振器是晶体振荡器的核心组件,通常由一定切型石英晶体片、电极、固定用支架及相关辅助装置构成。晶体谐振器是基于石英晶体的压电效应原理制成的。它质量的好坏直接影响到晶体振荡器的整体技术指标[3]。 晶振一般叫做晶体谐振器,是一种机电器件,是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个...
石英晶体振荡高频信号源
石英晶体振荡高频信号源 开报告 班级(学号): 姓名: 指导教师: 一、综述: 石英是矿物质硅石的一种(现已能人工合成制造),它的化学成分是Si02,其形状是六棱柱而两端呈角锥形的结晶体,具有各向异性的物理特性。石英晶体谐振器是晶体振荡器的核心组件,通常由一定切型石英晶体片、电极、固定用支架及相关辅助装置构成。晶体谐振器是基于石英晶体的压电效应原理制成的。它质量的好坏直接影响到晶体振荡器的整体技术指标[3]。 晶振一般叫做晶体谐振器,是一种机电器件,是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性,如果给它通电,它就会产生机械振荡,反之,如果给它机械力,它又会产生电,这种特性叫机电效应[8]。他们有一个很重要的特点,其振荡频率与他们的形状,材料,切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定,热膨胀系数非常小,其振荡频率也非常稳定,由于控制几何尺寸可以做到很精密,因此,其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应,我们可以把它等效为一个电磁振荡回路,即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电..的不断转换,由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换[8]。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。 石英晶体振荡器的频率范围很宽,频率稳定度在10-4~10-12范围内,经校准一年内可保持1 0-9的准确度,高质量的石英晶体振荡器,在经常校准时,频率准确可达10-11[8]。 由于石英晶体的损耗非常小,即Q值非常高,做振荡器用时,可以产生非常稳定的振荡,作滤波器用,可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。石英晶体作为滤波、振荡元件已广泛应用在广播、通信、电子测量、航空、航天等诸多领域。其发展历史只有短短几十年,美国是发展石英晶体最早的国家之一.而像CORNING这样的老牌公司也只是在1941年才注册成立。最近一二十年来,由于PCS、GSM、GPS、PDC、CDMA等诸多移动通信和基站的需求,石英晶体振荡器中的石英晶体谐振器不再足单个元件。它已发展成为组件,而其几乎全部以集成化、全集成化、全数字化形式作为振荡器展现出来,振荡器的体积比过去单个谐振器的体积缩小了数倍至数十倍[5]。 在现代电子设备中,晶体振荡器被用作时间或频率的基准源。而由长期老化、频谱纯度、阿伦方差及相位噪声等技术指标所表征的源的品质,在很大程度上决定着电子设备的性能。正因为如此,晶体振荡器往往被誉为电子设备的“心脏”[1]。 石英谐振器的开发和利用,拓宽了电子技术的应用领域。高精尖电子设备中的振荡器,几乎都采用石英晶体振荡器,并且由于石英晶体的价格大幅度降低,将会被越来越多的电子设备采用[6]。 二、研究内容: 完成信号的振荡、缓冲功能,实现高频放大。 石英晶体振荡电路一般由主振电路、放大电路、输出电路三部分组成。其基本架构如图一所示: 图一.石英晶体振荡电路的基本构架 首先,对于石英晶体振荡器的主振电路多采用三点式结构,其结构简单,可靠性高,噪声性能好。交叉耦合结构具有完全对称的结构形式满足集成电路中常用的差分输出需要,与其他能够提供差分输出的振荡器结构相比,比如环形振荡器,交叉耦合结构能够很好的抑制共模噪声,具有更好的相位噪声性能。通常情况下,晶振可以等效为一个LC型的振荡电路,其等效电路和电抗特性如图二(a)和图二(b)所示[7]。其中fs~fp的范围很狭窄,代表谐振电路的选择性的Q值很高。 图二(a).晶振的等效电路 图二(b).电抗特性 fs为串联谐振频率点,fp为并联谐振频率点,其谐振频率公式分别如下[7]: (公式1) (公式2) 晶体的应用,一般选择在感性区或串谐区。因为感性区狭窄,电抗性陡;对频率的变化具有极灵敏的补偿能力。所以在晶振电路中,晶体选择感性区或串谐区,它等效一个电感元件或短路线[9]。 其次,石英晶体振荡器在输出的振荡信号后,需要一个缓冲电路与输出电路相连,这是因为有一些后级负载的输入阻抗一般为容性,如果不加缓冲电路隔离,这种容性负载就会影响石英振荡器的振荡频率、起振条件、以及振荡频率的稳定度。因此需要一个缓冲电路。 最后,通过输出电路实现频率信号的输出,并且要求其输出频率为50MHz,输出功率为5mW。 三、实现方法及预期目标: 对于石英晶体振荡电路的整体设计思路如图三所示: 图三.石英晶体振荡电路的设计思路 其实施的为:根据设计要求和设计对电路进行设计和选型。 首先是晶体材料的选择,这是课题设计的一个难点,同时也是重点,因为不同的石英晶体切型有其不同的优缺点,例如:AT切型的显著特点是谐振器的振荡频率与温度的关系呈近似三次函数关系,因此具有较好的频率温度特性,但是它的缺点是具有较大的频率热过冲现象;SC切型的谐振器具有应力补偿和热瞬变补偿两个特点[1],所以它有开机特性好、老化小、短稳好等优点,但是它的频谱比较复杂,价格也相对较高。 其次另一个设计难点是振荡电路的选择,对于振荡电路,要保证高Q值,因为它是保证晶体振荡器有很高频率稳定度的最根本条件。石英晶体振荡电路类型有很多,但基本电路只有两类:并联晶体振荡器和串联晶体振荡器[4]。前者石英晶体是以并联谐振的形式出现,而后者则是以串联谐振的形式出现。并联型振荡电路的特点是石英谐振器作为等效电感元件,与其他回路元件一起按照三端型电路的基本组成三端型振荡回路。并联型振荡电路一般分为三种:c-b(皮尔斯)电路、e-b(米勒)电路和c-e电路,其电路图分别如图四(a)、(b)、(c)、所示[1]。但实际常用的振荡电路只有皮尔斯电路和米勒电路。 (a)c-b型电路 (b)e-b型电路 (c)c-e型电路 图四.并联型振荡电路 对于皮尔斯电路来说,它的振荡频率在石英谐振器的电感特性区域,也就是说,振荡频率f0一定在fs与fp之间,并且石英谐振器呈感性,因此在皮尔斯振荡电路中,石英谐振器是作为一个电感元件使用的,并且频率稳定性很高。米勒振荡电路的振荡频率仍在石英谐振频率的电感特性区,但与皮尔斯振荡电路相比,它的频率稳定性稍差些[2]。 和并联振荡电路一样,串联振荡电路相差不多,都是一种反馈型振荡器。不同的是,串联型晶体振荡器将石英晶体作为一个短路元件串接在正反馈支路上,并且工作在串联谐振频率上;并联型晶体振荡器将石英晶体作为等效电感元件用在三点式电路中,工作在感应区[9]。 串联型振荡电路的电路图如图五所示[1]: 图五.串联型振荡电路 利用其串联谐振时等效为短路元件的特性,电路反馈作用最强,使振荡器在晶体串联谐振频率上起振。 在实际应用中,整体振荡电路的应用如图六所示[1],由石英晶振构成的主振荡电路起振,经过跟随器电路(主要用于对电路的缓冲作用,要求输入阻抗高,输出阻抗低),将信号传到放大电路,并由放大电路输出。 图六.串联型振荡电路实例 由于晶体的应用一般选在感性区或串谐区,所以,图五中由C4、L2和谐振器构成的支路谐振在串联谐振频率,并且,谐振器实际工作在感性区[1]。 最后是整体的调试与分析,在确保频率稳定性、低噪声、低老化率等的条件下,并满足振荡平衡条件时,完成整体振荡电路的设计。 其振荡平衡条件如下式[1]: 振幅平衡条件:AF=1 (公式3) 相位平衡条件:Ψa+Ψb=2n∏(n=0,1,2,3…) (公式4) 四、进度安排: 1-2周 查找资料,学习相关知识,确定初步方案。 3周 查阅文献,确定总体方案,撰写开题报告并提交。 4周 整体硬件电路设计规划。 5-6周 电路设计,画PCB版。 7-8周 制版,电路装配。 9-13周 对设计进行测试、调试。 14-15周 撰写毕业设计。 16周 指导老师评阅论文,修改毕业论文。 17周 毕业答辩。 五、参考文献: [1]、赵声衡,赵英.晶体振荡器[M].北京:科学出版社,2008. [2]、刘宝玲.通信电子电路[M].北京:高等教育出版社,2008. [3]、王阆.低噪声集成石英晶体振荡器设计[D].湖南:湖南大学,2009. [4]、吴琦.石英晶振的原理与电路组成设计[J].吉林广播电视大学学报,2010,(4). [5]、王军.石英晶体振荡[J].科技信息(科学·教研),2007,(24). [6]、张德印.石英晶体振荡器[J].邢台师范高专学报,2002, 17(2). [7]、http://www.cntronics.com/public/tool/kbview/kid/651/cid/1 [8]、http://baike.baidu.com/view/1479399.htm [9]、http://wenku.baidu.com/view/9090c16fb84ae45c3b358c82.html 指导教师:(签署意见并签字) 年 月 日 督导教师:(签署意见并签字) 年 月 日 领导小组审查意见: 审查人签字: 年 月 日
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