石英晶体振荡器应用.pptx
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- 石英 晶体振荡器 应用
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1、任务任务3.3 3.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 1第1页,共48页。2第2页,共48页。教学重点:教学重点:石英谐振器的特点石英谐振器的特点 石英晶体振荡电路的分析判断方法石英晶体振荡电路的分析判断方法教学难点:教学难点:石英晶体振荡电路的分析判断方法石英晶体振荡电路的分析判断方法3第3页,共48页。3.3.1 3.3.1 石英晶体振荡器石英晶体振荡器4第4页,共48页。任务目标任务目标 (1)掌握石英晶体振荡器的特性。掌握石英晶体振荡器的特性。(2)掌握石英晶体振荡器主要特性参数。掌握石英晶体振荡器主要特性参数。(3)掌握石英晶体振荡器电路结构形式。掌握石英晶体振荡器电路结构形式。(4
2、)掌握并联型、串联型晶体振荡电路各自的特点。掌握并联型、串联型晶体振荡电路各自的特点。石英谐振器石英谐振器5第5页,共48页。一、工程中对振荡器要求比较高。如要求频率稳定性一、工程中对振荡器要求比较高。如要求频率稳定性好、变化小、准确性好、精度高而且功耗小。而一般振好、变化小、准确性好、精度高而且功耗小。而一般振荡器是不能满足要求,需然荡器是不能满足要求,需然LC振荡器的频率稳定度能振荡器的频率稳定度能达到达到10-310-5,但在工作中要求频率稳定度超过,但在工作中要求频率稳定度超过10-5。晶振有很高的频率稳定度,约在晶振有很高的频率稳定度,约在10-410-12的范围。因的范围。因此需采
3、用石英晶体作为振荡器。此需采用石英晶体作为振荡器。石英谐振器石英谐振器6第6页,共48页。石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器,石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器,已被广泛应用于无线电通讯、广已被广泛应用于无线电通讯、广播电视、卫星通讯、原播电视、卫星通讯、原子钟、雷达、导航系统、声纳浮标、天文学、空间跟踪子钟、雷达、导航系统、声纳浮标、天文学、空间跟踪等领域。等领域。石英晶体振荡器应用:石英晶体振荡器应用:石英谐振器石英谐振器7第7页,共48页。常用石英晶体谐振器外形图片如图常用石英晶体谐振器外形图片如图7.20所示。所示。(a)(b)(c)(d)(e)(f)图图7.20
4、石英晶体谐振器外形石英晶体谐振器外形石英谐振器石英谐振器8第8页,共48页。1.国际电工委员会国际电工委员会(IEC)将石英晶体振荡器分为将石英晶体振荡器分为4类:类:石英谐振器石英谐振器9第9页,共48页。(1)普通晶体谐振器普通晶体谐振器(SPXO):可产生:可产生10-510-4量级的频量级的频率精度,标准频率为率精度,标准频率为100MHz频率稳定度是频率稳定度是100ppm。SPXO价格低廉,通常用作微处理器的时钟器件。价格低廉,通常用作微处理器的时钟器件。石英谐振器石英谐振器10第10页,共48页。(2)电压控制式晶体谐振器电压控制式晶体谐振器(VCXO):是通过施加外部控:是通过
5、施加外部控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。在典型的在典型的VCXO中,通常是通过调谐电压改变变容二极管中,通常是通过调谐电压改变变容二极管的电容量来的电容量来“牵引牵引”石英晶体振子频率的。通常用于锁相石英晶体振子频率的。通常用于锁相环路。环路。石英谐振器石英谐振器11第11页,共48页。(3)温度补偿式晶体谐振器温度补偿式晶体谐振器(TCXO):采用温度敏感器件采用温度敏感器件进行温度频率补偿,频率精度达到进行温度频率补偿,频率精度达到10-710-6量级,频率量级,频率范围范围160MHz,频率稳定度为,频率稳定度为12.
6、5ppm,频率温,频率温度特性在所有类型晶振中是最好的。这类晶振主要用于度特性在所有类型晶振中是最好的。这类晶振主要用于各种类型的通信设备。各种类型的通信设备。石英谐振器石英谐振器12第12页,共48页。(4)恒温控制式晶体谐振器恒温控制式晶体谐振器(OCXO):将晶体和振荡电路置:将晶体和振荡电路置于恒温槽中,以消除环境温度变化对频率的影响。于恒温槽中,以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO频频率精度是率精度是10-710-8量级,对某些特殊应用甚至达到更高。主量级,对某些特殊应用甚至达到更高。主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频
7、谱频谱和和网络分析仪等设备、仪表中。网络分析仪等设备、仪表中。石英谐振器石英谐振器13第13页,共48页。目前发展中的还有目前发展中的还有数字数字补偿式晶补偿式晶体振荡器体振荡器(DCXO)微机补偿晶体振荡微机补偿晶体振荡器器(MCXO)等。等。石英谐振器石英谐振器14第14页,共48页。2石英晶体谐振器的主要参数石英晶体谐振器的主要参数晶振的主要参数有标称频率,负载电容、频率精晶振的主要参数有标称频率,负载电容、频率精度、频率稳定度等。度、频率稳定度等。石英谐振器石英谐振器15第15页,共48页。(1)标称频率。振荡器输出的中心频率或频率的标称标称频率。振荡器输出的中心频率或频率的标称值。标
8、称频率大都标明在晶振外壳上,如常用普通晶振值。标称频率大都标明在晶振外壳上,如常用普通晶振标称频率有:标称频率有:48KHz、500KHz、503.5KHz、1MHz40.50MHz等。等。石英谐振器石英谐振器16第16页,共48页。(2)负载电容负载电容(CL)。负载电容是指晶振的两条引线。负载电容是指晶振的两条引线连接连接IC块内部及外部所有有效电容之和,可看作晶振块内部及外部所有有效电容之和,可看作晶振片在电路中串接电容。片在电路中串接电容。石英谐振器石英谐振器17第17页,共48页。(3)频率精度和频率稳定。这要根据具体的设备需要频率精度和频率稳定。这要根据具体的设备需要而选择合适的晶
9、振,如通信网络就需要更高要求的石英而选择合适的晶振,如通信网络就需要更高要求的石英晶体谐振器。因此,在实际应用中要根据具体要求选择晶体谐振器。因此,在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振。适当的晶振。石英谐振器石英谐振器18第18页,共48页。3石英晶体的等效电路与频率特性石英晶体的等效电路与频率特性 石英晶体谐振器在电路中的符号如图石英晶体谐振器在电路中的符号如图7.21(a)所示,其等效电路如图所示,其等效电路如图7.21(b)所所示。由等效电路可知,石英晶体振荡器应有两个谐振频率。示。由等效电路可知,石英晶体振荡器应有两个谐振频率。(a)符号符号 (b)等效电路)等效电路图图7.21
10、石英晶体谐振器石英晶体谐振器 L1、C1、R1分别为石英晶体的模拟分别为石英晶体的模拟动态等效电感、等效电容和损耗电阻,动态等效电感、等效电容和损耗电阻,C0为静态电容,它是以石英为介质在两极为静态电容,它是以石英为介质在两极板间所形成的电容。一般石英谐振器的参数板间所形成的电容。一般石英谐振器的参数范围约为:范围约为:R110140;L10.0110H;C10.0040.1PF;C024PF。石英谐振器石英谐振器19第19页,共48页。1)1)高高Q Q值值 4.4.石英谐振器的特点石英谐振器的特点1111CLRQ 其其Q值很高,可达值很高,可达104106,这是普通这是普通LC电路无法相比
11、的。电路无法相比的。说明其选频作用非常好。说明其选频作用非常好。石英谐振器石英谐振器20第20页,共48页。有两个谐振频率有两个谐振频率f fq q和和f fp p 2)2)石英谐振器的石英谐振器的两个谐振频率两个谐振频率串联谐振频率:串联谐振频率:在低频时,由于在低频时,由于C0很小,它的很小,它的容抗比容抗比R大很多,可把静态电容大很多,可把静态电容C0看作开路。若看作开路。若f=fs时,时,L、R、C串联支路发生揩振串联支路发生揩振1121CLfq石英谐振器石英谐振器21第21页,共48页。并并联谐振频率联谐振频率 且有且有f fq q略小于略小于f fp p(小于几十赫兹到几百赫兹)小
12、于几十赫兹到几百赫兹)OqOOpCCfCCCCLf1111121)21(1OqpCCff012CCfffqqp当频率高于当频率高于fs时,时,XLXC,L、R、C支路呈感性,当与支路呈感性,当与C0发生并联谐振时发生并联谐振时石英谐振器石英谐振器22第22页,共48页。3)3)石英谐振器的电抗特性曲线石英谐振器的电抗特性曲线q石石英晶体英晶体q石英晶体石英晶体q石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体石英晶石英晶体体石英谐振器石英谐振器23第23页,共48页。当当L L、C C、R R支路发生串联支路发生串联谐振时,电抗为零,则石谐振时,电抗为零,则石英谐振器的阻抗为纯电阻英谐振器的阻抗为纯电阻R R
13、,由于,由于R R很小,可视为短很小,可视为短路,说明石英晶体在这种路,说明石英晶体在这种情况下可充当特殊短路元情况下可充当特殊短路元件使用。件使用。石英谐振器石英谐振器24第24页,共48页。当当f fq f f f fp p时,石英谐振时,石英谐振器等效电路呈电感性,这器等效电路呈电感性,这个区域很窄,个区域很窄,石英谐振石英谐振器充当一个等效电感。不器充当一个等效电感。不过此电感是一个特殊的电过此电感是一个特殊的电感,它仅存在于感,它仅存在于f fq与与f fp p之之间,且随频率间,且随频率f f的变化而的变化而变化。变化。石英谐振器石英谐振器25第25页,共48页。石英晶体与外电路的
14、耦合是很弱的,这样就削弱了外电石英晶体与外电路的耦合是很弱的,这样就削弱了外电路与石英谐振器之间的相互不良影响,从而保证了石英路与石英谐振器之间的相互不良影响,从而保证了石英谐振器的高谐振器的高Q值,因此,石英晶体振荡器振荡频率的稳值,因此,石英晶体振荡器振荡频率的稳定度和标准性都很高。定度和标准性都很高。4)4)接入系数很小接入系数很小 01CCp 一般为一般为10-310-4数量级数量级.石英谐振器石英谐振器26第26页,共48页。石英谐振器作为振荡回路中的电感元件,它能使振石英谐振器作为振荡回路中的电感元件,它能使振荡器的频率稳定度大大提高,其原因在于:荡器的频率稳定度大大提高,其原因在
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