電壓控制LC振蕩器設(shè)計

1、 電壓控制lc振蕩器設(shè)計摘要：近年來，隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使市場對射頻集成電路產(chǎn)生了巨大的需求。在射頻電路中，壓控振蕩器(vco)占有非常重要的地位，它是鎖相環(huán)、時鐘恢復(fù)電路以及頻率綜合器的重要組成電路，所以設(shè)計高性能的壓控振蕩器對通信系統(tǒng)性能的提高具有十分重要的意義。電壓控制lc振蕩器是如今使用非常廣泛的一類電子器件，為電一光轉(zhuǎn)換電路、移動式手持設(shè)備等提供了很好的解決方案。本設(shè)計采用壓控振蕩芯片mc1648和變?nèi)荻O管mv209，外接一個lc振蕩回路構(gòu)成變?nèi)荻O管壓控振蕩電路，只要改變二極管兩端的電壓，即可改變mc1648的輸出頻率。并且利用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，采用大規(guī)模pll芯片m

2、c145152和其他芯片構(gòu)成數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成器，另外利用mc145152的分頻系數(shù)a、n值而改變輸出頻率，使輸出頻率穩(wěn)定度進(jìn)一步提高。關(guān)鍵詞： mv209；壓控振蕩器；鎖相環(huán)；頻率穩(wěn)定 voltage-controlled lc oscillator abstract: in recent years, with wireless communication technology rapid development of the market for radio frequency integrated circuit produced a huge demand. in the rf c

3、ircuit, the voltage-controlled oscillator (vco) occupies a very important position, which is phase-locked loop, clock recovery circuit and the frequency of an important component of an integrated circuit device, so the design of high-performance voltage-controlled oscillator for communication system

4、 performance the improvement of great significance. the voltage-controlled lc oscillator is now using a very broad class of electronic devices for power conversion circuit for a light, mobile handheld devices provide a good solution. design and use of vco varactor chip mc1648 mv209, constitute an ex

5、ternal lc oscillator circuit varactor vco circuit, as long as the change in voltage across the diode, you can change the mc1648's output frequency. and the use of pll frequency synthesizer technology, using large-scale mc145152 pll chip and other chips form digital pll frequency synthesizer, whi

6、le the sub-frequency coefficients using mc145152 a, n value and change the output frequency, the output frequency stability and further increased. key words：mv209; voltage controlled oscillator; pll; frequency stability agc目 錄1引言31.1系統(tǒng)設(shè)計的目的31.2系統(tǒng)設(shè)計的意義4 1.3 研究范圍及要達(dá)到的參數(shù).4 1.4本課題應(yīng)解決的主要問題.52系統(tǒng)設(shè)計要求和設(shè)計方案2

7、2.1系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)22.2系統(tǒng)設(shè)計的要求22.3系統(tǒng)的性能指標(biāo)22.4系統(tǒng)的方案論證32.4.1電壓控制lc振蕩器的設(shè)計與比較32.4.2功率放大器的設(shè)計與比較42.4.3頻率控制方式的設(shè)計與比較52.4.4 控制模塊的設(shè)計方案與選擇62.4.5穩(wěn)幅電路的設(shè)計方案與選擇63系統(tǒng)硬件設(shè)計74.1壓控振蕩器和穩(wěn)幅電路的設(shè)計74.2鎖相環(huán)式頻率合成器的設(shè)計74.2.1鑒相器104.2.2壓控振蕩器114.2.3環(huán)路濾波器124.2.4鎖相環(huán)（pll）技術(shù)基本原理134.2.5pll頻率合成電路的設(shè)計154.3前置分頻器184.4低通濾波器194.5單片機控制電路的設(shè)計204系統(tǒng)軟件設(shè)計225.1程

8、序設(shè)計225.1.1設(shè)定a、n值，以得到需要的輸出頻率235.2系統(tǒng)的仿真265系統(tǒng)調(diào)試276結(jié)束語28參考文獻(xiàn)29附 錄30附錄1：元器件清單30附錄2：電路原理圖31附錄3：程序35謝 辭361.引 言 振蕩器用于產(chǎn)生一定頻率和幅度的信號，它不需要外加輸入信號的控制，就能自動的將直流電流轉(zhuǎn)換為所需的交流能量輸出。 振蕩器的種類很多，根據(jù)產(chǎn)生振動波形的不同，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器，本設(shè)計只討論正弦波振蕩器的有關(guān)內(nèi)容，正弦波按組成原理來看，可分為反饋振蕩器和負(fù)阻振蕩器，前者是利用正反饋原理構(gòu)成的；后者是利用負(fù)阻期間的負(fù)阻效應(yīng)來產(chǎn)生振蕩的，不過反饋振蕩器本質(zhì)上也是一種負(fù)阻振蕩器。振蕩

9、器現(xiàn)在在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，例如，在無線電通信、廣播、電視設(shè)備中用于產(chǎn)生所需要的載波和本機振蕩信號；在電子測量儀器中用來產(chǎn)生各種頻段的正弦信號等。對這些振蕩器的主要要求是應(yīng)該有較高的振蕩頻率和振蕩幅度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定度，其中頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定度最為重要。1.1系統(tǒng)設(shè)計的目了解、分析振蕩器設(shè)計的基本技術(shù)和發(fā)展方向；掌握信號lc振蕩器電路的主要技術(shù)指標(biāo)、電路結(jié)構(gòu)和工作原理。1.2系統(tǒng)設(shè)計的意義振蕩器自誕生以來就一直在通信、電子、航海航空航天以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域扮演重要的角色，具有廣泛的用途。在無線電技術(shù)發(fā)展的初期，它就在發(fā)射機中用來產(chǎn)生高頻載波電壓，在超外差接收機中用作本機振蕩器，成為發(fā)射和

10、接受設(shè)備的基本部件。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，振蕩器的用途也越來越廣泛，例如在無線電測量儀器中，它產(chǎn)生各種頻段的正弦信號電壓：在熱加工、熱處理、超聲波加工和某些醫(yī)療設(shè)備中，它產(chǎn)生大功率的高頻電能對負(fù)載加熱；某些電氣設(shè)備用振蕩器做成的無觸點開關(guān)進(jìn)行控制；電子鐘和電子手表采用頻率溫度度很高的振蕩電路作為定時部件等。尤其在通信系統(tǒng)中，電壓振蕩器是其中的關(guān)鍵部件，特別是在鎖相環(huán)電路、時鐘恢復(fù)電路和頻率綜合器電路等更是重中之重，可以毫不夸張地說在電子通信技術(shù)領(lǐng)域，vco幾乎與電流源和運放具有同等重要的地位。電壓控制振蕩器是如今使用非常廣泛的一類電子器件，為電一光轉(zhuǎn)換電路、移動式手持設(shè)備等提供了很好的解決方案。

11、在lc振蕩器中的lc回路中，使用電壓控制電容器，就可以在一定的頻率內(nèi)構(gòu)成點協(xié)調(diào)振蕩器。即電壓控制lc振蕩器。壓控振蕩器可廣泛用于頻率調(diào)制器，鎖相環(huán)路，以及無線發(fā)射機和接收機中。1.3研究范圍及要達(dá)到的參數(shù)壓控振蕩器的類型有l(wèi)c壓控振蕩器、rc壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。根據(jù)所產(chǎn)生的波形不同，可將振蕩器分成正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩大類。前者能產(chǎn)生正弦波，后者能產(chǎn)生矩形波、三角波、鋸齒波等。常用正弦波振蕩器主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反饋放大器組成，這就是反饋振蕩器。按照選頻網(wǎng)絡(luò)所采用元件的不同，正弦波振蕩器可分為lc振蕩器、rc振蕩器和晶體振蕩器等類型。本電壓控制lc振蕩器系

12、統(tǒng)包括壓控振蕩器（vco），高頻功率放大器（rfamp），單片機測頻系統(tǒng)。本系統(tǒng)的vco部分采用了大變化范圍的變?nèi)荻O管做振蕩電容，頻率調(diào)節(jié)范圍寬，在輸入電壓從0.5v變化到8v時，輸出頻率可以從14mhz變化到39mhz，且能保持良好的線性度，振蕩環(huán)路加入了防振措施，高次諧波能得到很好的抑制，輸出的正弦波波形良好，純度高，失真低，幅度高且穩(wěn)定。本系統(tǒng)使用單片機控制，從操作的靈活性和可靠性方面考慮，（rfamp）只設(shè)計兩級，輸入級是選頻電壓放大，諧振在30mhz；輸出級由于接成e類開關(guān)型放大器，搭接50歐負(fù)載時輸出大功率和高效率的30mhz高頻信號毫不費力。1.4 本課題應(yīng)解決的主要問題 通過

13、單片機at89c51控制頻率合成器mc145152的分頻系數(shù)a和n,以改變輸出頻率的大小。所采用單片機有32個i/o口，而mc145152就需要19個i/o口，可實現(xiàn)控制，無需要增加哦i/o口。大規(guī)模集成pll芯片mc145152,前置分頻器mc12022，vco選用mc1648，環(huán)路濾波器lm358和rc電路構(gòu)成鎖相環(huán)路設(shè)計，達(dá)到功能齊全，可靠性高，抗干擾性強的特點。2.系統(tǒng)設(shè)計要求和設(shè)計方案設(shè)計要求是一個設(shè)計必須要求達(dá)到的目的或完成的目標(biāo)，而設(shè)計方案是系統(tǒng)實現(xiàn)的重要途徑，同樣必不可少的。2.1系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)與電子電路設(shè)計有關(guān)的國家和行業(yè)的法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范；本電壓控制lc振蕩器設(shè)計任務(wù)書

14、要求的技術(shù)范圍。2.2系統(tǒng)設(shè)計的要求（1）振蕩器輸出為正弦波，波形無明顯失真。（2）輸出頻率范圍：1535mhz。（3）輸出頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于。（4）輸出電壓峰峰值 =1v±0.1v。（5）實時測量并顯示振蕩器輸出電壓峰-峰值，精度優(yōu)于10。 （6）可實現(xiàn)輸出頻率步進(jìn)，步進(jìn)間隔為1mhz±100khz。2.3系統(tǒng)的性能指標(biāo)一個振蕩器除了它的輸出信號滿足一定的頻率和幅度外，還必須保證輸出信號頻率和幅度的穩(wěn)定，頻率穩(wěn)定度和幅度穩(wěn)定度是振蕩器兩個重要的性能指標(biāo)，而頻率穩(wěn)定度尤為重要。2.4系統(tǒng)的方案論證2.4.1電壓控制lc振蕩器的設(shè)計與比較 人們通常把壓控振蕩器稱為調(diào)頻器，用以生

15、產(chǎn)調(diào)頻信號。在自動頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個受控部件。振蕩器的比較 : 在各種振蕩電路中，lc振蕩電路是比較常見的一種。常用的lc振蕩器有以下幾種： 方案一：采用互感耦合振蕩器形式。調(diào)基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時，振幅比較穩(wěn)定。調(diào)發(fā)電路只能解決起始振蕩條件和振蕩頻率的問題，不能決定振幅的大小。調(diào)集電路在高頻輸出方面比其他兩種電路穩(wěn)定，幅度較大諧波成分比較小。互感耦合振蕩器在調(diào)整反饋（改變耦合系數(shù)）時，基本上不影響振蕩頻率。但由于分布電容存在，在頻率較高時，難于做出穩(wěn)定性高的變壓器，而且靈活性較差。一般應(yīng)用于中、短波波段。 方案二：采用電

16、感三點式振蕩。由于兩個電感之間有互感存在，所以很容易起振。另外，改變諧振回路的電容，可方便地調(diào)節(jié)振蕩頻率，由于反饋信號取自電感兩端壓降，而電感對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，故不能抑制高次諧波的反饋，因此振蕩器輸出信號中的高次諧波成分較大，信號波形較差。方案三：采用電容三點式振蕩器。電容三點式振蕩電路的基極和發(fā)射極之間接有電容，反饋信號取自電容兩端，它對諧波的阻抗很小，諧波電壓小，因而使集電極電路電流中的諧波分量和回路的諧波電壓都較小。反饋信號取自電容兩端，由于電容對高次諧波呈現(xiàn)較小的容抗，因而反饋信號中高次諧波分量小，故振蕩輸出波形好，而且電容三點式振蕩器的頻率穩(wěn)定，適于較高工作頻率。 圖1電容三大式

17、振蕩器方案四：集成電路振蕩器。采用壓控振蕩器芯片mc1648和變?nèi)荻O管mv209，外接一個lc振蕩回路構(gòu)成變?nèi)荻O管壓控振蕩器。只需要調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管兩端的電壓，即可改變mc1648的輸出頻率。由于采用了集成芯片，電路設(shè)計簡單，系統(tǒng)可靠性高，并且利用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)可以使輸出頻率穩(wěn)定度進(jìn)一步提高。考慮到本設(shè)計要求輸出波形良好，輸出頻率穩(wěn)定及要求頻帶較寬，故選擇方案四，利用壓控振蕩芯片mc1648和變?nèi)荻O管mv209,外加一個lc并聯(lián)諧振回路構(gòu)成壓控振蕩器。2.4.2功率放大器的設(shè)計和比較 高頻功率放大器有多種形式，有甲類（=）、乙類（=）、丙類（<）、丁類。理論上說導(dǎo)通角越小即導(dǎo)通時

18、間越短，電路工作的效率越高，但為還原初始信號所需的后級電路也越復(fù)雜。 甲類互補放大器和乙類放大器適用于線性放大，多用于寬帶功率放大，但是效率較低，理論最大值分別為50%和78.5%；丙類和丁類適用于固定頻率的放大（諧振放大）。 按題目要求，需要設(shè)計工作在30mhz，輸出功率p>=20mw的功率放大器。該放大器屬于固定頻率上的放大器，丁類在規(guī)定時間內(nèi)較難設(shè)計制作，由于放大器效率較高而且容易制作和調(diào)試，所以選擇用丙類諧振放大器，在丙類放大前加一個甲類放大以產(chǎn)生足夠的激勵電壓，輸出大于20mw的效果。lc振蕩器控制信號的實現(xiàn)比較： 方案一：采用普通電壓源，通過滑動變阻器改變lc振蕩器的輸入電壓

19、來實現(xiàn)對lc輸出頻率的控制，這種方案可以實現(xiàn)較小的頻率間隔，但實際操作比較困難，且誤差較大、穩(wěn)定度很低。方案二：采用vco，函數(shù)發(fā)生器，如icl8038。它通過改變外加控制電壓，改變芯片內(nèi)的電容充電電流，從而可以輸出一定頻率的正弦波。但是其輸出的頻率較低，而且頻率的穩(wěn)定度底，頻率的步進(jìn)難以控制。 方案三：采用鎖相環(huán)路技術(shù)，利用鎖相環(huán)，使振蕩器（vco）的輸出頻率鎖定在所需的頻率上，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的vco控制電壓，這樣大大提高了控制信號的穩(wěn)定性，而且性能可靠、使用方便以及多功能等優(yōu)點。因此，根據(jù)本課程設(shè)計要求我們采用方案三的設(shè)計。2.4.3頻率控制方式的比較方案一：利用電位器分壓電路，通過改變電位

20、器的分壓比來改變變?nèi)莨艿姆聪嗥珘?，從而改變振蕩器的振蕩頻率。該電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，容易制作。但是電位很難實現(xiàn)對頻率的精確控制，且電位器容易磨損，噪聲大，受溫度的影響也大。方案二：利用dac芯片輸出控制電壓，通過單片機輸出數(shù)據(jù)經(jīng)d/a器件轉(zhuǎn)換成模擬電壓控制振蕩器的頻率。此電路控制的振蕩器頻率值的步進(jìn)精度取決于d/a器件的轉(zhuǎn)換精度。該電路的結(jié)構(gòu)也比較簡單，頻率調(diào)節(jié)是數(shù)碼控制，可以大大減少噪聲。在固定的vco輸入電壓上，輸出頻率值是有一定的波動的，使得從dac輸出的數(shù)據(jù)與實際輸出的頻率不能一一對應(yīng)。dac的調(diào)節(jié)作用要經(jīng)過單片機的運算處理，這樣就有一個延時的過程，導(dǎo)致頻率的自動調(diào)整滯后。方案三：

21、頻率合成器直接式頻率合成器：采用直接式頻率和成技術(shù)，將一個或幾個晶體振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生一系列頻率，然后再對這些頻率進(jìn)行倍頻、分頻或混頻，獲得大量的離散頻率。其組成框圖如圖2所示。直接式頻率合成器頻率穩(wěn)定度高，頻率轉(zhuǎn)換時間短，頻率間隔小。但系統(tǒng)中需要大量的混頻器、濾波器等，體積大，易產(chǎn)生過多雜散分量，而且成本高，安裝調(diào)試都比較困難。 圖2直接頻率合成器 模擬鎖相式頻率合成器：采用模擬鎖相式頻率合成器技術(shù)，通過環(huán)路分頻器降頻，將vco的頻率降低，與參考頻率進(jìn)行鑒相。優(yōu)點是：可以得到任意小的頻率間隔；鑒相器的工作頻率不高，頻率變化范圍不大，比較好做，帶內(nèi)帶外噪聲和鎖定時問易于處理

22、。不需要昂貴的晶體濾波器，頻率穩(wěn)定度與參與晶振的頻率穩(wěn)定度相同。缺點是分辨率的提高通過增加循環(huán)次數(shù)來實現(xiàn)，電路超小型化和集成化比較復(fù)雜。數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成器：采用數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成技術(shù)，由晶振、鑒頻/鑒相（pf/pf）、環(huán)路濾波器（lpf）、可變分頻器、和壓控振蕩器（vco）組成。圖3為其組成框圖。利用鎖相環(huán)，將vco的輸出頻率鎖定在所需要的頻率上?？梢院芎玫倪x擇所需要頻率信號，抑制雜散分量，并且避免了大量的濾波器，采用大規(guī)模的集成芯片，與前兩種方案相比可以簡化頻率合成的部分設(shè)計，有利于集成化和小型化。頻率合成采用大規(guī)模集成pll芯片mc145152；前置分頻器選用芯片mc12022，vc

23、o選用mc1648；環(huán)路濾波器采用運放lm358和rc電路組成，即可完成鎖相環(huán)路的設(shè)計。利用該方法設(shè)計簡單，功能齊全，可靠性高，抗干擾性強。 圖3鎖相環(huán)式頻率合成器基本組成框圖 綜上所述，選擇方案三中的采用大規(guī)模pll芯片mc145152和其他芯片構(gòu)成數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成器。2.4.4控制模塊的設(shè)計方案論證與選擇 方案一：單片機控制 利用單片機控制集成芯片mc145152的分頻系數(shù)a和n，以改變輸出頻率的大小。由于本設(shè)計不需要顯示，所采用單片機有32個i/o口，而mc145152就需要19個i/o口，可實現(xiàn)控制，無需要增加i/o口，電路簡單。 方案二：利用fpga來控制 fpga的運行速度快，

24、資源豐富，使用方便靈活，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。高系統(tǒng)的穩(wěn)定度和抗干擾性。 綜上所述，選擇方案一更合理一些，資源就不會那么浪費，電路簡單，便于實現(xiàn)。2.4.5穩(wěn)幅電路的設(shè)計方案論證與選擇 方案一：采用交流電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路實現(xiàn)穩(wěn)幅電路 在放大電路中引入交流電壓并聯(lián)負(fù)反饋。反饋網(wǎng)絡(luò)由一個可變電阻組成，穩(wěn)定輸出電壓。但引入交流負(fù)反饋，因而環(huán)境溫度變化、電源電壓波動等原因引起的放大倍數(shù)的變化將減小，是以犧牲放大倍數(shù)為代價的。方案二：采用自動增益(agc)電路實現(xiàn)的穩(wěn)幅電路。由于vco芯片mc1648內(nèi)部有agc電路，通過agc自動增益控制電路，在輸入信號電平變化時，用改變增益的辦法維持輸出信號電平基本上不

25、變。利用該方法可以進(jìn)一步提高輸出電壓的穩(wěn)定度。保證在15-35mhz的頻率范圍內(nèi)，輸出電壓峰峰值控制在1v±0.1v。綜上所訴，選擇方案二采用交流電壓負(fù)反饋電路和agc電路作為穩(wěn)幅電路。3.系統(tǒng)硬件設(shè)計經(jīng)過方案比較與論證，最終確定的系統(tǒng)組成框圖如圖4所示，其中的集成電路mc1648、mc145152、mc12022、低通濾波器和晶振構(gòu)成鎖相環(huán)頻率合成器，單片機控制頻率的步進(jìn)，由于電路中既有數(shù)字電路又有高頻電路，需將高頻電路用金屬屏蔽罩隔離，以減少交叉調(diào)制等干擾。頻率測量輸出a/d鍵盤壓控lc振蕩器lfpd可控分頻器開關(guān)參考時鐘d/a89c51單片機液晶顯示峰值檢波可控增益放大器d/a

26、開關(guān)功放功率輸出 圖4系統(tǒng)的方框圖 本系統(tǒng)以89c51單片機為核心，以4*4鍵盤，128*64點陣液晶構(gòu)成人機接口，輔助以512kb flash存儲器w29c040，內(nèi)裝漢字庫和圖標(biāo)，圖形等可以構(gòu)成友好的人機界面。利用8255擴(kuò)展并口，ds12c887提供系統(tǒng)時鐘。將片外低32k地址分配給外部程序存儲器28c256，為使用方便，設(shè)計成與靜態(tài)ram62256兼容方式3.1 壓控振蕩器和穩(wěn)幅電路的設(shè)計lc壓控振蕩器主要由壓控振蕩芯片mc1648、變?nèi)荻O管mv209以及l(fā)c振蕩回路構(gòu)成。mc1648需要外接一個由電感和電容組成的并聯(lián)諧振回路。為達(dá)到最佳工作性能，在工作頻率要求并聯(lián)諧振回路的100。

27、電源采用+5的電壓，一對串聯(lián)變?nèi)荻O管背靠背與該諧振回路相連，振蕩器的輸出頻率隨加在變?nèi)荻O管上的電壓大小改變而改變。 圖5壓控振蕩電路圖 壓控振蕩電路由芯片內(nèi)部的、,10腳和12腳外接lc諧振回路（含mv209）組成正反饋（反相720°）。其振蕩頻率由圖5計算。 3-1 3-2 圖6 mc1648內(nèi)部電路圖 vco的芯片管腳3為緩沖輸出，供前置分頻器mc12022。該芯片的5腳是自動增益控制電路（agc）的反饋端。mc1648芯片內(nèi)部的agc電路（自動增益電路）維持vco輸出電壓的穩(wěn)定，使之不會因為頻率的變化而變化，且vco輸出的信號幅度基本上與輸出頻率無關(guān)。同時也具有較寬的壓控范

28、圍；調(diào)節(jié)使vco輸出為無明顯失真的正弦波。結(jié)合mc1648的內(nèi)部電路圖，可以得到：當(dāng)輸出電壓高于1v時，二極管d1反偏，電壓為負(fù)，使的基極電壓減小，集電極電壓增大，這樣的減小，電壓放大倍數(shù)減小，使得輸出電壓減小，穩(wěn)定在1v±0.1v，使得輸出電壓進(jìn)一步穩(wěn)定。 vco產(chǎn)生的振蕩頻率范圍和變?nèi)荻O管的壓容特性有關(guān)。圖7為變?nèi)荻O管的測試圖 ?？衫脠D中（a）所示的測量電路來測量變?nèi)荻O管mv209的壓容特性。（b）為其壓容特性和壓控振蕩器的壓控特性示意圖。從圖中可見變?nèi)荻O管的反偏電壓從到變化，對應(yīng)的輸出頻率范圍是到。在預(yù)先給定l的情況下，給變?nèi)荻O管加不同的電壓，測得對應(yīng)的諧振頻率，從

29、而可以計算出 的值。減小諧振回路的電感感抗，改變電容容量，不需要并聯(lián)二極管即可很容易地實現(xiàn)頻率擴(kuò)展，在試驗中利用該方法用單管電感，繞6圈，曾使輸出達(dá)到87mhz以上，本設(shè)計中通過該方法使輸出頻率的范圍擴(kuò)展到1445mhz. 圖7 變?nèi)荻O管的測試特性3.2鎖相環(huán)式頻率合成器的設(shè)計 鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型：鎖相環(huán)路的的性能主要取決于鑒相器、壓控振蕩器和環(huán)路濾波器三個基本組成部分，下面先對他們的基本特性予以說明。3.2.1鑒相器（pd）設(shè)壓控振蕩器的輸出電壓為 為： 3-3 式中，是壓控振蕩器未加控制電壓時固定振蕩角頻率：是以為參考的瞬時相位。 環(huán)路輸入電壓為： 3-4要對兩個信號的瞬時相位進(jìn)行比較，

30、需要在同一頻率上進(jìn)行。為此，可將輸入信號的總相位改寫成： 3-5 式中，是以為參考的輸入信號瞬時相位，它等于： 3-6將式3-5代入式3-3中，則得輸入信號的表達(dá)式為： 3-7 由式3-7和式3-3可知，和之間的瞬時相位差為： 3-8鑒相器有各種實現(xiàn)電路，例如采用相乘器的乘積型鑒相器和采用包絡(luò)檢波器的疊加性鑒相器，他們的鑒相特性均可表示為： 3-9式中，為鑒相器的最大輸出電壓。根據(jù)式3-9可作出鑒相器的相位模型，如圖8所示： 圖8正弦鑒位器的相位模型3.2.2壓控振蕩器 壓控振蕩器是一個電壓頻率變換裝置，它的振蕩頻率應(yīng)隨輸入控制電壓的變化而變化。一般情況下，壓控振蕩器的控制特性是非線性的。如圖

31、9（a）所示，圖中是未加控制電壓時壓控振蕩器的固有振蕩角頻率。不過，在附近的優(yōu)先范圍內(nèi)控制特性近似呈線性，因此，它的控制特性可近似用線性方程來表示，即： 3-10式中，a0為控制靈敏度，或稱增益系數(shù)，單位是rad/（s*v），它表示單位控制電壓所引起振蕩角頻率的變化量。 (b)vco相位模型 圖9壓控振蕩器的控制特性及其電路相位模型 由于壓控振蕩器的輸出反饋到鑒相器上，對鑒相器輸出誤差電壓起作用的不是其頻率而是其相位，因此對式3-10進(jìn)行積分，則得： 3-11 與式3-3相比較，可知： 3-12 由式3-12可見，就和之間的關(guān)系而言，壓控振蕩器是一個理想的積分器。因此，往往將它稱為鎖相環(huán)中的固

32、有積分環(huán)節(jié)。將式3-12中的積分符號改為微分算子的倒數(shù)來表示，則： 3-13由此可得到壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型，如圖9（b）所示。3.2.3環(huán)路濾波器在鎖相環(huán)路中常用的環(huán)路濾波器有rc積分濾波器、rc比例積分濾波器和有源比例積分濾波器等，他們的電路分別如圖10（a）（b）（c）所示。由圖可寫出他們的傳遞函數(shù)，現(xiàn)以圖（b）為例，得 3-14式中，分別為輸出和輸入電壓的拉式變化式，為復(fù)頻率，,。 圖10環(huán)路濾波器 如果將中的復(fù)頻率s用微分算子p替換，就可以寫出描述濾波器激勵和相位之間關(guān)系的微分方程，即： 3-15 由式3-15可得環(huán)路濾波器的電路模型，如圖11所示： 圖11環(huán)路濾波器的電路模型3.2.

33、4鎖相環(huán)（pll）技術(shù)的基本原理 圖12鎖相環(huán)基本原理框圖 一個基本的鎖相環(huán)路主要由相位比較器（pd）、低通環(huán)路濾波器（lpf）、壓控振蕩器（vco）組成，如圖12所示。相位比較器有兩個輸入端，一路來自輸出，一路來自基準(zhǔn)信號源，通過比較和的相位差輸出一個對應(yīng)的電壓。如果的相位超前于或是>，輸出一個負(fù)脈沖；如果的相位滯后于或是<，輸出一個正脈沖；通過低通濾波器變成一個控制電壓，如果是負(fù)脈沖，那么電壓下降，是正脈沖，那么電壓上升,送去控制壓控振蕩器使振蕩頻率產(chǎn)生變化，振蕩器輸出的頻率又返回到相位比較器繼續(xù)比較。若固定不變，那么鎖相的具體過程； ；上面這兩個過程段的重復(fù)，一直到，這時輸出

34、為某個特定值，頻率達(dá)到了穩(wěn)定值，也就是所謂的鎖住了相位。我們可以總結(jié)出鎖相環(huán)的性質(zhì)：能鑒別兩路頻率的相位差，并自動調(diào)整vco輸出頻率使反饋頻率和基準(zhǔn)頻率同相位，也就是使與同頻率。 圖13帶分頻的鎖相環(huán)實際的鎖相環(huán)路還加入了數(shù)字分頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了數(shù)字鎖相環(huán)，如圖13所示?；鶞?zhǔn)頻率通過n分頻器送到相位比較器，/n，輸出頻率通過m分頻器送到相位比較器另一端，因為鎖相環(huán)的鎖相作用，使,容易求得,由此式可見，只要固定，vco的輸出頻率范圍足夠?qū)?，通過適當(dāng)?shù)母淖僲和n，就可以控制輸出頻率的大小。如果是用晶體振蕩器產(chǎn)生，那么就具有與晶體振蕩器同等的精度和穩(wěn)定度。 圖14鎖相環(huán)基本原理框圖鎖相環(huán)的基本原理框圖如圖

35、14所示。采用鎖相環(huán)頻率合成，可以得到任意頻率步進(jìn)，同時頻率穩(wěn)定度與參考晶振相當(dāng)，可以達(dá)到。鎖相環(huán)路主要由晶振、參考分頻器、壓控振動器（vco）、鑒頻/鑒相器（fd/pd）、低通濾波器（lpf）、可編程分頻器組成。它是應(yīng)用數(shù)字邏輯電路將vco頻率一次或多次降低至鑒相器頻率上，再與參考頻率在鑒相電路中進(jìn)行比較，通過低通濾波器取出誤差信號來控制vco的頻率，使之鎖定在參考頻率的穩(wěn)定度上。由于采用了大規(guī)模集成電路塊mc145152，將圖中的晶振、參考分頻器、鑒頻鑒相器、可編程分頻器都集成在一個芯片中，不需要再單獨設(shè)計。同時利用單片機來控制mc145152，確定分頻系數(shù)a、n和頻率的對應(yīng)關(guān)系。 3.2

36、.5 pll頻率合成電路的設(shè)計鎖相環(huán)頻率合成器是以大規(guī)模集成pll芯片mc145152為核心設(shè)計的。mc145152是motorola公司生產(chǎn)的大規(guī)模集成電路，它是一塊采用并行碼輸入方式設(shè)置、由14根并行輸入數(shù)據(jù)編程的雙模cmos-lst鎖相環(huán)頻率合成器。圖15為其內(nèi)部組成方框圖。mc145152內(nèi)參考頻率振蕩器、可供用戶選擇的參考分頻器（1288rom參考譯碼器和12比a計數(shù)器）、雙端輸出的鑒相器、控制邏輯、10位可編程的10位比n計數(shù)器、6位可編程的6位比a計數(shù)器和鎖定檢測等部分。其中，10位比n計數(shù)器、6位比a計數(shù)器、模擬控制邏輯和外接雙模前置分頻器組成吞脈沖程序分頻器，吞脈沖程序分頻器

37、的總分頻比為：d=pn+a（a的范圍063，n的范圍31023）。由此可以計算出頻率和a、n值的對應(yīng)關(guān)系，利用單片機控制器改變其值，便可達(dá)到改變輸出頻率的目的。 圖15 mc145152內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖參考分頻器是為了得到所需的頻率間隔而設(shè)定的，頻率合成器的輸出頻譜是不連續(xù)的，兩個相鄰頻率之間的最小間隔就是頻率間隔。在mc145152中，外部穩(wěn)定參考源-oscm輸入，經(jīng)12位分頻將輸入頻率比r，然后送入fd/pd中。比r計數(shù)分頻器用于將晶振頻率降低作為參考頻率，可以控制輸出頻率間隔。r值可由ra0、ra1、ra2確定，如表1所示。 表1 mc145152參考分頻器分頻系數(shù)設(shè)置對照表 mc145152

38、的管腳排列如圖16所示。采用28腳dip封裝，各管腳功能如下： 引腳4、5、6（、）為參考地址碼輸入端，用于選擇參考分頻器的分頻比。通過128rom參考譯碼器和12bit r計數(shù)器進(jìn)行編程。分頻比有8種選擇，其參考地址碼與分頻比的關(guān)系如表1所列。引腳26、27（oscin、oscout）為參考振蕩端，當(dāng)兩個引腳接上一個并聯(lián)諧振晶體時，便組成一個參考頻率振蕩器。但在oscin到地和oscout到地之間一般應(yīng)接上頻率置定電容（一般為15pf左右）。oscin也可作為外部參考信號的輸入端。引腳1（voc）為輸入信號端，將輸入信號交流耦合到本引腳，其輸入信號頻率應(yīng)小于30mhz.引腳10、2125（a

39、5a0）為6bit比a計數(shù)器的分頻端。其預(yù)置數(shù)決定了/v(v+1)雙模前置頻器的/v(v+1)的次數(shù)。引腳1129（n9n0）為10bit/n計數(shù)器的分頻端。 圖16mc145152管腳排列引腳7、8（ 、）為鑒相器雙輸出端，用于輸出環(huán)路誤差信號。如果或的相位超前，則變?yōu)榈碗娖蕉詾楦唠娖?；如果或者的相位滯后，則跳為低電平而保持高電平；如果=并與同相，則與保持高電平，僅在一個很短的時間內(nèi)二者同時為低電平。引腳9（mc）為模式控制端，輸出的模式控制信號加到雙模分頻器即可實現(xiàn)模式變換。在，一個計數(shù)周期開始時，“mc”處于低電平，一直到a下行計滿編程的剩余值（na）。n計數(shù)器計滿量后，“mc”復(fù)位為

40、低，兩個計數(shù)器重新預(yù)置到各自的編程值上，再重復(fù)上述過程。引腳28（ld）為鎖定檢測端，用于鎖定輸出信號。當(dāng)環(huán)路鎖定時（即與同頻同相），該信號為高電平；當(dāng)環(huán)路失鎖時，ld為地電平。 圖17 mc145152電路原理圖mc145152的電路原理圖如圖17所示，該電路時利用單片機來控制內(nèi)部的分頻比和計數(shù)器來實現(xiàn)頻率的步進(jìn)的。該電路還有指示功能，當(dāng)頻率鎖定時，指示燈是亮的，沒有鎖定時指示燈不亮。3.3前置分頻器該分頻器是由控制端mc來實現(xiàn)分頻的。選用集成芯片mc12022，分頻比為p=63和64。mc12022受控于吞咽計數(shù)器的分頻比切換信號，也就是模式選擇信號m。當(dāng)m為高電平時，分頻比為p+1，當(dāng)m

41、為低電平時為p。mc145152內(nèi)的/n和/a計數(shù)器均為減法計數(shù)器，當(dāng)減到零時，/a計數(shù)器輸出由高變低，/n計數(shù)器減到零時輸出脈沖到fd/pd并同時將預(yù)置的n和a重新置入/a和/n計數(shù)器，利用這種方法可以方便的使總分頻比為連續(xù)數(shù)，總分頻比為d=pn+a。 (a) p/p+1前置分頻器 （b)吞咽脈沖計數(shù)示意圖 圖18吞咽式脈沖計數(shù)原理圖mc12022分頻電路原理圖如圖19所示，該電路的輸入端是接壓控振蕩器的輸出端，對產(chǎn)生的正弦波信號進(jìn)行分頻，其中有一個端是mc是個控制端，通過頻率合成器的控制來實現(xiàn)分頻的比，輸出是接頻率合成器的輸入端，此信號和基準(zhǔn)信號在頻率合成器中進(jìn)行比較。 圖19mc1202

42、2分頻電路原理圖3.4低通濾波器低通濾波器由運放lm358和rc電路組成，其電路圖如圖20所示。低通濾波器用于濾波鑒相器輸出的誤差電壓中的高頻分量和瞬變雜散干擾信號，以獲得更純的控制電壓，提高環(huán)路穩(wěn)定性和改善環(huán)路跟蹤性能和噪聲性能。鎖相穩(wěn)頻系統(tǒng)是一個相位反饋系統(tǒng)，其反饋目的是使vco得振蕩頻率由有偏差的狀態(tài)逐步過渡到準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)值。而vco如做調(diào)頻源用，其瞬間頻率總是偏離標(biāo)準(zhǔn)值的。振蕩器中心頻率不穩(wěn)定主要由溫度、濕度、直流電源等外界因素引起的，其變化是緩慢的，鎖相環(huán)只對vco平均中心頻率不穩(wěn)定所引起的分量（處于低通濾波器通帶之內(nèi)）起作用，使其中心頻率鎖定在設(shè)定的頻率上。因此，輸出的調(diào)頻波中心頻率

43、穩(wěn)定度很高。根據(jù)式3-16可以算出低通濾波器的截止頻率，一般情況下該截止頻率小于10hz。理論上環(huán)路濾波器的通帶應(yīng)該盡量小，但是成本、體積也隨之增加，幾赫茲已經(jīng)能滿足要求。 3-16 圖20濾波電路3.5單片機控制電路的設(shè)計 本設(shè)計的控制電路是采用單片機來實現(xiàn)的，其中單片機電路中采用的是單片機的最小系統(tǒng)，其中包括時鐘電路、復(fù)位電路、鍵盤控制電路，通過鍵盤控制來實現(xiàn)步進(jìn)頻率。 圖21單片機控制電路 單片機的時鐘電路如原理圖所示，在引腳xtal1和xtal2跨接晶振和微調(diào)電容就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。 系統(tǒng)板上采用

44、上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位方式，上電復(fù)位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。手動復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機運用器件，用按鈕開關(guān)操作使單片機復(fù)位。其電源原理圖如圖21所示。上電自動復(fù)位接通而實現(xiàn)的。 其中s1、s3、s4、s5、是用來調(diào)節(jié)步進(jìn)頻率的，s2為用來增加頻率的，按一下頻率就會按照步進(jìn)的數(shù)值增加，s3是用來減小頻率的，同s2的功能相反。初始步進(jìn)式100khz，當(dāng)按s4時變?yōu)?00khz，是增加的，而s5是減小的。 單片機的p0和p2是用來控制mc145152，使壓控振蕩器輸出的頻率增加一個步進(jìn)頻率，而p1口的p10、p11、p12也是來控制mc145152，但是它是改變步進(jìn)頻率的

45、，使頻率在不同數(shù)值的增長。頻率的計算：vco輸出頻率的范圍是15-35mhz。首先應(yīng)該確定參考頻率，為步長（頻率間隔）的整數(shù)倍。頻率間隔可由式4-17確定。 3-17由于r值是固定的，只能從8個參考值中選擇，采用10.2400mhz的晶振作為標(biāo)準(zhǔn)頻率。對其進(jìn)行除以r分頻。r取2048，進(jìn)行分頻得到5khz的脈沖信號作為頻率間隔。該值可通過單片機改變。由確定的n值和a值的范圍應(yīng)該在mc145152范圍內(nèi)（a的范圍063，n的范圍31023），并且必須滿足n>a.采用吞咽脈沖計數(shù)的方式，式3-17為總分頻比。只要n>a，盡管p為固定值，但合理選擇n和a的值，即可連續(xù)性。 3-18此時被

46、鎖定在： 3-19 其中n為31023；a為063；p=64（由mc12022確定）?，F(xiàn)舉例計算確定a、n的值，使輸出頻率為=5khz,步長=5kmhz（前面已經(jīng)給出計算過程）。由式3-19計算可得：（pn+a）=5m/5k=1000,1000/64=15.625。由此可得：n=15，a=0.625*64=40.通過此方法可以方便的計算出每個頻率對應(yīng)的參數(shù)。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1程序設(shè)計主程序設(shè)計思想：軟件采用模塊化設(shè)計方式，將各個功能分成獨立模塊，有系統(tǒng)和監(jiān)控程序一起管理執(zhí)行。軟件設(shè)計的關(guān)鍵是對pll芯片mc145152的控制。軟件實現(xiàn)的功能是：設(shè)定頻率間隔，即確定調(diào)頻步進(jìn)。4.1.1設(shè)定a

47、、n值，以得到需要的輸出頻率 如圖22所示軟件設(shè)計流程圖，選用晶振頻率為10.24mhz，首先確定其頻率間隔，使步進(jìn)頻率為1mhz，a、n值的計算可由前述的公式來完成，但在編程過程中并不是將該算法存于程序，而是尋找a、n的變化規(guī)律，找到簡單的計算方法。表2為步進(jìn)頻率為1mhz時對于的a、n值，其中只摘取了一部分頻段，通過觀察可發(fā)現(xiàn)其規(guī)律。圖22為軟件設(shè)計的流程圖，圖23為參數(shù)計算流程圖。 表2頻率間隔1mhz時對應(yīng)的a、n值 圖22軟件設(shè)計流程圖 圖23參數(shù)計算流程圖4.2系統(tǒng)的仿真電路設(shè)計制作完成后，首先在proteus軟件上畫好自己設(shè)計的電路圖，之后將所編的程序用keilc51uvisio

48、n2進(jìn)行程序的調(diào)試和編譯，然后生成hex文件。再將生成的hex文件加載到proteus軟件里面的單片機at89c51中，觀察是否有期待的仿真結(jié)果，經(jīng)過多次修改，最終得到期待的仿真結(jié)果，由此便將可行的程序確定下來。系統(tǒng)整體電路仿真圖如圖24所示。5.系統(tǒng)調(diào)試 在仿真結(jié)果正確的基礎(chǔ)上，在實驗板上進(jìn)行實物的制作。振蕩芯片mc1648和變?nèi)荻O管mv209,外接一個lc振蕩回路構(gòu)成變?nèi)荻O管壓控振蕩電路，只要改變二極管兩端的電壓，即可改變mc1648的輸出頻率。并且利用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，采用大規(guī)模pll芯片mc145152和其他芯片構(gòu)成數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成器，并且利用mc145152的分頻系數(shù)a、n

49、值而改變輸出頻率，且輸出頻率穩(wěn)定度進(jìn)一步提高。 本設(shè)計的控制電路是采用單片機來實現(xiàn)的,單片機的p0和p2是用來控制mc145152，使壓控振蕩器輸出的頻率增加一個步進(jìn)頻率，而p1口的p10、p11、p12也是來控制mc145152，但是它是改變步進(jìn)頻率的，使頻率在不同數(shù)值的增長。輸入控制程序，通過變?nèi)荻O管改變輸入振蕩器的輸入電壓從而達(dá)到振蕩器的振蕩頻率改變。調(diào)節(jié)使vco輸出為無明顯失真的正弦波，又由mc1648的工作原理知，當(dāng)輸出電壓高于1v時，二極管d1反偏，電壓為負(fù)，使的基極電壓減小，集電極電壓增大，這樣的減小，電壓放大倍數(shù)減小，使得輸出電壓減小，穩(wěn)定在1v±0.1v，使得輸出

50、電壓進(jìn)一步穩(wěn)定。 6.結(jié)束語 此次畢業(yè)設(shè)計我投入了大量時間和精力，一路走來，受益匪淺。本設(shè)計主要是利用集成的振蕩芯片代替了分立元件的元件來實現(xiàn)的，還有利用數(shù)字頻率合成技術(shù)來實現(xiàn)步進(jìn)的，其精確度達(dá)到設(shè)計的要求，更比設(shè)計要求還高，再次利用單片機控制電路來實現(xiàn)步進(jìn)的控制。這段時間我認(rèn)真學(xué)習(xí)了有關(guān)lc振蕩器設(shè)計的知識，從壓控振蕩器電路的方案論證，到單元電路設(shè)計，再到總的電路設(shè)計，最后到控制程序設(shè)計。并且在學(xué)習(xí)過程中了解到電壓控制振蕩器如今是使用非常廣泛的一類電子器件，為電光轉(zhuǎn)換電路、移動式手持設(shè)備提供了很好的解決方案。電壓控制振蕩器在國外的通信、電子、航海航空航天以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域扮演著重要的角色，和國內(nèi)

51、差不多，也在各方面產(chǎn)生重要的作用和效果。在無線電測量儀器中，它產(chǎn)生各種頻段的正弦信號電壓：在熱加工、熱處理、超聲波加工和某些醫(yī)療設(shè)備中，它產(chǎn)生大功率的高頻電能對負(fù)載加熱；某些電氣設(shè)備用振蕩器做成的無觸點開關(guān)進(jìn)行控制；電子鐘和電子手表采用頻率溫度度很高的振蕩電路作為定時部件等。尤其在通信系統(tǒng)中，電壓振蕩器是其中的關(guān)鍵部件，特別是在鎖相環(huán)電路、時鐘恢復(fù)電路和頻率綜合器電路等更是重中之重，可以毫不夸張地說在電子通信技術(shù)領(lǐng)域，vco幾乎與電流源和運放具有同等重要的地位。總之,國內(nèi)和國外對電壓控制lc振蕩器的研究一直沒有停息過，都在不斷地改革和創(chuàng)新，不斷地去在這個方面研究出更高的層次，讓其在我們的工農(nóng)業(yè)中起到輔助作用，提高我們工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地