电压控制LC振荡器.docx

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电压控制LC振荡器

电压控制LC振荡器

摘要

本系统以单片机AT89C55为核心，采用电感反馈LC振荡器，利用分波段方式进行频率范围扩展，采用D/A直接控制和锁相控制两种方式对压控LC振荡器进行控制。

系统还组合了自动增益控制电路，测频测幅电路，高频功率放大器电路等单元电路。

锁相环的实现，减小了步进间隔，提高了输出频率的稳定度；自动增益控制单元，使输出信号的峰-峰值稳定在1V左右；测频测幅单元完成了实时显示信号频率和幅度的功能；功率放大单元对固定的30MHz信号进行功率放大，且可以在50

纯阻和容性负载实现≥20mW功率输出，具有较高的效率。

整机指标达到了题目的基本设计要求和扩展设计要求，整机性能基本满足设计要求。

一．方案论证与比较

1.LC振荡器的选择与论证

方案一：

采用电容反馈的Clapp和Siler振荡器。

振荡器是依靠电容产生反馈电压的，线路简单，工作频率高，波形好。

方案二：

采用电感反馈振荡器。

它是依靠电感产生反馈电压。

电路简单，容易起振。

工作频段较电容反馈振荡器宽[1]。

基于上述考虑及题目的具体要求，我们选用方案二。

注：

[1]引自《高频电路原理与分析》P104西安电子科技大学出版社曾兴雯等

2.压控方式的选择与论证

方案一：

采用手工改变电压法，在LC振荡器的谐振回路通过改变变容二极管两端的电压来改变振荡器的输出频率，达到压控振荡的目的。

这种压控方式电路简单，但不利于单片机的智能控制。

方案二：

通过D/A转换器，产生精确的控制电压，控制变容二极管两端的电压改变振荡器的输出频率。

这种方式的精度取决于D/A转换器的精度。

该方式电路结构简单，可利用单片机实现多种功能。

方案三：

采用锁相环频率合成进行压控控制。

锁相环频率合成系统主要由LC压控振荡器，相位比较器，环路滤波器，可编程分频器，高稳定度晶体振荡器，参考分频器，中央控制器等组成。

该振荡器的输出频率稳定度与晶体的稳定度相当，提高了输出频率的稳定度，而且可以在单片机的控制下实现输出频率的多种步进形式，实时显示输出频率等多种功能。

基于上述方案比较和题目的要求，我们采用了如图1-1-1的压控方案。

它综合了方案二和方案三，更好的满足了题目要求。

图1-1-1压控方式的系统框图

二．单元电路的分析与实现

本系统以单片机AT89S55为核心,由LC压控振荡器,锁相环频率合成器,高频功率放大器,自动增益控制电路等电路组成的。

系统框图如图1-1-2所示。

图1-1-2系统框图

1.单片机小系统电路

本系统以AT89C55单片机为核心，以4*4键盘，128*64点阵液晶构成人机接口，辅助以512Kflash存储器W29C040，内装汉字字库和图标，图形等，可以构成友好的人机界面。

利用8255扩展并口，DS12C887提供系统时钟。

将片外低32K地址分配给外部程序存储器28C256，为了使用方便，设计成与静态RAM62256兼容的方式。

系统框图如下图1-1-3所示：

图1-1-3小系统的结构框图

2.压控LC振荡器电路

我们采用了电感反馈振荡器。

电路图如1-1-4所示。

图1-1-4压控LC振荡器

变容二极管是该振荡器的关键元件,我们利用电路试验了手头有的变容二极管,在其他条件不变的情况下测量，测试数据如下表1-1-1所示

表1-1-1（单位MHz）：

型号

最高频率

最低频率

带宽

V101

41.0

25.8

15.2

V149

32.3

11.0

21.3

V147

34.3

26.1

8.2

910

45.0

30.0

15.0

C13F

22.5

16.7

5.8

2236

44.6

35.6

9.0

虽然V149能够覆盖所有的频率范围，但电路在低端产生的二次谐波导致波形明显失真。

由于谐波在要求输出的频率范围之内，所以不能被滤波器滤除。

综合考虑，选择V101作为最终方案。

采用V101时，我们绕了两个线圈，测试数据如下表1-1-2所示表1-1-2（单位MHz）:

最高频率

最低频率

带宽

线圈一

37.3

22.65

14.65

线圈二

23.3

14.5

8.8

由上表可见，只要线圈调整适当，两个档位完全可以覆盖15-35MHz的频率范围。

在实际应用中，只要简单的增加若干线圈，就可以达到扩展频率范围的目的。

3.锁相环频率合成电路

MC145152－2芯片是摩托罗拉公司生产的锁相环频率合成器专用芯片。

MC145152－1芯片的改进型。

MC145152－2芯片具有下列主要特征：

（1）它与双模（P／（P＋1））分频器同时使用，有一路双模分频控制输出MC。

当MC为低电平时，双模分频器用（P＋1）去除；当MC为高电平时，双模分频器用模数P去除。

（2）它有A计数器和N计数器两个计数器。

它们与双模（P／（P＋1））分频器提供了总分频值（NP＋A）。

其中，A、N计数器可预置。

N的取值范围为3～1023，A的取值范围为0～63。

A计数器计数期间，MC为低电平；N计数器计数（N－A）期间，MC为高电平。

（3）它有一个参考振荡器，可外接晶体振荡器。

（4）它有一个R计数器，用来给参考振荡器分频，R计数器可预置，R的取值范围：

8，64，128，256，512，1024，1160，2048。

（5）它有两路鉴相信号输出，其中，ФR、ФV用来输出鉴相误差信号，LD用来输出相位锁定信号。

MC145152－2的工作原理：

参考振荡器信号经R分频器分频后形成fR信号。

压控振荡器信号经双模（P／（P＋1））分频器分频，再经A、N计数器分频器后形成fV信号，fV＝fVCO／（NP＋A）。

fR信号和fV信号在鉴相器中鉴相，输出的误差信号（ΦR、ΦV）经低通滤波器形成直流信号，直流信号再去控制压控振荡器的频率。

当整个环路锁定后，fV＝fR且同相，fVCO＝（NP＋A）fV＝（NP＋A）fR，便可产生和基准频率同样稳定度和准确度的任意频率。

锁相环频率合成器选用芯片MC145152－2。

晶振选用6.4MHz的晶体，它的频率稳定度较高，可达10－6。

低通滤波器选用运放芯片OP27；由于锁相环工作频率不是很高且步进间隔为100KHz，无需使用双模分频器即可以达到题目要求。

所以我们选用SN74LS112，分频数P＝2；压控振荡器选用压控LC振荡器。

取

R的取值＝128，RA2～RA0为011，

N的取值＝300，

～

为100101100。

R计数器、N计数器，各管脚接地为逻辑0，悬空为逻辑1。

运放芯片OP27构成了有源比例积分滤波器，如图1-1-5所示。

在设计时首先选择合适的电容C，然后，再根据ωn、N、Kv、Kd和ξ计算R1和R2的值。

图1-1-5环路滤波器

式中，Kv为压控振荡器电调灵敏度（rad／sV）；Kd为比相器灵敏度，Kd＝VDD／2π，VDD是运放的工作电压（VDD＝5V），Kd单位取V／rad；N为总分频次数；ξ为锁相环路的阻尼系数，ξ的合适取值范围是在0．5～1．0之间，通常选择最佳起始点ξ＝0.707；ωn为环路自然谐振角频率，ωn值的选择将直接影响环路滤波特性和捕捉时间，为了保证环路对噪声有较好的抑制，ωn应该远小于鉴相频率ωd，通常可按式（3）选择

　　ωn＝ωd／（30～1000），（3）

当噪声来源于参考频率和分频器时，ωn可以选择得小些；当噪声来源于压控振荡器时，ωn可选择得大些。

具体计算如下：

Kd＝VDD／（2π）＝5／（2π）＝0.796V／rad，

N=30MHz/100KHz=300

故：

R1选用6.8KΩ电阻，R2选用2.2KΩ电阻。

在实际调试过程中我们对电阻值做了微调，使其性能达到最好。

图1-1-6锁相环频率合成电路

锁相环频率合成的核心芯片MC145152的实现电路如图1-1-6所示。

其中频率控制端可以由单片机或拨码开关控制，实现输出频率控制。

4.高频功率放大器电路

高频功率放大器的设计需要先考虑晶体管的选择。

通常在选择过程中晶体管的极限参数将是选择的主要依据。

这些参数包括：

集电极最大允许电流，反向击穿电压，二次击穿，集电极最大允许损耗功率，晶体管的安全工作区等。

根据工作频率和输出功率的要求，采用共发射极电路，设计工作在临界状态。

电路图如图1-1-7所示。

图1-1-7高频功率放大器

根据

，因此选择的晶体管的特征频率

。

根据对输出功率的要求，同时考虑到集电极效率通常大于50%，

故以晶体管的最大耗散功率

。

集电极给定的电源电压为12V，因此由

来确定必须的

。

根据上述要求及高频晶体管的参数（参阅有关晶体管手册），初步选定高频小功率三极管3DG81B。

其参数为：

基本上满足题目的要求。

在选择好晶体管后，最关键的就是功放管集电极匹配阻抗的估算。

我们采用变压器匹配。

在30MHz时，考虑到负载电阻的大小，可以使传输效率大于90%，因此若负载电阻上的功率

为20mW以上，要求晶体管的输出功率为：

集电极的电源电压为12V，设饱和压降为

=0.5V,集电极的高频电压振幅为

集电极最佳匹配阻抗为

若负载阻抗有容性电抗，须加入电感进行调谐。

可按下式计算：

在进行变压器匹配时，通过多次实验，确定抽头系数。

由于集电极的电阻R是近似值，晶体管的输出电容也包含在匹配网络中，在实际调试中要靠调节元件才能使匹配达到最佳。

5.自动增益控制电路

具体电路见下图1-1-8。

在电路中我们选用了集成芯片AD603。

图1-1-8增益控制电路

AD603一种具有程控增益调整功能的芯片。

它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/μs。

管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在－11～＋30dB时的带宽为90MHz。

AD603的增益控制接口的输入阻抗很高，在多通道或级联应用中，一个控制电压可以驱动多个运放；同时，其增益控制接口还具有差分输入能力，设计时根据信号电平和极性选择合适的控制方案。

在设计时，峰值检波电路输出信号经过高速A/D采样后，经单片机计算需调节的增益量并控制D/A以获得调节增益控制电压，从而精确地控制放大器的增益，达到稳定输出电压的目的。

6.测频测幅电路

为了实时显示输出频率及输出幅度，我们采用了峰值检波电路，将输出信号转换为直流电平，再加一级直流放大单元，由A/D转换器采样送入单片机处理后，在显示单元进行显示。

电路如图1-1-9所示。

图1-1-9峰值检波电路

上图中P6端接频率输出，P7接A/D转换器到单片机。

三．软件系统的设计

软件系统使用菜单模式直观且利于操作，并且利于维护和升级。

根据要求确定菜单的层次结构如下表1-1-3所示：

表1-1-3菜单的结构与功能

第一级菜单

第二级子菜单

基本功能描述

扩展功能

锁相输出

无

利用锁相环稳定频率输出

直接输入频率

峰值控制

DA压控输出

无

利用DA控制压控振荡器输出，频率测量，

　峰值控制

３０MHz时功率输出

无

以一定功率输出

30MHz的正弦波

功率调节

系统设置

对比度设置

设置液晶的对比度

时间日期设置

设置系统时钟和日期

按上下键选择菜单项，被选中的菜单将会反显，按下ENTER键执行选中的菜单。

如果菜单项有下一级子菜单，就会打开子菜单，如果没有，就执行相应的子程序。

按下CANCEL键，返回上一级菜单，没有上一级菜单就认为是无效按键。

键盘的定义，4*4键如下图1-1-10所示：

图1-1-10键盘设置

四．测试方法与测试数据

1．测试仪器：

QF1055A高频信号发生器

EE1641B1型函数信号发生器

Agient54622D混合信号示波器

AgientE4403B频谱仪

DT9205数字万用表

NFC-1000C-1型多功能计数器

DA22A超高频毫伏表

SS1793可跟踪直流稳定电源

2．整机测试指标：

（1）输出正弦波频率范围测试

断开功率放大器，在系统的频率输出端用Agient54622D混合信号示波器观察波形不失真情况下，用NFC-1000C-1型多功能计数器测量正弦波的频率。

（D/A控制下）测试数据如下表1-1-4：

表1-1-4：

预置频率/MHz

14.000

15.000

16.000

17.000

18.000

19.000

20.000

输出频率/MHz

14.050

15.000

16.020

16.980

17.960

19.040

20.000

预置频率/MHz

21.000

22.000

23.000

24.000

25.000

26.000

27.000

输出频率/MHz

21.040

22.051

23.046

24.020

24.999

25.950

27.010

预置频率/MHz

28.000

29.000

30.000

31.000

32.000

33.000

34.000

输出频率/MHz

28.021

28.930

30.020

31.050

32.028

33.045

33.980

预置频率/MHz

35.000

36.000

输出频率/MHz

35.020

36.020

系统在D/A控制时，用NFC-1000C-1型多功能计数器测量输出频率为25MHz时，测量时间为5分钟时，观察到频率变化为5KHz,算得输出频率的稳定度为

。

同样方法系统在锁相环控制下时，测量输出频率的稳定度为

。

（2）输出波形幅度的测试

断开功率放大器，在系统的频率输出端用Agient54622D混合信号示波器观察波形不失真情况下，在示波器测量正弦波的幅度。

测试幅度数据如下表1-1-5：

表1-1-5

输出频率/MHz

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

36.00

37.00

输出幅度

实测值/V

1.045

1.032

1.030

1.040

1.020

1.050

1.010

输出幅度

理论值/V

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

（3）功率放大器输出功率的测试

调整输出频率为30MHz，接上功率放大器。

将功率放大器的谐振频率调整到30MHz。

在功率放大器电源输入端串接DT9205数字万用表测量Ico，接通电源，用Agient54622D混合信号示波器观察波形不失真情况下，DA22A超高频毫伏表测量负载电阻上的电压,并计算出输出功率，集电极耗散功率，效率。

测试数据如下表1-1-6：

表1-1-6

负载

电阻

电阻+电容

集电极平均电流/mA

7.2

8.1

负载电压（峰峰值）/V

4.6

4.7

直流输入功率/mW

86.4

97.2

输出功率/mW

52.9

55.2

功放的效率

61.2%

56.8%

五．测试结果与分析

（1）输出频率范围整机的输出频率范围为14MHz-36MHz,达到了题目的要求。

我们还可以通过增加振荡线圈进一步扩展输出频率范围。

（2）输出频率稳定度整机在D/A直接控制方式下，频率稳定度达到了

。

这主要是由于我们选择

较高的晶体管，使晶体管的内部相移较小；选择Q值较高的振荡回路，使回路的相频特性斜率较大，相位也就更稳定；还在振荡器电源部分做了二次稳压，减少了电源对稳定度的影响；在负载和回路间加入射随跟随器，减小了负载对回路的耦合。

所以输出频率稳定度较高。

在锁相环控制方式下，频率稳定度接近晶体振荡器的稳定度。

（3）输出频率幅度整机的输出频率幅度稳定在1V左右，

我们利用了单片机做自动增益控制。

其优点是幅度调节灵活，但受到

了A/D采样速度的影响，产生了一定的幅度抖动。

（4）输出功率整机对30MHz信号进行功率放大，可以在50

纯阻和容性负载实现

功率输出，具有较高的效率。

由于采用了高频谐振功率放大器，工作在C类状态，所以整机效率较高。

还可以使用D类，E类等开关型高频功率放大器进一步提高效率。

经过对测试数据的分析，本系统完成了题目的各项要求，达到了各种指标。

对于本系统的设计，有些指标还有待于进一步提高，例如在功放效率，末级自动调谐等方面。

这些不足还需要在元器件选择等方面进一步去提高。