晶體振蕩器的概念

晶體振蕩器是一種電子振蕩器電路，用于壓電材料振動(dòng)晶體的機(jī)械諧振。它將產(chǎn)生具有給定頻率的電信號(hào)。該頻率通常用于記錄時(shí)間，例如手表用于數(shù)字集成電路中以提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，也用于穩(wěn)定無(wú)線電發(fā)射器和接收器的頻率。石英晶體主要用于射頻（RF）振蕩器。石英晶體是最常見(jiàn)的壓電諧振器類(lèi)型，在振蕩器電路中，我們使用它們，因此被稱(chēng)為晶體振蕩器。晶體振蕩器的設(shè)計(jì)必須能夠提供負(fù)載電容。

由于石英晶體的物理特性，它能夠在特定的頻率下產(chǎn)生穩(wěn)定的諧振。晶體振蕩器利用這一點(diǎn)，通過(guò)振蕩電路將石英晶體的諧振頻率轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，從而提供一個(gè)高精度、高穩(wěn)定度的頻率源。

晶體振蕩器具有多種封裝形式，包括金屬外殼封裝、玻璃殼封裝、陶瓷封裝和塑料封裝等。其頻率穩(wěn)定性受到多種因素的影響，如環(huán)境溫度、電源電壓等。因此，在使用晶體振蕩器時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景選擇適當(dāng)?shù)姆庋b形式和頻率穩(wěn)定度等級(jí)。

總之，晶體振蕩器是一種利用石英晶體的壓電效應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定頻率信號(hào)的電子設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種需要高精度、高穩(wěn)定度頻率源的場(chǎng)合。

晶體振蕩器的工作原理

晶體振蕩器電路通常根據(jù)逆壓電效應(yīng)原理工作。施加的電場(chǎng)會(huì)在某些材料上產(chǎn)生機(jī)械變形。因此，它利用由壓電材料制成的振動(dòng)晶體的機(jī)械共振來(lái)產(chǎn)生特定頻率的電信號(hào)。

通常，石英晶體振蕩器高度穩(wěn)定，具有良好的品質(zhì)因數(shù)（Q），尺寸小，并且經(jīng)濟(jì)相關(guān)。因此，與LC電路、音叉等其他諧振器相比，石英晶體振蕩器電路更加優(yōu)越。通常，在微處理器和微控制器中，我們使用 8MHz 晶體振蕩器。

等效電路還描述了晶體的晶體作用。只要看看上面所示的等效電路圖即可。電路中使用的基本元件，電感L代表晶體質(zhì)量，電容C2代表柔量，C1代表因晶體機(jī)械成型而形成的電容，電阻R代表晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)摩擦力，石英晶體振蕩器電路該圖由串聯(lián)和并聯(lián)諧振等兩個(gè)諧振組成，即兩個(gè)諧振頻率。

當(dāng)電容 C1 產(chǎn)生的電抗與電感 L 產(chǎn)生的電抗大小相等且方向相反時(shí)，就會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振。fr 和 fp 分別表示串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率，‘fr’ 和‘fp’ 的值可以通過(guò)上面公式確定。

晶體振蕩器的等效電路

例如，看下面的晶體振蕩器的等效電路：

Rs是引線的電阻，Cp是鍍銀板的電容，L和Cs隱藏在石英內(nèi)部。

使晶體在某一頻率下非常穩(wěn)定的特性是它的 Q 值，這個(gè)值很大，通常為 20 到 3 萬(wàn)。由于 Cp 和 Cs 非常小，為了使 L 產(chǎn)生共振，它必須很大，通常是幾個(gè)亨利！ Q 是電抗與電阻之比。

從上圖中可以看出，晶體有兩個(gè)諧振點(diǎn)。較低阻抗串聯(lián)諧振主要由 Cs 和 L1 控制，而較大阻抗并聯(lián)諧振主要由與 L1 串聯(lián)且與 Cp 并聯(lián)的 Cs 控制。

晶體振蕩器電路圖

1、反相門(mén)晶體振蕩器電路圖

您可以制作的最簡(jiǎn)單的振蕩器是使用一個(gè)反相門(mén)，如下所示：

幾乎所有反相門(mén) CMOS 都可以在這里工作，包括4069、74HC04、74HC1)等。

不直觀的是，所有數(shù)字門(mén)都有增益，如果您對(duì)它們施加偏置（如上面的 1M5電阻器，它們就會(huì)充當(dāng)放大器。輸出僅提供 180° 相移，因此電容器用于提供其余相移，以使反饋為正（360°）并引起振蕩。這些組件都不是非常重要的。 R1 可以是 10k 到 10M 之間的任何值，C1 和 C2 可以是 10p 到 100p 之間的值。

這完全取決于晶體的頻率和切割類(lèi)型。上面的值是典型值，適用于我的面包板。我為 C1 使用了一個(gè)可變電容器，這樣我就可以將計(jì)數(shù)器上的頻率精確設(shè)置為 10.0000MHz。如果你不需要那么精確，你可以使用第二個(gè) 39p 電容器。

2、射頻晶體振蕩器電路圖

無(wú)線電愛(ài)好者幾十年來(lái)一直依賴(lài)如下電路的晶體振蕩器。許多間諜發(fā)射機(jī)是在二戰(zhàn)期間制造的，其電路如下所示（當(dāng)然使用閥門(mén)）。

主晶振在左下角Q1、X1等，后面是一個(gè)1W的小型功率放大器（PA）Q3，驅(qū)動(dòng)低通濾波器和匹配電路。振蕩器的開(kāi)啟和關(guān)閉是通過(guò)一個(gè)關(guān)鍵整形電路（Q2）實(shí)現(xiàn)的，使其平穩(wěn)地啟動(dòng)和停止。這可以防止點(diǎn)擊被傳輸。

FET 振蕩器的漏極電路是一個(gè)調(diào)諧電路 (L1 C3)，可提供更多功率和更清晰的波形。這些都構(gòu)成了業(yè)余頻段 (40m) QRP CW（連續(xù)波或莫爾斯電碼）發(fā)射機(jī)。