电压控制LC振荡器最终答辩文件.docx
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电压控制LC振荡器最终答辩文件
中北大学
课程设计说明书
2012/2013学年第1学期
学院：
电子与计算机科学技术学院
专业：
电子科学与技术
学生姓名：
张海欧
学号：
1006044234
课程设计题目：
电压控制LC振荡器
起迄日期：
2013年1月2日～2013年1月15日
课程设计地点：
电子科学与技术专业实验室
指导教师：
文丰
系 主 任：
刘文怡
2013年1月2日
课程设计任务书
1．设计目的：
1掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；
2学习使用PROTEL软件绘制电路原理图及印刷板图；
3掌握应用EWB对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验证设计的正确性。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
名称：
电压控制LC振荡器
要求：
设计一个电压控制的LC振荡器，具体要求如下：
1.振荡器输出为正弦波，波形无明显失真。
2．输出频率范围：
15MHz～35MHz。
3.输出电压（峰—峰值）：
1V±0.1V.
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：
①课程设计说明书；
②电路原理图和印刷板图；
4仿真图形和仿真结果。
课程设计任务书
4．主要参考文献：
①童诗白．模拟电子技术基础．北京：
高等教育出版社，2002
②张建华．数字电子技术．北京：
机械工业出版社，2004
③陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：
机械工业出版社，2005
④毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：
机械工业出版社，2005
⑤潘永雄．电子线路CAD实用教程．西安：
西安电子科技大学出版社，2002
⑥张亚华．电子电路计算机辅助分析和辅助设计．北京：
航空工业出版社，2004
5．设计成果形式及要求：
提交内容：
课程设计说明书、电路原理图和印刷板图、仿真图形和仿真结果。
基本要求：
绘制出电路原理图和印刷板图，通过仿真验证设计正确性。
6．工作计划及进度：
2013年1月2日～1月4日查阅资料，熟悉任务要求，理解设计原理
2013年1月5日～1月7日方案设计
2013年1月8日～1月10日电路原理图
2013年1月11日～1月12日PCB版图设计
2013年1月13日～1月14日整理设计说明书
2013年1月15日设计答辩与考核
系主任审查意见：
签字：
年月日
目录
摘要1
1引言1
1.1振荡器概述2
1.2本课题设计意义2
2系统总体设计方案3
2.1设计要求3
2.1.1设计依据3
2.1.2基本要求3
2.2设计思路3
2.3整体框图3
2.4方案比较与论证4
2.4.1电压控制LC振荡器的设计与比较4
2.4.2功率放大器的设计和比较6
2.4.3LC振荡器控制信号的实现比较6
3单元电路设计7
3.1压控振荡器的设计7
3.1.1振荡电路原理7
3.1.2西勒振荡器电路8
3.1.3电压控制LC振荡电路8
3.2变容二极管的设计9
3.3功率放大电路的设计10
4硬件电路的制作与调试12
4.1硬件设计12
4.2系统调试主要测试仪器13
4.3系统调试13
4.4误差分析15
5心得16
参考文献17
附录1元器件清单17
附录2硬件电路印制版图18
摘要
本设计描述了电压控制LC振荡器的设计思路，实现的方法及测试方法和测试结果。
本设计采用西勒振荡器作为振荡器的主题部分，解决了基本三点式振荡设计改变振荡频率必改变反馈系数的矛盾，通过改变变容二极管两端的电压来调节振荡器输出频率实现输出在15MHz-35MHz范围内可变，通过VCO改变频率实现频率合成并稳定频率，通过功率放大器使电路输出电压控制在1V。
关键词：
电压控制；LC振荡器；西勒振荡器；变容二极管；功率放大器
1引言
1.1振荡器概述
振荡器广泛应用于各行各业中，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压:
在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热；某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制；电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。
在通信系统电路中，压控振荡器（VCO）是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等电路中更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO压控振荡器几乎与电流源电路和运放电路具有同等重要的地位。
压控振荡器（VCO）的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。
对压控振荡器的技术要求主要有：
频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。
晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。
电压控制LC振荡器在任何一种LC振荡器电路中都是将压控可变电抗元件插入振荡回路中，本设计中采用变容二极管作为压控可变点抗元件，这样就可形成LC压控振荡器。
早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来大都使用了变容二极管。
在微波频段，用反射极电压控制频率的反射速调管振荡器和用阳极电压控制频率的磁控管振荡器等也都属于压控振荡器的性质。
在通信技术、测量技术、计算机技术等各种领域中，常常要用到精度比较高，频率稳定度高且方便可调的信号源，电压控制振荡器是如今使用非常广泛的一类电子器件，为电—光转换电路、移动式手持设备等提供了很好的解决方案。
1.2本课题设计意义
随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。
在无线电技术发展的初期，振荡器就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。
本设计电压控制LC振荡器是如今使用非常广泛的一类电子器件，为电一光转换电路、移动式手持设备等提供了很多的解决方案。
本文设计的是电压控制LC振荡器，设计中采用了改进型电容三点式西勒振荡器电路作为本设计的主要组成部分，解决了基本三点式振荡电路设计中存在的改变振荡频率必改变反馈系数的矛盾，通过调节压控变容二极管两端电压来改变振荡器的输出频率，使设计系统达到15MHz～35MHz输出频率可变的要求。
在LC振荡器的LC回路中，使用电压控制电容器（变容二极管器），就可以在一定频率范围内构成电压调谐振荡器，即电压控制LC振荡器。
压控振荡器可广泛使用于频率调制器，锁相环路，以及无线电发射机和接收机中。
本设计电压控制LC振荡器采用了变容二极管来实现电压控制的功能，末级功率放大器采用了三极管9018，实现了功率放大的功能，并使其三极管工作在丙类状态，以提高工作效率。
若负载为容性阻抗，采用串联谐振回路以提高输出功率。
系统主要选用LC振荡器来实现振荡，并改变电路输入电压来控制电路频率的变化。
LC振荡器因谐振回路具有很高的选择性，即使放大器工作在非线性区，振荡电压也非常接近正弦形，达到设计要求。
但因它的谐振元件LC之值只限于体积不宜过大，振荡频率不宜太低一般为几百千赫到几百兆赫。
频率稳定度一般为10-2～10-4量级，略优于RC振荡电路，但比石英晶体振荡器要低几个数量级。
谐振元件L或C的数值调节方便，可借以改变振荡频率，因而为广播、通信、电子仪器等电子设备所广泛采用。
压控振荡器的应用范围很广，集成化是重要的发展方向。
石英晶体压控振荡器中频率稳定度和调频范围之间的矛盾也有待于解决。
随着深空通信的发展，将需要内部噪声电平极低的压控振荡器。
2系统总体设计方案
2.1设计要求
2.1.1设计依据
（1）与电子电路设计有关的国家和行业的法规、技术标准与规范等；
（2）本电压控制LC振荡器设计任务书要求的技术范围。
2.1.2基本要求
（l）振荡器输出为正弦波，波形无明显失真。
（2）输出频率范围：
15～35MHz。
（3）输出电压峰——峰值：
Vp_p=1V±0.1V。
2.2设计思路
本课题要求设计并制作一个电压控制的LC正弦波振荡器，即用电压控制LC类型的振荡器并实现输出电压的峰峰值恒定在1V±0.1V并能用示波器显示输出电压的峰峰值。
根据以上要求可知，该设计除具有压控LC振荡电路外还要有频率合成、幅度控制、峰峰值检测和示波器显示输出波形和频率输出的组成。
由于输出频率范围很宽，LC振荡电路还需要根据频率范围分段切换来实现对15MHz～35MHz频率范围的覆盖。
本设计通过电压改变变容二极管两端的电压改变输出频率。
本课题要求设计一个电压控制LC振荡器，振荡器输出波形为无失真的正弦波。
设计中采用分立元件组成电压控制LC振荡器，采用西勒振荡电路实现振荡效果，采用滑动变阻器改变输入电压，采用电压反馈电路使输出电压幅值稳定在1V±0.1V。
2.3整体框图
本设计主要通过振荡器电路产生一定的振荡频率，选用西勒振荡器达到输出为不失真的正弦波，其稳定度优于10-3。
电路通过输入电压控制振荡频率，通过改变输入电压来控制变容二极管两端的电压，使频率随着电压的变化而变化。
振荡电路输出的电压经过耦合电容连接到放大电路中，放大后的电压使其输出值控制在1V左右，从而达到本设计的设计指标。
系统整体设计框图如图2—1所示。
图2—1系统整体设计框图
2.4方案比较与论证
2.4.1电压控制LC振荡器的设计与比较
人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。
在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。
1、振荡器的比较
在各种振荡电路中，LC振荡电路是比较常见的一种。
常用的LC振荡电路有以下几种：
方案一：
采用互感耦合振荡器形式。
调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较稳定。
调发电路只能解决起始振荡条件和振荡频率的问题，不能决定振幅的大小。
调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，幅度较大谐波成分较小。
互感耦合振荡器在调整反馈（改变耦合系数）时，基本上不影响振荡频率。
但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器，而且灵活性较差。
一般应用于中、短波波段。
方案二：
采用电感三点式振荡。
由于两个电感之间有互感存在，所以很容易起振。
另外，改变谐振回路的电容，可方便地调节振荡频率，由于反馈信号取自电感两端压降，而电感对高次谐波呈现高阻抗，故不能抑制高次谐波的反馈，因此振荡器输出信号中的高次谐波成分较大，信号波形较差。
方案三：
采用电容三点式振荡器。
电容三点式振电路的基极和发射极之间接有电容，反馈信号取自电容两端，它对谐波的阻抗很小，谐波电压小，因而使集电路电流中的谐波分量和回路的谐波电压都较小。
反馈信号取自电容两端，由于电容对高次谐波呈现较小的容抗，因而反馈信号中高次谐波分量小，故振荡输出波形好，而且电容三点式振荡器的频率稳定，适于较高工作频率。
考虑到本设计中要求频带较宽，输出波形好，所以选择方案三，采用电容三点式振荡器作为本设计振荡器类型。
2、压控LC振荡模块
方案一：
采用高稳定度适用于产生固定频率场合的克拉泼（Clapp）经典振荡电路。
方案二：
采用高稳定度的西勒（Seiler）经典振荡电路，如图2—2所示。
图2—2西勒振荡电路
以上两种方案中，方案一采用克拉泼电路，该电路振荡频率较为稳定，但该振荡的频率覆盖范围较窄，一般为1.2～1.3，若要覆盖15～35MHz，至少要分3～4段。
而且该振荡在一个较宽的波段内输出幅度不均匀，频率升高后不易起振。
因此该方案不予采纳。
而方案二采用西勒振荡电路，克服了克拉波振荡器的缺点在电感上并接一个可调电容调节振荡频率，电路较易起振，振荡频率也较为稳定，当参数设计得当时，覆盖范围可达1.4～1.6，因此只需2～3段即可覆盖设计要求的15～35MHz的频率范围。
故采纳方案二的设计。
这种电路的特点是：
振荡频率由C3、C4决定，但反馈系数由C1、C2决定，解决了基本三点式振荡设计中存在的改变振荡频率会引起反馈系数改变的矛盾。
本设计选用变容二极管取代C4实现本系统的核心模块—VCO电路，西勒振荡电路的原理图如图2—2所示。
2.4.2功率放大器的设计和比较
高频功率放大器有多种形式，有甲类（=
）、乙类（=
）、丙类（＜
）、丁类。
理论上说导通角越小即导通时间越短，电路工作的效率越高，但为还原初始信号所需的后级电路也越复杂。
甲类互补放大器和乙类放大器适用于线性放大，多用于宽带功率放大，但是效率较低，理论最大值分别为50％和78.5％；丙类、丁类适用于固定频率的放大电路中在放大等幅信号时，放大器一般工作在丙类状态，而放大高频调幅信号时一般工作在乙类状态，丙类放大器的效率高，且具有选频作用的谐振网络能滤去谐波，从严重失真的电流波形中得到不失真的电压输出。
放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。
为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。
但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。
低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类。
高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集。
电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。
因而工作在丙类状态，其谐振网络主要是用来从失真的电流脉冲中选出基波、滤除谐波，从而得到不失真的输出信号。
根据实际要求该放大器属于选择频率段的放大器，丁类在规定时间内较难设计制作，由于丙类放大器效率较高且容易制作和调试，且具有选频作用的谐振网络能滤去谐波，从严重失真的电流波形中得到不失真的电压输出。
所以我们选择了丙类谐振放大器作为本设计的功率放大器。
2.4.3LC振荡器控制信号的实现比较
方案一：
采用VCO,函数发生器，如ICL8038。
它通过改变外加控制电压，改变芯片內的电容充电电流，从而可以输出一定频率的正弦波。
但是其输出的频率较低，而且频率的稳定度差，频率的难以控制检测。
方案二：
采用锁相环路技术，利用锁相环，使振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需的频率上，从而产生稳定的VCO控制电压，这样大大提高了控制信号的稳定性。
但锁相环路技术是利用误差信号电压去消除频率误差的自动控制电路。
方案三：
采用普通电压源，通过滑动变阻器改变LC振荡器的输入电压来实现对LC输出频率的控制，这种方案可以实现较小的频率间隔。
因此，根据本课题设计要求，方案一比较适用，更方便了本设计电路的制作和调试。
3单元电路设计
3.1压控振荡器的设计
3.1.1振荡电路原理
本设计选用西勒振荡器作为振荡电路，对于一个振荡器，首先要判断它是否能产生振荡，其振荡频率可根据选频网络的参数进行计算。
要满足振荡电路自激振荡,则必须满足电路产生振荡的基本条件，即使电路中的反馈信号与输入信号大小相等，相位相同。
正弦振荡电路由A放大电路和F反馈网络组成。
满足下列条件电路起振。
1、振幅平衡条件
振荡电路产生自激振荡满足振幅平衡条件
式（3—1）
即放大倍数与反馈系数乘积的模为1，反馈信号与原输入信号的幅度相等。
2、相位平衡条件
振荡电路产生自激振荡时满足相位平衡条件
式（3—2）
即放大电路的相移与反馈网络的相移之和为2nπ，引入的反馈为正反馈，反馈端信号与输入端信号同相。
经分析西勒振荡电路的振荡原理得出高静态工作点Q的谐振回路是电路起振的关键。
Q的值不高就无法从丰富的频率中选出可以构成自激振荡的频率分量构成正反馈，振荡电路据无法正常起振。
谐振回路的Q值是放映回路在谐振时的能量损耗。
损耗越小，Q值越高。
解决这个问题的方法是尽可能选择高Q值的L和C。
一般情况下，电容的值较高，不会对电路的Q值构成影响。
电感成为影响谐振回路的主要因素。
理论上讲空心的电感线圈损耗较小，Q值较高，满足电感值较小无法回路的需要。
经过反复实践，选频网络选用高频材料镍芯材料最为绕制电感的材料。
3.1.2西勒振荡器电路
如上图2—2所示是西勒振荡器的原理图电路图。
C4电容调整振荡器的频率，而C3用固定电容，在一般情况下，C1和C2电容都远大于C3，其振荡频率近似为
式（3—3）
式（3—3）是振荡频率计算式。
调节C4电容改变振荡器频率，由于C3电容不变，所以谐振回路反映到晶体管输出端的等效负载变换很缓慢，故调节C4对放大器增益的影响不大，从而保证振荡幅度的稳定，其频率覆盖系数较大，可达1.6～1.8。
3.1.3电压控制LC振荡电路
在本设计中LC振荡器电路采用了改进型电容三点式振荡器中的经典的西勒振荡电路，减弱了晶体管与振荡电路中谐振回路的耦合，使其频率稳定度可达到10-5～10-4数量级。
该电路频率稳定性高，输出幅度均匀，调谐范围也比较宽。
电路原理电路图如图3—1所示。
压控振荡器的作用是产生频率控制电压变化的振荡电压。
其特性可用调频特性即瞬时振荡角频率相对于输入控制电压的关系来表示，在一定范围内瞬时振荡角频率和输入控制电压是成线性关系的。
因此可得出瞬时振荡角频率是压控振荡器的中心频率和压控电压为零时的振荡频率和压控灵敏度积的总和。
图3—1压控LC振荡器电路原理图
电路原理说明：
该压控振荡器由西勒振荡器组成，其中由R1、R2、R3及晶体三极管Q1等组成振荡电路，由C3、C4、C5、Rp1、L2及变容二极管等元器件组成振荡器的选频网络，完成频率选择。
通过调节可变电阻Rp1来改变电压的大小，从而改变变容二极管两端的电压，使输出频率发生改变，达到设计目标中电压控制LC振荡器的指标。
耦合电容C6隔离前后极电路，使晶体三极管的静态工作点不受后极电路的影响，工作在放大状态。
3.2变容二极管的设计
变容二极管是利用PN结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成的。
反偏电压增大时结电容减小，反之结电容增大。
它在本设计中起到了使电路自动调谐、调频和调相的作用，在谐振回路中也可作为可变电容使用。
本设计中VCO压控振荡器产生的振荡频率范围与变容二极管的压容特性有关。
图3—2为变容二极管的电容特性测试电路图，图3—3为变容二极管和压控振荡器的压控特性示意图。
从图中可见，变容二极管的反偏电压由最小到最大的变化即Vmin—Vmax；对应的输出频率变化范围是Fmin—Fmax.在预先给定L的情况下，对变容二极管加不同的电压，测得对应的谐振频率，从而可计算出Cd的值。
减小谐振回路电感的电感量，调节电容的容量，不需要并联或者改变变容二极管，即可很容易地实现频率扩展。
在实验中利用该方法用单管电感，调节电容使VCO输出频率达到设计要求。
图3—2电容特性测试电路图
图3—3变容二极管压容特性和压控振荡器的压控特性
3.3功率放大电路的设计
本设计采用高频功率放大器，在其设计中首先要考虑的是晶体三极管的选择。
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等。
根据本设计的工作频率和输出电压的要求，本设计选用共发射极电路作为放大电路，设计中晶体三极管工作在放大状态。
电路图如图3—4所示。
图3—4功率放大电路的设计
设计中电路采用两级放大实现，利用三极管9018将压控振荡器输出的电压进行放大，前一级电路工作在甲类状态，在频率改变的情况下，电压负反馈使输出电压稳定在1V±0.1V。
后一级电路可以进一步提高放大器的工作效率。
后级的三极管3DA5109工作在丙类状态，可以提高功率放大器的功率。
T1为中介耦合变压器，能把Q1的功率完全的传输到工作在丙类的Q2上。
为了防止失真过大，输出端采用并联谐振电路。
当负载为容性时，采用串联谐振回路。
这样可以使输出功率和效率都到达最大值。
在该电路中，可以保持输出电压稳定在1V±0.1V。
为了稳定静态工作点，设计中射极放大电路采用分压式偏置电路，如图3—5所示。
图3—5分压式射极偏置电路
分压式射极偏置电路是常用的一偏置稳压电路，图中Rb1为上偏置电阻，Rb2为下偏置电阻，Rc为集电极电阻，Re为发射极电阻，Ce为电路的射极旁路电容，在电路中起到了使电路的交流信号放大能力不因Re的存在而降低，使电路的放大倍数不受影响的作用。
电路中Rb1、Rb2为基极偏置电阻为三极管建立了合适的基极电压；Rc电阻起到了使放大电路的电流信号转换为以电压形式输出信号的作用。
放大电路中放大的本质是实现能量的控制和转换，即能量的转换：
把输入的微弱信号放大到所需要的幅度值且与原输入信号变化规律一致的信号，对信号进行不失真放大。
信号由三极管的基极输入，由三极管的集电极输出，基极与发射极之间形成了回路，构成了反馈。
4硬件电路的制作与调试
4.1硬件设计
本设计选择了印刷电路板作为本设计的电路板，以此来保证电路设计要求高频15MHZ至35MHZ的特性要求。
硬件制作的目的是在原有的理论基础上通过示波器等一些常规的实验仪器来验证电路原理的过程，实现电路设计要求。
本设计由VCO压控电路和功率放大电路两部分组成。
印刷电路板板材选用了单面敷铜板，一面放置元器件，另一面在腐蚀的时候保留下来作为连线。
所有电路中的连线都直接接在另一面，确保了连线的可靠性和屏蔽的要求。
可以达到良好的高频特性，连接线均采用屏蔽线。
这些措施保证了作品的稳定性以及检测结果的正确性。
整个系统的硬件部分调试可分为各个模块调试和逐级联成整体调试，这样确保了调试的成功率。
在压控振荡器中主要是调整LC回路中的电感值以使得输出频率的范围来满足设计要求。
宽带放大器的调试比较困难，首先是调整两极放大器的晶体管的静态工作点，由于简化电源设计，放大器的电源采用＋5V，比较容易出现饱和和截止失真，因而调整较为困难。
我们主要是从示波器上观察失真，以便从最低频率到最高频率以不出现明显的波形失真为标准。
随后的调试是调整末级放大器的旁路电容，以使得在整个频段中输出电压大致为1V。
4.2系统调试主要测试仪器
表4—1测试仪器及设备
仪器名称
型号
用途
数量
直流稳压电源
HG6333
提供电流源电压
1
数字式万用表
DT9205N
测量D/A电压和负载电流
1
数字双踪示波器
DS5042M
测量波形
1
如图表4—1是本设计中涉及的硬件调试仪器。
4.3系统调试
使用直流稳压电源DF1731SL1ATA为变容二极管提供反向可变的反向偏压，同时用数字示波器TDS1002检测振荡波形。
微调电路图中的电感和三极管的静态工作点，使得每段LC振荡回路都能覆盖设计频率范围。
1）输出频率范围稳定度的测试
设定标称频率为30MHz以30S为单位测量不同时间的频率值。
式（4—2）为频率稳定度的计算公式。
同时测量最小和最大的输出频率，看该频率能稳定在哪个范围之内。
式（4—2）
式（4—2）中A为频率稳定度，
为实测频率，
为标称频率。
表4-3输出频率范围及稳定度记录表
标称值
（MHz）
实测频率（MHz）
平均值
（MHz）
稳定度
（%）
00S
30S
60S
中心频率
30
30
30
30
30
10-3
最小频率
14
14
15.6
升级会员 