電壓控制LC振蕩器學校

1、課程設(shè)計任務(wù)書1. 設(shè)計目的：1）綜合運用所學的理論知識，掌握一般電子線路分析和設(shè)計的基本方法和步驟；2）培養(yǎng)一定的獨立分析問題、解決問題的能力；3）實踐利用PROTEL99SE軟件繪制電子線路原理圖；4）學會說明書的規(guī)范整理和書寫。2. 設(shè)計內(nèi)容和要求名稱：電壓控制LC振蕩器要求：1 . 振蕩器輸出為正旋波，波形無鳴謝失真2 . 輸出頻率 范圍：15MHZ35MHZ3. 輸出頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于0.014. 輸出 電壓峰值：Vpp=1V+0.1V5. 實時測量并顯示振蕩器輸出電壓峰值，精度優(yōu)于10%?？蓪?現(xiàn)輸出頻率步 進，步 進間隔1MHZ+100MHZ3. 設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求包括課程

2、設(shè)計計算說明書（論文）、圖紙、 實物樣品等：1）課程設(shè)計說明書一份；2）電子文檔一份課程設(shè)計任務(wù)書4. 主要參考文獻:1畢滿清主編電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計第3版.北京：機械工業(yè)出版社，20052陳曉文主編電子線路課程設(shè)計.第1版.北京：電子工業(yè)出版社，20045. 設(shè)計成果形式及要求：1）用計算機仿真PROTEL99SE軟件制圖;2）課程說明書用計算機打印，并裝訂；6. 工作計劃及進度：2007年1月15日1月16日分析設(shè)計任務(wù)書，查閱相關(guān)資料及設(shè)計手冊；2007年1月17日1月20日確定系統(tǒng)方案，組成模塊框圖，設(shè)計各模塊電路;2007年1月21日1月23日分析電路各參數(shù)及其特性并繪制電子線路原

3、理圖、2007年1月24日1月25日按格式要求撰寫課程設(shè)計說明書2007年1月26日成績考核系主任審查意見：簽字： 年月日目錄1引言：12設(shè)計任務(wù)及要求：13LC壓控振蕩器電路的原理及選擇：14 系統(tǒng) 簡介 ： 44.1 系 統(tǒng)組 成： 44.2 系 統(tǒng)工 作過 程簡 介 ： 55 壓 控 LC 振蕩 器電 路設(shè) 計（ vco 電 路） ： 66 峰值 檢測 電路 ： 67 高頻 功率 放大 電路 的設(shè) 計： 78 測試 方法 與測 試數(shù) 據(jù) ： 88.1 測 試儀 器： 88.2 測試指 標： 88.3 數(shù) 據(jù)的 測量 及計 算： 89 心得 體會 ： 910 參考 文 獻： 101. 引言

4、隨著人們生活水平的不斷提高和電子科技的飛速發(fā)展，特別是近年來物質(zhì)生 活水平的提高，人們相互之間交往所利用的通信手段也越來越多，人們不斷追求 生活方式的多樣化和個性化；電子科學的發(fā)展尤其是無線通信的快速發(fā)展給人們 工作和生活注入了新的色彩；人們可以隨心所欲地享受著無線通信工具所帶來的 樂趣。實驗 和課 程設(shè) 計都 是 電子 技術(shù) 基礎(chǔ) 課程 中重要 的實 踐性 環(huán)節(jié) ，對培 養(yǎng)學 生理 論聯(lián) 系實 際的 能 力起 重要 作用 。本 次課程 設(shè)計 的宗 旨是 ：教學 基本 要求 ，結(jié) 合目 前學 校 課程 設(shè)計 的實 際需 求。便 宜學 生做 答， 有利于 學生 的能力培養(yǎng)。LC振器是高頻中的中要

5、部分，這個設(shè)計有利于讓學生更好 的鞏 固知 識， 對 LC 振蕩 器有 更好 的了 解。2. 設(shè)計及要求名稱 ：電 壓控 制 LC 振蕩 器要求 ：振蕩 器輸 出為 正旋 波 ，波 形無 鳴謝 失真輸出 頻率 范圍：15MHZ35MHZ輸出頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于0.01輸出 電壓 峰值：Vpp=1V+0.1V實時測量并顯示振蕩器輸出電壓峰值，精度優(yōu)于10%?？蓪?現(xiàn)輸 出頻 率步 進，步 進間隔1MHZ+100MHZ3. LC振蕩器電路的原理及選擇正弦波振蕩器按工作原理可分為反饋式振蕩器與負阻式振蕩器兩 大類。反饋式三端LC振蕩器比較常用的電路形式又可以分為兩大類： 電感反饋式三端振蕩器與電容反饋式

6、三端振蕩器。電感反饋振蕩電路容易起振，但電感反饋支路為感性支路，對 咼 次諧波呈現(xiàn)高阻抗，故對回路中的高次諧波反饋較強，波形失真較大； 另外，由于兩個電感元件上的分布電容并聯(lián)于電感元件的兩端，工作頻 率越高，分布電容的影響也愈嚴重，這就 使得電感反饋式三端振蕩電路 的工作頻率不能太高。電容三端振蕩器的優(yōu)點是輸出波形較好，該電 路中的不穩(wěn)定電容（分 布 電容，器件的結(jié)電容等）都是 與該電路并聯(lián)的，因此適當加大回路電容 量，就可以減弱不穩(wěn)定的分布電容對振蕩頻率的影響，提高了頻率穩(wěn)定 度。在這里，我們選擇了電容三端振蕩器電容三端振蕩器交流等效電路如圖1所示圖1電容三端振蕩器交流等效電路此電路為西勒振

7、蕩器，該電路具有頻率穩(wěn)定度好，振蕩頻率較高,波段范圍內(nèi)幅度比較平穩(wěn)等優(yōu)點。其中振蕩頻率由C3、C4和L決定,頻率計算公式為:1勿）L（C3 十 C4）1實際上為了能用電壓控制頻率，C4用變?nèi)荻O管來代替。（1）高頻功率放大電路的選擇：高頻功率放大器要求能實現(xiàn)對30MHz選頻放大，由于功率要求是20mW 且設(shè)計的VCO輸出波形幅度高，我們只設(shè)置兩級放大，一級為電壓放大 級，一級為功率輸出級。電壓放大級采用普通的選頻放大器，諧振于 30MHz。輸出級有幾種形式：1、直接放大，如圖2（ A）。2、推挽式功 率放大，如圖2（ B） 。 3、開關(guān)功率放大，如圖2（ C）。+ VCC圖 2（ A）直接放大

8、圖2（ B）推挽式功率放大圖2 ( C)開關(guān)功率放大圖2 ( A)直接放大型工作于丙類(高頻功率放大器一般不工作在甲 類或乙類)，靜態(tài)工作點較高，在沒有信號輸入時仍要消耗一定的功率， 效率極低。丙類放大器單管工作，其高 次諧波豐富，尢其是在高次諧波 中，二次諧波幅度較高。對于選頻功率放大器來說，高幅度的二次諧波 吸收了一部分的功率，不利于基波的放大和效率的提高，所以 此方案不 予采用。圖2( B)用兩只三極管接成推挽式功率放大器，這種電路也叫做D 類放大器，靠兩 只管子輪流導(dǎo)通完成正負半周的放大。該電路靜態(tài)電流 可以置得很小或是完全截止，效率可以做得很高，按理論值，D類放大 器的效率可達100

9、%(在低頻時)。但是實際上，推挽功率放大器在開關(guān)轉(zhuǎn) 換的瞬間是存在著較大的導(dǎo)通電流，有一 定的功耗，而且 功耗隨著開關(guān) 頻率的升高而不斷地增大，這就 使功放的頻率上限受到限制了。一般此 種功率放大器用于較低頻率的放大上，比如調(diào)幅廣播的發(fā)射，而對于 30MHz的頻率,我們不采用.圖2(C)是開關(guān)式功率放大器，也叫E類放大器,它和D類放大器一 樣管子是工作在開關(guān)狀態(tài)。在晶體三極管導(dǎo)通和斷開瞬間，由于電感L2 的作用,避免產(chǎn)生大的電壓或電流，這就減小了器件的開關(guān)功耗,效率也 得到了提高。這種放大器的主要問題是，由于晶體管工作在開關(guān)狀態(tài),對 于連續(xù)變化的正弦波,通過開關(guān)轉(zhuǎn)換后，出來的是失真的斷續(xù)的波形

10、；電 感L2 一般較大，它 的存在會降低放大器的速度，但是可以證明，通過在 后面 搭接適當?shù)腖C濾波和匹配網(wǎng)絡(luò)，可以還原出原始的正弦波信號， 也可以使它的瞬態(tài)響應(yīng)達到最隹。放大30MHz的信號絲毫沒有問題。經(jīng) 過考慮，我們采用了這種開關(guān)型功率放大器(2)頻率控制方式的選擇。設(shè)計要求振蕩器的頻率要用電壓來控制，可以采用變?nèi)荻O管代替 振蕩回路中的振蕩電容，通過改變加在變?nèi)荻O管兩端的反向偏壓來改 變管子的結(jié)電容，從而改變電路的振蕩頻率。只要我們能控制VCO的輸 入電壓，就可以控制振蕩器的振蕩頻率。我們有以下幾種控制方案方案一：利用電位器分壓電路。通過改變電位器的分壓比來改變 變?nèi)莨艿姆聪蚱珘?，?/p>

11、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。但是電位器很難實現(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，可以大大減小噪聲。但是本設(shè)計的壓控振蕩器是用分 立元件做成，并不 是理想中的壓控振蕩器，由于存在溫度漂移，晶體管 直流電位會隨溫度發(fā)生移動，輸出頻率也就隨著發(fā)生變化，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)

12、與 實際輸出的頻率不能對應(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，所以此方案 不予采用。4. 系統(tǒng)簡介4.1系統(tǒng)組成本系統(tǒng)主要由單片機控制系統(tǒng)、數(shù)字鎖相環(huán)路、功率放大電路、峰值檢測電路等電路構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖3所示厶C I -1環(huán)貉憾液LPFL CPDV c 04. O96.MHz功率仁號輔出圖3 系統(tǒng)框圖M C U<-R'4.2系統(tǒng)工作過程簡介:圖中PD部分集成了 R分頻器和N分頻器，R和N均受單片機 控制。 基準頻率是4.096MHz，為了達到步長100KHZ的步進值，我們選取 R=2048，得到步長 f=2KHz，那么，只

13、要N每增加50，就能得到100KHz 的步 進值。25MHz的頻率 對應(yīng) 的N值為12500，35MHz的頻率 對應(yīng) 的N 值為17500，15MHz的頻率對應(yīng)的N值為7500，我們設(shè)置的開機頻率為 25MHz,以后只要按開關(guān)S1，N值就增加50，也就會使輸出頻率增加 100KHz，按S2可使頻率變低。從VCO出來的調(diào)頻信號通過分頻器加到單片機的計數(shù)器進行計數(shù)器，用 于測量VCO的頻率。在這里，單片機系統(tǒng)實際上作為第二級PLL環(huán)路。 它把測量到的VCO頻率值和預(yù)定的頻率值比較，得出的差值再加到N的 值上以進一步使頻率改變，直到 測量的頻率和預(yù)定的頻率值相等，這樣 更使輸出的頻率精度更高更穩(wěn)定。

14、峰值檢測電路包括峰值檢波哭和A/D轉(zhuǎn)換器，峰值檢波器把高頻率信號轉(zhuǎn)換成直流電平送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字量，再送到LED顯示。功率放大器負責放大30MHz信號以滿足要求。5 .壓控LC振蕩器電路設(shè)計（vco電路）如前所述，主振 電路采用西勒振蕩電路，其交流等效電路如圖1所變?nèi)荻O管D1工作時需要一定的直流反向偏壓，在圖4中加入C4, 避免了電感L2對D1的直流短路作用。為了加強振蕩器驅(qū)動負載的能力， 減弱后級電路對主振回路的干擾，在振蕩回路的輸出端加入一級射級跟 隨器。本電路的電壓輸入 要求是1V到8V,變?nèi)?管的參數(shù) 是30PF 430PF， 按圖中電路參數(shù)算，該振蕩器輸出頻率可從14MHz變

15、化到39MHz,完全 可以滿足題目的要求。6峰值檢測電路VCO勺輸出信號經(jīng)峰值檢波電路之后轉(zhuǎn)換成直流電平，通過ADC0809 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，送入單片機TL«<圖5峰值檢測電路7、高頻功率放大電路的設(shè)計由于要求輸出的有效功率大于等于20mV，為了兼顧功率放大器的輸 出功率Po和效率n ,采用E類開關(guān)型功率放大器（見圖6），電路分兩 級，前級主要進行電壓放大兼起選頻作用，后級開關(guān)管用高頻管C535 或9018均可，后面接入LC網(wǎng)絡(luò)起到選項頻和阻抗匹配的作用。同時， 為了適應(yīng)不同的負載，功率輸出部分采用雙端輸出形式：一端 為直接輸 出見圖10的A端，用于接純電阻負載。另一種是感性輸出

16、見圖10的B 端,用于接容性負載。B圖6 30MHz功率放大器8 .測試方法與測試數(shù)據(jù)8.1、測試儀器TDS2002型數(shù)字示波器.3515A型數(shù)字頻率計.+5V、+12V穩(wěn)壓直流電源.高頻數(shù)字毫伏表.8.2、測試指標（1）VCO輸出頻率范圍的測量用電位器構(gòu)成分壓電路，調(diào)整變?nèi)荻O管兩端的反向偏壓，測得在輸出 波形沒有明顯失真的情況下，振蕩頻率跟隨輸入反向電壓變化的情況如 下表所示：變?nèi)莨芊聪?76543210.5偏壓（V振蕩器輸出39.7938.4935.7429.7824.420.74 17.5916.79 14.9頻率（MHZ可見壓控主振級振蕩輸出信號頻率范圍足夠?qū)挘?）.輸出電壓峰峰值的

17、測量用TDS2002型數(shù)字示波器直接檢測振蕩器輸出信號的峰峰值得1.14V.（3）.輸出頻率步進的測量從按鍵到系統(tǒng)穩(wěn)定，單步調(diào)節(jié)間隔為100kHz。（4）.接鎖相環(huán)時VCO輸出頻率范圍的測量通上電源復(fù)位，鎖相環(huán)預(yù)置值為25MHz按S2減小頻率，最 小可 以小 到17.12MHz按S1增加頻率,?最大可以增到40.23MHz由結(jié)果知道頻帶上移了。在變?nèi)荻O管上并上一小容量的電容器后再測,最小頻率降為14.21MHz,最高頻率降為36.43MHz.功率測量：調(diào)整頻率到30MHz,測得空載電壓有效值為2.6V。8.3、數(shù)據(jù)的測量及結(jié)果4m接50 Q純電阻負載時功率放大器輸出功率與效率的測量。用交流 毫伏表測得電阻兩端有效電壓值為1.6V,計算得功率為54w.負載改為50 Q電阻與20pF電容串聯(lián)時輸出有效功率與功率放大器 效率的測量,用交流毫伏表測得電阻兩端有效電壓值為1.2V,計算得功 率為 28.8mW。9.心得體會課程設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題，鍛煉實 踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.回顧起此次課程設(shè)計，我感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整 整兩星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的