LC振蕩器的研究制作DOC

1、設(shè)計(jì)的相關(guān)資料的整理說明：說明： 設(shè)計(jì)的振蕩器采用輸出波形好， 頻率穩(wěn)定度高的具有波段切換功能的改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩 電路。 在每一個波段內(nèi)， 頻率的調(diào)節(jié)是通過改變壓控振蕩器的變?nèi)荻O管的直流反壓實(shí)現(xiàn)的。 采用鎖相 環(huán)頻率合成電路， 以進(jìn)一步提高輸出頻率的穩(wěn)定度。 為了提高輸出功率和效率， 功率放大器設(shè)計(jì)在丙類 臨界狀態(tài)。單片機(jī)的任務(wù)是進(jìn)行峰 - 峰值顯示和頻率顯示。LC 振蕩器制作方案： 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它 兩種電路穩(wěn)定，幅度

2、較大諧波成分較小?；ジ旭詈险袷幤髟谡{(diào)整反饋（改變耦合系數(shù)）時，基本上不影 響振蕩頻率。但由于分布電容的存在，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。方案二、采用電感三點(diǎn)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(diǎn)式振蕩器。電容三點(diǎn)式振電路的基極和發(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， 因而使集電路電流中的諧波分量和

3、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。考慮到本設(shè)計(jì)中要求頻帶較寬，輸出波形良好，擬選擇方案三。2、調(diào)諧方案方案一、 手動調(diào)諧。 通過手動調(diào)節(jié)雙聯(lián)電容來改變輸入回路的諧振和本振頻率， 或調(diào)節(jié)精密電位器 產(chǎn)生一定的偏壓從而改變變?nèi)荻O管的結(jié)電容， 使諧振頻率發(fā)生變化。 其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)諧簡單， 可以根據(jù)實(shí) 際情況進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)；缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)一些智能功能，而且由于頻率的穩(wěn)定度取決于 LC 振蕩，而 LC 振蕩的頻率穩(wěn)定度較低，導(dǎo)致本振頻率漂移嚴(yán)重，性能不夠穩(wěn)定。方案二、電壓合成調(diào)諧。用 D/A 轉(zhuǎn)換或數(shù)字電位器

4、產(chǎn)生一定的電壓改變晶體管或變?nèi)荻O管的結(jié) 電容，從而改變振蕩頻率。由于 D/A 轉(zhuǎn)換器和數(shù)字電位器的位數(shù)一般較低，所以難以得到精細(xì)的控制 電壓， 再加上變?nèi)荻O管的非線性， 使得控制電壓與諧振頻率之間一般是非線性的關(guān)系， 從而使控制電 壓的產(chǎn)生和載頻的確定都很困難，并且穩(wěn)定度不好。方案三、 鎖相環(huán)頻率合成方式。 該方案的顯著優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度高， 與晶體管振蕩器的穩(wěn)定度相同， 可達(dá) 10-6 以上，當(dāng)壓控振蕩器參數(shù)發(fā)生變化時，可自動跟蹤捕捉，使頻率重新穩(wěn)定。如果采用小數(shù)分頻 （如用相位累加脈沖吞除技術(shù)） ，可以在好的環(huán)路性能下實(shí)現(xiàn)微小的頻率步進(jìn)，獲得高穩(wěn)定度的頻率信 號。權(quán)衡之后，我們采用了方案

5、三。3、測量顯示電路 方案一、采用純硬件電路來實(shí)現(xiàn)。無論是峰-峰值顯示，還是頻率顯示，其電路都比較復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，而且電路功能的可修改性和可擴(kuò)充性都比較差，不易滿足題目中的要求。 方案二、軟硬件結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。對于峰 -峰值顯示，可以直接用 A/D 轉(zhuǎn)換器采樣峰值檢波電路輸出的電壓值，再經(jīng)單片機(jī)計(jì)算處理 后進(jìn)行顯示。對于頻率顯示，通常采用兩種方案： 利用壓控制振蕩器輸出電壓與頻率的線性關(guān)系，做成數(shù)據(jù)表，并存入存儲器中，再通過軟件編 程進(jìn)行查表并顯示。 利用硬件電路對輸出的正弦信號進(jìn)行頻率采樣，再由單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)并顯示。 方案二的特點(diǎn)：電路功能的可修改性和可擴(kuò)充性都比較好，但軟件設(shè)計(jì)工作量較大；綜合

6、考慮各種因素，擬采用方案二，其中，頻率顯示擬采用單片機(jī)查表的方法。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、總體設(shè)計(jì)(1)系統(tǒng)框圖第10頁共9頁2、各模塊設(shè)計(jì)及計(jì)算(1)正弦波振蕩電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算lOi12C90.04TuFR1IKC5O.OluFJC2T電O二T C624OF-IC7240F3I>54EE3IE12VVI £0KlOK0.047uF為了提高輸出波形的穩(wěn)定性并展寬頻率范圍，我們實(shí)際采用的是改進(jìn)型的電容三點(diǎn)式振蕩電路-西勒振蕩電路。我們選用小功率高頻管3DG4E，其 2200兆赫，選hfe=50至100左右的管子。電路工作于臨界狀態(tài)時，集電極電流I co = 2.4mAVeo =0.2 E

7、c=0.2X 12=2.4V故可計(jì)算出射極電阻值r3 =丫巴I c02.4=1K Q2400我們?nèi)∠缕秒娮?amp; =4R3=9 X 1000=9KQ （實(shí)際 R5 為 9.1 K Q ）那么上偏電阻r4=耳4=3叫9." K .2.4 + 0.7取耦合電容0.047卩F,諧振時C =100pF,電感可按下列經(jīng)驗(yàn)公式L-25!00 計(jì)算f0C得，哼竽0” H25100f02C集電極電路中扼流圈的電感值應(yīng)遠(yuǎn)大于電感 取反饋系數(shù)F=1,貝U C6 = C7= (1+F) C =L之值，這里選用1毫亨的扼流圈。(1+1)X 100 = 200pF由于本題目要求振蕩器的輸出頻率為15MH

8、z35MHz，并且頻率變化范圍要達(dá)到20MHz，如果用普通LC型壓控振蕩器(VCO )在滿足相位噪聲以及輸出幅度平穩(wěn)壓控曲線非線性較小的情況下，覆蓋只能做到10MHz的量級，難以再展寬，這是因?yàn)閷捀采w與低相位、噪聲等要求均存在矛盾。為了解決這一矛盾，我們采用波段開關(guān)轉(zhuǎn)換的辦法，以實(shí)現(xiàn)頻率覆蓋20MHz的要求。變?nèi)荻O管是一種頻率變化范圍較大的二極管，當(dāng)變?nèi)荻O管上反向偏壓越大，結(jié)電容越小，反之亦然。由于結(jié)電容是隨反向偏壓變化的，因此它相當(dāng)于可變電容器。 它的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得較大的頻移，線路簡單，并且?guī)缀醪恍枰谜{(diào)制功率。當(dāng)諧振從最咼fmax變化到最低值fmin時，諧振回路頻率覆蓋系數(shù)K f

9、= 竺按上圖中調(diào)諧回路覆fmin蓋系數(shù)可寫為KfJIC j max 廠 j min接題目要求,2兀LC j max2fmax=35MHz , fmin = 15MHz，所需要的變?nèi)荻O管覆蓋系數(shù)為KKf =5.4，超過要求值。我們選用的變?nèi)荻O管覆蓋系數(shù)為(2)功率放大器由于采用甲類、乙類、甲乙類放大器達(dá)不到題目的要求，在這里為了獲得一定的不失真的輸出功率,并工作在大信號狀態(tài)下，我們采用丙類放大器。(如圖電源電壓Vcc = +12V,晶體管3DG12的主要參數(shù)為Pcm =700mW, I cm =300mA，管子的飽和壓降Uces <0.6 V, P > 30, fT > 1

10、50MHz, Ap > 6dB ,主要技術(shù)指標(biāo)：輸出功率P0 > 100mW ,工作頻率fo= 30MHz,效率n > 50%，負(fù)載RL =50 Q 。確定放大器的工作狀態(tài)為了獲得較高的效率和最大的輸出功率,選取丙類放大器的工作狀態(tài)為臨界狀態(tài),Qc =60"，諧振回路的最佳負(fù)載電阻Rp為32x100x102P0(Vcc -Uces)2 _ (12-0.6)2650Q集電極基波電流振幅Ic1m為I c1 m2X100X10Rp Y 6502P0=17.54mAC3集電極的電流脈沖的最大值IcM1141HlI cM I c1mClkf 3DG.12 44.86 mALI

11、直流分量Ic0為I co = I cMa0(60 ) =17.540.39 =9.78 mA直流功率P=p= =Vcc 4 c0 =12X9.78 咒10° =117.36mW功率放大器的總效率為 n =邑=85%p=計(jì)算諧振回路及耦合回路的參數(shù)輸出變壓器線圈匝數(shù)比為 NRl = i50_N2 URp V6500.3 (取M = 2,N2 = 6)集電極并聯(lián)諧振回路 C=15pF,回路電感為L = =(27if0)2C39.44(30咒106)2 15咒10上N4QlN3，得出 N4 = 8,取 Ql= 2 , N1 = N4- N2 =8 - 6 =2, 基極偏置電路當(dāng)加入 Ubm

12、 后, Vbb = (Ie0 只e) - (Ic0 只e),取 Re = 1° Q ,則心一0.1V,由于COSc =U bz Vbb，則 Ubz =0.6V, Ubm =1.4VU bm取 Ce=0.01 卩 F, ZL 1 =47- 5 = 10 卩 F, C 4 =0.01 卩 F, C 5=0.01 卩 F, L i=0.48 卩 H.為了觀察功率放大器的負(fù) 載特性，將 Rl取 6 個值，F(xiàn)L1=30Q R L2 =47 Q R l3 =51 Q FU =56 Q Fb =62Q R l6=75 Q，回路電容 C=G +C3 =15 pF,貝U C3 = 5.6pF, C 2

13、 = 10 pF（3）壓控振蕩器（VCO）壓控振蕩器是在振蕩電路中采用壓控元件作為頻率控制器件,壓控元件采用變?nèi)荻O管， 它的電容量受到輸入電壓柑c（t）的控制。'c變化時，即引起振蕩管頻率«V的變化。壓控振蕩器是一種是一種電壓一頻率變換器,它的特性可以用瞬時振蕩頻率（aV與控制電壓VC之間的曲線來表示，如圖所示，圖上的中心點(diǎn)頻率O 0是在沒有外加控制電壓的固有振蕩頻率，在一定范圍內(nèi),©V與U C之間是線性關(guān)系，在線性范圍內(nèi),這一線性曲線可用下列方程表示:V (t)0 + KC(t)式中，K是特性曲線的斜率，也是 VCO的增益或靈敏度, 它表示單位控制電壓所引起的振

14、角頻率變化的大小。在鎖相環(huán)電路中，VCC的輸出對鑒相器起作用的是它的 瞬時相位。tt這個瞬時相位可由下式表示J©V(t)dt =e0t+ KV ec(t)dt00L/ ,y壓控振蕩器曲線圖t£v(t) =Kv eC(t)dt0壓控蕩器相當(dāng)于一個積分器，也可稱為環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)。（4）自動增益控制電路當(dāng)輸入信號電壓變化很大時，保持接收機(jī)輸出電壓幾乎不變。 收的增益大，自動增益電路不起作用，而當(dāng)輸入信號很強(qiáng)時， 小。這樣當(dāng)信號場強(qiáng)變化時，輸出端的電壓或功率幾乎不變。具體地說，當(dāng)輸入信號很弱時，接接收的增益控制電路進(jìn)行控制，使增益減C(5) 鎖相頻率合成電路鎖相頻率合成單元是

15、提高輸出頻率穩(wěn)定性的關(guān)鍵部分。目前市場上的頻率合成器集成電路很多，我們選用摩托羅拉公司的 MC145151。該芯片是一塊14位并行的碼輸入單模、單片鎖相環(huán)頻率合成器， 片內(nèi)含有參考振蕩器，參考分頻器，鑒相器，可編程分頻器等部件，最大可變分頻比為16383,最高工作頻率能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。來自單片機(jī)VCC1-01070UFP2:PL UG)1234567890 13 xNNNNNNNNNNN N N NrOSC-INVCCt GNDOSC-Ou0 1 2DD V R F A A A1 2 3 4 5 1 1 1 9 04 5 2 312738149 8567:C11'10000PF2

16、26丁 C3CAPC2T%-一一 10.24MHzMC145151-1R3C11 ILJP0T21IIR1CAP/、vco控制電壓RES2R2寸aRE S2C4TFpiCAPOV-+5VCC據(jù)題目要求和方案設(shè)計(jì)， 參考頻率fr設(shè)為80KHZ，最小最大分頻比按輸出頻率f0在14MHz38MHz這個范圍來確定，可采用直接分頻方式，環(huán)路的可編程分頻器的分頻比N由下式計(jì)算得：N= f。/ fr計(jì)算得最小分頻比 Nmin = 175 ,最大分頻比 在鎖相環(huán)路中，環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)是十分重要的。 穩(wěn)定，調(diào)試方便。各個參數(shù)的計(jì)算如下： 平均分頻比N = ( Nmin + Nmax ) / 2=325鑒相器靈敏

17、度 K d = V cc/4 n (Vcc = 5 V) 壓控靈敏度KVCO=2 n A fo / Vc環(huán)路自然諧振角頻率2ifrTo"環(huán)路阻尼系數(shù)匚=丄cn(R22N+Kd + KVcoNmax = 475本系統(tǒng)采用無源比例積分濾波器，其結(jié)構(gòu)簡單,K d K VCOV NCi(Ri +R2)性能取Z = 0.707,Ci = O.luF，根據(jù)上兩式得 Ri = 3K Q , R2 = 1.5K Q為了使環(huán)路工作在最佳工作狀態(tài)，在電 路調(diào)試時根據(jù)需要對Ri、R2、和Ci值作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。(6) 穩(wěn)定輸出實(shí)現(xiàn)方案并在負(fù)載和振蕩器之間為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度，采用高穩(wěn)定度直流穩(wěn)壓電源減小電源電

18、壓的變化, 加了一級射極跟隨器作為緩沖可減小負(fù)載的變化。A、提高諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性采用參數(shù)穩(wěn)定的回路電感器和電容器，采用溫度補(bǔ)償法，在諧振回路中選用合適的具有不同溫度系數(shù)的 電感和電容，從而使因溫度變化引起的電感和電容值的變化互相抵消，使回路諧振頻率的變化減小。B、增加回路總電容量，減小晶體管與諧振回路之間的耦合，均能有效減小晶體管極間電容在總電容中的比重，也有效地減小管子和輸出電阻及它們的變化量，對諧振回路的影響。(7) 電源電路的設(shè)計(jì)為了減少相互干擾， 本系統(tǒng)采用-24V、+30V、+5V由于整個系統(tǒng)既包括模擬電路又包括數(shù)字電路, 三種電壓，分另惻各部分供電，電路圖如下LEI50Hi：220

19、7：RlinBGl 廠ClC2Ln 0. lun4 7EBG21C5ceL_m *4.|翳I占” =1011 C4 3311 n卩HR4 千EGE/h 審孕ceCZ1 -12BitSBUt-1加曲ESlaBG3 rceCIOLn CZ3 +50 In4.7KCIZ 33aJ-(6)單片機(jī)部分本系統(tǒng)主要電路在于LC振蕩電路，單片機(jī)電路主要起一個測量、顯示的輔助作用。因此，單片機(jī)的主要功能分為：鍵盤、顯示、頻率測量、電壓Vp-p的測量、為變?nèi)荻O管提供電壓以改變震蕩頻率等。為了方便起見我們運(yùn)用了兩片89c51芯片完成這些功能。I/O 口，我們一片89C51完成鍵盤、顯示以及頻率的測量。在系統(tǒng)能正常工作的前提下，為了節(jié)約 采用了鍵盤掃描與動態(tài)顯示相結(jié)合的方法。電路如下圖VCCD3D1C1:3119EA/VPX1C218P0.0P0.1P0.2P 0.3P 0.4P0.5P0.6P0.739353332AaBbCcDdBteLTfRBTg7D613100X71-n10S/'5 r746nSV7AZkZ43二三LL_D5D4