電壓控制LC振蕩器

1、電壓控制LC振蕩器摘 要本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C55為核心，采用電感反饋LC振蕩器，利用分波段方式進(jìn)行頻率范圍擴(kuò)展，采用D/A直接控制和鎖相控制兩種方式對(duì)壓控LC振蕩器進(jìn)行控制。系統(tǒng)還組合了自動(dòng)增益控制電路，測(cè)頻測(cè)幅電路，高頻功率放大器電路等單元電路。鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)，減小了步進(jìn)間隔，提高了輸出頻率的穩(wěn)定度；自動(dòng)增益控制單元，使輸出信號(hào)的峰-峰值穩(wěn)定在1V左右；測(cè)頻測(cè)幅單元完成了實(shí)時(shí)顯示信號(hào)頻率和幅度的功能；功率放大單元對(duì)固定的30MHz信號(hào)進(jìn)行功率放大，且可以在50純阻和容性負(fù)載實(shí)現(xiàn)20mW功率輸出，具有較高的效率。整機(jī)指標(biāo)達(dá)到了題目的基本設(shè)計(jì)要求和擴(kuò)展設(shè)計(jì)要求，整機(jī)性能基本滿足設(shè)計(jì)要求。一方案

2、論證與比較1.LC振蕩器的選擇與論證方案一：采用電容反饋的Clapp和Siler振蕩器。振蕩器是依靠電容產(chǎn)生反饋電壓的，線路簡(jiǎn)單，工作頻率高，波形好。方案二：采用電感反饋振蕩器。它是依靠電感產(chǎn)生反饋電壓。電路簡(jiǎn)單，容易起振。工作頻段較電容反饋振蕩器寬1?；谏鲜隹紤]及題目的具體要求，我們選用方案二。注：1引自高頻電路原理與分析P104 西安電子科技大學(xué)出版社 曾興雯等 2.壓控方式的選擇與論證方案一：采用手工改變電壓法，在LC振蕩器的諧振回路通過(guò)改變變?nèi)荻O管兩端的電壓來(lái)改變振蕩器的輸出頻率，達(dá)到壓控振蕩的目的。這種壓控方式電路簡(jiǎn)單，但不利于單片機(jī)的智能控制。方案二：通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生精確

3、的控制電壓，控制變?nèi)荻O管兩端的電壓改變振蕩器的輸出頻率。這種方式的精度取決于D/A轉(zhuǎn)換器的精度。該方式電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多種功能。方案三：采用鎖相環(huán)頻率合成進(jìn)行壓控控制。鎖相環(huán)頻率合成系統(tǒng)主要由LC壓控振蕩器，相位比較器，環(huán)路濾波器，可編程分頻器，高穩(wěn)定度晶體振蕩器，參考分頻器，中央控制器等組成。該振蕩器的輸出頻率穩(wěn)定度與晶體的穩(wěn)定度相當(dāng)，提高了輸出頻率的穩(wěn)定度，而且可以在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)輸出頻率的多種步進(jìn)形式，實(shí)時(shí)顯示輸出頻率等多種功能。基于上述方案比較和題目的要求，我們采用了如圖1-1-1的壓控方案。它綜合了方案二和方案三，更好的滿足了題目要求。圖1-1-1 壓控方式的系統(tǒng)

4、框圖二單元電路的分析與實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S55為核心,由LC壓控振蕩器,鎖相環(huán)頻率合成器,高頻功率放大器,自動(dòng)增益控制電路等電路組成的。系統(tǒng)框圖如圖1-1-2所示。圖1-1-2 系統(tǒng)框圖1.單片機(jī)小系統(tǒng)電路本系統(tǒng)以AT89C55單片機(jī)為核心，以4*4鍵盤(pán)，128*64點(diǎn)陣液晶構(gòu)成人機(jī)接口，輔助以512K flash 存儲(chǔ)器W29C040，內(nèi)裝漢字字庫(kù)和圖標(biāo)，圖形等，可以構(gòu)成友好的人機(jī)界面。利用8255擴(kuò)展并口，DS12C887提供系統(tǒng)時(shí)鐘。將片外低32K地址分配給外部程序存儲(chǔ)器28C256，為了使用方便，設(shè)計(jì)成與靜態(tài)RAM62256兼容的方式。系統(tǒng)框圖如下圖1-1-3所示：AT89C5

5、5256Kflash29C0404*4鍵盤(pán)128*64液晶接口28256（62256）DS12C887復(fù)位晶振X9511圖1-1-3 小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖2.壓控LC振蕩器電路我們采用了電感反饋振蕩器。電路圖如1-1-4所示。圖1-1-4 壓控LC振蕩器變?nèi)荻O管是該振蕩器的關(guān)鍵元件,我們利用電路試驗(yàn)了手頭有的變?nèi)荻O管,在其他條件不變的情況下測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如下表1-1-1所示表1-1-1（單位MHz）：型號(hào)最高頻率最低頻率帶寬V10141.025.815.2V14932.311.021.3V14734.326.18.291045.030.015.0C13F22.516.75.8223644.63

6、5.69.0雖然V149能夠覆蓋所有的頻率范圍，但電路在低端產(chǎn)生的二次諧波導(dǎo)致波形明顯失真。由于諧波在要求輸出的頻率范圍之內(nèi)，所以不能被濾波器濾除。綜合考慮，選擇V101作為最終方案。采用V101時(shí)，我們繞了兩個(gè)線圈，測(cè)試數(shù)據(jù)如下表1-1-2所示表1-1-2（單位MHz）:最高頻率最低頻率帶寬線圈一37.322.6514.65線圈二23.314.58.8由上表可見(jiàn)，只要線圈調(diào)整適當(dāng)，兩個(gè)檔位完全可以覆蓋15-35MHz的頻率范圍。在實(shí)際應(yīng)用中，只要簡(jiǎn)單的增加若干線圈，就可以達(dá)到擴(kuò)展頻率范圍的目的。3.鎖相環(huán)頻率合成電路MC1451522芯片是摩托羅拉公司生產(chǎn)的鎖相環(huán)頻率合成器專用芯片。MC14

7、51521芯片的改進(jìn)型。MC1451522芯片具有下列主要特征：（1）它與雙模（P（P1）分頻器同時(shí)使用，有一路雙模分頻控制輸出MC。當(dāng)MC為低電平時(shí)，雙模分頻器用（P1）去除；當(dāng)MC為高電平時(shí)，雙模分頻器用模數(shù)P去除。（2）它有A計(jì)數(shù)器和N計(jì)數(shù)器兩個(gè)計(jì)數(shù)器。它們與雙模（P（P1）分頻器提供了總分頻值（NPA）。其中，A、N計(jì)數(shù)器可預(yù)置。N的取值范圍為31023，A的取值范圍為063。A計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)期間，MC為低電平；N計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)（NA）期間，MC為高電平。（3）它有一個(gè)參考振蕩器，可外接晶體振蕩器。（4）它有一個(gè)R計(jì)數(shù)器，用來(lái)給參考振蕩器分頻，R計(jì)數(shù)器可預(yù)置，R的取值范圍：8，64，128，2

8、56，512，1024，1160，2048。（5）它有兩路鑒相信號(hào)輸出，其中，R、V用來(lái)輸出鑒相誤差信號(hào)，LD用來(lái)輸出相位鎖定信號(hào)。 MC1451522的工作原理：參考振蕩器信號(hào)經(jīng)R分頻器分頻后形成fR信號(hào)。壓控振蕩器信號(hào)經(jīng)雙模（P（P1）分頻器分頻，再經(jīng)A、N計(jì)數(shù)器分頻器后形成fV信號(hào)，fVfVCO（NPA）。fR信號(hào)和fV信號(hào)在鑒相器中鑒相，輸出的誤差信號(hào)（R、V）經(jīng)低通濾波器形成直流信號(hào)，直流信號(hào)再去控制壓控振蕩器的頻率。當(dāng)整個(gè)環(huán)路鎖定后，fVfR且同相，fVCO（NPA）fV（NPA）fR，便可產(chǎn)生和基準(zhǔn)頻率同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的任意頻率。 鎖相環(huán)頻率合成器選用芯片MC1451522。晶

9、振選用6.4MHz的晶體，它的頻率穩(wěn)定度較高，可達(dá)106。低通濾波器選用運(yùn)放芯片OP27；由于鎖相環(huán)工作頻率不是很高且步進(jìn)間隔為100KHz，無(wú)需使用雙模分頻器即可以達(dá)到題目要求。所以我們選用SN74LS112，分頻數(shù)P2；壓控振蕩器選用壓控LC振蕩器。 取R的取值128，RA2RA0為011，N的取值300，為100101100。R計(jì)數(shù)器、N計(jì)數(shù)器，各管腳接地為邏輯0，懸空為邏輯1。運(yùn)放芯片OP27構(gòu)成了有源比例積分濾波器，如圖1-1-5所示。在設(shè)計(jì)時(shí)首先選擇合適的電容C，然后，再根據(jù)n、N、Kv、Kd和計(jì)算R1和R2的值。圖1-1-5 環(huán)路濾波器式中，Kv為壓控振蕩器電調(diào)靈敏度（radsV

10、）；Kd為比相器靈敏度，KdVDD2，VDD是運(yùn)放的工作電壓（VDD5V），Kd單位取Vrad；N為總分頻次數(shù)；為鎖相環(huán)路的阻尼系數(shù)，的合適取值范圍是在0510之間，通常選擇最佳起始點(diǎn)0.707；n為環(huán)路自然諧振角頻率，n值的選擇將直接影響環(huán)路濾波特性和捕捉時(shí)間，為了保證環(huán)路對(duì)噪聲有較好的抑制，n應(yīng)該遠(yuǎn)小于鑒相頻率d，通?？砂词剑?）選擇nd（301000），（3）當(dāng)噪聲來(lái)源于參考頻率和分頻器時(shí)，n可以選擇得小些；當(dāng)噪聲來(lái)源于壓控振蕩器時(shí)，n可選擇得大些。具體計(jì)算如下：KdVDD（2）5（2）0.796Vrad，N=30MHz/100KHz=300故：R1選用6.8K電阻，R2選用2.2K電阻

11、。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中我們對(duì)電阻值做了微調(diào)，使其性能達(dá)到最好。圖1-1-6 鎖相環(huán)頻率合成電路鎖相環(huán)頻率合成的核心芯片MC145152的實(shí)現(xiàn)電路如圖1-1-6所示。其中頻率控制端可以由單片機(jī)或撥碼開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)輸出頻率控制。 4.高頻功率放大器電路高頻功率放大器的設(shè)計(jì)需要先考慮晶體管的選擇。通常在選擇過(guò)程中晶體管的極限參數(shù)將是選擇的主要依據(jù)。這些參數(shù)包括：集電極最大允許電流，反向擊穿電壓，二次擊穿，集電極最大允許損耗功率，晶體管的安全工作區(qū)等。根據(jù)工作頻率和輸出功率的要求，采用共發(fā)射極電路，設(shè)計(jì)工作在臨界狀態(tài)。電路圖如圖1-1-7所示。圖1-1-7 高頻功率放大器根據(jù)，因此選擇的晶體管的特征頻率。

12、根據(jù)對(duì)輸出功率的要求，同時(shí)考慮到集電極效率通常大于50%，故以晶體管的最大耗散功率。集電極給定的電源電壓為12V，因此由來(lái)確定必須的。根據(jù)上述要求及高頻晶體管的參數(shù)（參閱有關(guān)晶體管手冊(cè)），初步選定高頻小功率三極管3DG81B。其參數(shù)為：基本上滿足題目的要求。在選擇好晶體管后，最關(guān)鍵的就是功放管集電極匹配阻抗的估算。我們采用變壓器匹配。在30MHz時(shí)，考慮到負(fù)載電阻的大小，可以使傳輸效率大于90%，因此若負(fù)載電阻上的功率為20mW以上，要求晶體管的輸出功率為：集電極的電源電壓為12V，設(shè)飽和壓降為=0.5V,集電極的高頻電壓振幅為 集電極最佳匹配阻抗為若負(fù)載阻抗有容性電抗，須加入電感進(jìn)行調(diào)諧?？?/p>

13、按下式計(jì)算：在進(jìn)行變壓器匹配時(shí)，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，確定抽頭系數(shù)。由于集電極的電阻R是近似值，晶體管的輸出電容也包含在匹配網(wǎng)絡(luò)中，在實(shí)際調(diào)試中要靠調(diào)節(jié)元件才能使匹配達(dá)到最佳。5.自動(dòng)增益控制電路具體電路見(jiàn)下圖1-1-8。在電路中我們選用了集成芯片AD603。 圖1-1-8 增益控制電路AD603一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片。它是美國(guó)ADI公司的專利產(chǎn)品，是一個(gè)低噪、90MHz帶寬增益可調(diào)的集成運(yùn)放，如增益用分貝表示，則增益與控制電壓成線性關(guān)系，壓擺率為275V/s。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的增益范圍，增益在1130dB時(shí)的帶寬為90MHz。AD603的增益控制接口的輸入阻抗很高，在多通道或級(jí)聯(lián)

14、應(yīng)用中，一個(gè)控制電壓可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)運(yùn)放；同時(shí)，其增益控制接口還具有差分輸入能力，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)信號(hào)電平和極性選擇合適的控制方案。在設(shè)計(jì)時(shí)，峰值檢波電路輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)高速A/D采樣后，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算需調(diào)節(jié)的增益量并控制D/A以獲得調(diào)節(jié)增益控制電壓，從而精確地控制放大器的增益，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。6. 測(cè)頻測(cè)幅電路為了實(shí)時(shí)顯示輸出頻率及輸出幅度，我們采用了峰值檢波電路，將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電平，再加一級(jí)直流放大單元，由A/D轉(zhuǎn)換器采樣送入單片機(jī)處理后，在顯示單元進(jìn)行顯示。電路如圖1-1-9所示。圖1-1-9 峰值檢波電路上圖中P6端接頻率輸出，P7接A/D轉(zhuǎn)換器到單片機(jī)。三軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)使用菜單

15、模式直觀且利于操作，并且利于維護(hù)和升級(jí)。根據(jù)要求確定菜單的層次結(jié)構(gòu)如下表1-1-3所示：表1-1-3菜單的結(jié)構(gòu)與功能第一級(jí)菜單第二級(jí)子菜單基本功能描述擴(kuò)展功能鎖相輸出無(wú)利用鎖相環(huán)穩(wěn)定頻率輸出直接輸入頻率峰值控制DA壓控輸出無(wú)利用DA控制壓控振蕩器輸出，頻率測(cè)量，峰值控制MHz時(shí)功率輸出無(wú)以一定功率輸出30MHz的正弦波功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置對(duì)比度設(shè)置設(shè)置液晶的對(duì)比度時(shí)間日期設(shè)置設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘和日期按上下鍵選擇菜單項(xiàng)，被選中的菜單將會(huì)反顯，按下ENTER鍵執(zhí)行選中的菜單。如果菜單項(xiàng)有下一級(jí)子菜單，就會(huì)打開(kāi)子菜單，如果沒(méi)有，就執(zhí)行相應(yīng)的子程序。按下CANCEL鍵，返回上一級(jí)菜單，沒(méi)有上一級(jí)菜單就認(rèn)為是無(wú)效

16、按鍵。鍵盤(pán)的定義，4*4鍵如下圖1-1-10所示：圖1-1-10 鍵盤(pán)設(shè)置四測(cè)試方法與測(cè)試數(shù)據(jù)1測(cè)試儀器：QF1055A高頻信號(hào)發(fā)生器EE1641B1型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器Agient 54622D混合信號(hào)示波器Agient E4403B頻譜儀DT9205數(shù)字萬(wàn)用表NFC-1000C-1型多功能計(jì)數(shù)器DA22A超高頻毫伏表SS1793可跟蹤直流穩(wěn)定電源2整機(jī)測(cè)試指標(biāo)：（1）輸出正弦波頻率范圍測(cè)試 斷開(kāi)功率放大器，在系統(tǒng)的頻率輸出端用Agient 54622D混合信號(hào)示波器觀察波形不失真情況下，用NFC-1000C-1型多功能計(jì)數(shù)器測(cè)量正弦波的頻率。（D/A控制下）測(cè)試數(shù)據(jù)如下表1-1-4：表1-1-

17、4：預(yù)置頻率/MHz14.00015.00016.00017.00018.00019.00020.000輸出頻率/MHz14.05015.00016.02016.98017.96019.04020.000預(yù)置頻率/MHz21.00022.00023.00024.00025.00026.00027.000輸出頻率/MHz21.04022.05123.04624.02024.99925.95027.010預(yù)置頻率/MHz28.00029.00030.00031.00032.00033.00034.000輸出頻率/MHz28.02128.93030.02031.05032.02833.04533.9

18、80預(yù)置頻率/MHz35.00036.000輸出頻率/MHz35.02036.020系統(tǒng)在D/A控制時(shí)，用NFC-1000C-1型多功能計(jì)數(shù)器測(cè)量輸出頻率為25MHz時(shí)，測(cè)量時(shí)間為5分鐘時(shí)，觀察到頻率變化為5KHz,算得輸出頻率的穩(wěn)定度為。同樣方法系統(tǒng)在鎖相環(huán)控制下時(shí)，測(cè)量輸出頻率的穩(wěn)定度為。（2）輸出波形幅度的測(cè)試 斷開(kāi)功率放大器，在系統(tǒng)的頻率輸出端用Agient 54622D混合信號(hào)示波器觀察波形不失真情況下，在示波器測(cè)量正弦波的幅度。測(cè)試幅度數(shù)據(jù)如下表1-1-5：表1-1-5輸出頻率/MHz15.0020.0025.0030.0035.0036.0037.00輸出幅度實(shí)測(cè)值/V1.0451.0321.0301. 0401.0201.0501.010輸出幅度理論值/V1.0001.0001.0001.0001.0001.0001.000（3）功率放大器輸出功率的測(cè)試 調(diào)整輸出頻率為30MHz，接上功率放大器。將功率放大器的諧振頻率調(diào)整到30MHz。在功率放大器電源輸入端串接DT9205數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量Ico，接通電源，用Agient 54622D混合信號(hào)示波器觀察波形不失真情況下，DA22A超高頻毫伏表測(cè)量負(fù)載電阻上的電壓,并計(jì)算出輸出功率，集電極耗散功率，效率。測(cè)試數(shù)據(jù)如下表1-1-6：表1-1-6負(fù)載電阻電阻+電容集電極平均電流/