毕业设计（论文）-电压控制LC振荡器设计.doc

04级应用电子专业 24南充职业技术学院毕业生毕业论文设计（论文）题 目 电压控制lc振荡器 所属系部 机电工程系 专 业 应用电子技术 年 级 04几三普应用电子班指导老师 学生姓名 学 号 61 2006 年 11 月 20 日前 言lc振荡电路已成为振荡电路不可少的电路。迅速发展电子科技，广泛用于个人家庭，剧院，办公电路版上的新科技发展的电路给人们的，生活科技发展解闷带来了及大的方便和娱乐。电子产品的技术发展，采用了先进的石英技术lc振荡电路，具有谐振频率，谐振时的电路阻抗调频特性。它用于电视机，收音机，电脑等各种领域，使电子产品的科技发展有进一步的认识。 虽然现在市场上已有现成的各种品牌各个领域的设计构成。使lc振荡电路在不同领域有这不同的效果。出售电路芯片，方便顾客的运用，电子技术是研究电子器件，电子电路，及应用的科学技术。人们熟知的通讯广播电视，计算机，自动化设备医，疗电子设备，人造卫星，宇宙航行，新型家用电器，与电子技术。与lc振荡电路的紧密相关。为了得到电子技术的新要求更，需要改善使电子产品的改进，在科技上有新的发展，历史出现新的一页电子化。 目 录摘要1前言2一 方案论证与比较31.1震荡器方案的选择与论证 41.2对震荡器的方案 51.3整体方案设计 6二 硬件电路设计及参数计算2.1 震荡原72.2 对频率步进装置的方案72.3 数模混合自动稳幅电路92.4 峰值检波电路 10 2.5 a/d转换电路 14 2.6 d/a转换电路 152.7 丙类功率放大电路 162.8 单片机硬件系统 17三 软件设计3.1 单片机程序设计 173.2 cdld程序设计18四 测试方法、数据及结果分析4.1 使用仪器 194.2 测试方法与数据 204.3 结果分析 20总结21至谢词22参考文献23.摘 要该电压控制lc振荡器以89c52和mb1504芯片为核心，采用锁相频率合成技术产生高稳定度的正弦信号，设计了一种高性能的数模混合自动稳幅电路，包括峰值检波、a/d转换、单片机控制等，以满足基本要求部分对输出信号幅度稳定度的要求，同时显示输出正弦信号的峰峰值和频率。另外，根据发挥部分要求，制作了具有较高效率的丙类功率放大器。关 键 词：lc压控振荡器，稳幅电路，dpll，cpldabstractthis voltage control lc oscillator take 89c52 and mb1504 chip as a core,uses the phase-lock frequency synthesis technology to produce the high stability sine signal,has designed one kind of high performance digital-analog mix automatic steady electric circuit, including the peak detection,a/dtransforms,the monolithic integrated circuit control and so on,satisfies the basic request part to the output signal scope stability request,simultaneously demonstrates the output sine signal the peak - peak value and the frequency.moreover,according to the display part request, manufactured had the high efficiency third kind of power amplifier.key word：the lc pressure controls the oscillator, steady electric circuit, dpll,cpld第一部分 方案论证与比较1. 振荡器方案的选择与论证解决本单元电路有多种方法，其中比较典型的有以下几种：方案一：采用电压合成方式，其组成框图如图一所示。其原理是用单片机将数字信号通过d/a转换器，变成对应的电压去控制振荡器中的变容二极管，实现电调谐。这种方案电路实现容易、成本低，但振荡器的输出信号频率稳定度较低，另外，由于变容二极管压控特性的非线性，使得变容管各点压控灵敏度不一致，随着外加电压的增加，压控特性曲线的斜率逐渐变小，变容管的压控灵敏度将降低，因而要求较高的d/a分辨率。方案二：采用直接数字频率合成器（dds），其原理框图如图二所示。dds是利用计算机查阅表格上所存储的正弦波取样值，再通过数模变换产生模拟正弦信号。通过改变查表速度就可以输出不同频率。用ram存储所需波形的量化数据，按照频率控制字要求，以k为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据，经d/a转换和幅度控制，再经滤波即可得所需波形。dds具有相对带宽很宽、频率转换时间短、频率分辨率很高等优点。方案三：锁相环（pll）频率合成方式，其组成框图如图三所示。锁相环路由鉴相器、lf和vco组成，它能实现高精度的自动频率跟踪。在pll中，一旦鉴相器两输入信号的频率相同，则vco输出频率稳定的信号。通过单片机控制分频器的分频比，当分频比变化时，就能使输出信号的频率变化。比较三种方案：第一种方案电路实现容易、成本低，但难于达到题目指标要求：第二种方法频率稳定度很高，但是性价比较低：第三中方案能够实现题目的基本要求，也比较容易实现发挥部分技术要求，性价比也较高，因此我们选择了方案三。2. 对振荡器的方案 方案一：为提高输出波形的稳定性和精确度，采用max038集成电路做成压控振荡电路，对电阻电感电容的值作适当调整，可以输出1m-37mhz不等的频率。 方案二：将max038集成电路输出的频率为3m-18mhz的电压通过mc1496集成电路组成的倍频电路，将会得到频率为6m-36mhz的信号。方案比较：以上两种方案军都能够满足题目所要求的输出频率范围，但是方案一中要得到37mhz的频率需要大约15pf的电容，而一般这样容值较小的电容在高频范围内工作时的稳定性很差，不能够满足题目要求的10-3数量级的稳定度。而方案二中要得到18mhz的输出频率所需要的电容大约为45pf左右，这样大小的电容在高频范围内的工作要稳定的多，故选用方案二3. 整体方案设计根据上述关键电路方案选择论证，设计了总体电路框图如图七所示。其中，参考晶振为振荡源提供基准信号，振荡源采用pll 频率合成方式，压控振荡器由变容二极管和场效应管组成电容三点式振荡器，由于振荡器输出信号的幅度随频率变化，经过数模混合自动稳幅电路输出频率稳定、幅度稳定的正弦信号。该正弦信号一路经过峰值检波 、a/d 转换后送单片机用于控制和幅度显示；另一路经过数字测频电路实现实时频率测量与显示；还有一路提供给丙类功放。第二部分 硬件电路设计及参数计算1振荡源振荡电路采用mb1504频率合成器，其内部包含前置分频器，参考分频器，程序分频器和鉴相器，以及为接收串行输入数据的移位寄存器和锁存电路。pll组成框图如图八所示。压控振荡器（vco）采用变容二极管d1、d2和场效应管组成电容三点式振荡器，变容二极管采用部分接入电路，mb1504的内部鉴相器通过第5 脚输出误差电压经lf 滤波后，加到变容二极管上，改变变容管势垒电容，从而改变振荡器的振荡频率，实现电压控制振荡器频率的目的。压控振荡器的输出信号反馈到mb1504的第8脚，经过mb1504内部分频后与参考频率进行相位比较，产生相应的误差电压送lf处理，再去控制vco，直到锁定。当锁相环锁定时，输出频率为： ，其中，为输出频率，为参考频率，m为程序分频器总分频比，n为程序分频比，p为前置分频比，a为吞除计数器预置数。我们采用参考晶体频率为13.082mhz，参考频率=2khz，则参考分频比r=13.082mhz/2khz=6541。前置分频器采用64/65技术模式，则， mb1504 的程序分频器总分频比m=64n+a。由于输出频率范围为15mhz35mhz，经计算，a的取值为为028，n的取值为117273，满足mb1504中a=0127，n=162047的分频比范围。因此，在上述范围内，改变n和a的置数值，即可获得频率为的输出正弦信号。pll电路如图九所示。芯片外电路为vco，其振荡频率为，式中,为变容二极管的结电容，l为回路电感。依题意，输出频率范围为15mhz35mhz，波段覆盖系数为2.33，一般三点式振荡器达不到这个指标，因此决定分二波段来实现：设低频段为15mhz23mhz，中心频率19mhz，选定15p，12p，3.2uh。由上述公式计算得：15；高频段为23mhz35mhz，中心频率029mhz，经计算得2.1uh。回路参数如图所示，2.1uh，3.2uh，15p，12p。2. 对频率步进装置的方案方案一：由于该震荡器为压控装置，故可通过步进阻值的方法实现频率的步进，通过细调阻值的方式细调频率。方案二:通过细调阻止的方式细调频率，而对于频率的步进，则通过电感值的步进实现。方案比较：以上两种方法都能满足题目中提到的实现频率步进的要求，但是方案二中需要通过电感的调整来实现频率的步进，这样就很难掌握电感值的大小，不容易做到精确控制。 3. 数模混合自动稳幅电路由于振荡源输出信号的幅度随频率改变，特别是在高频段信号幅度有所下降，为了满足题目要求输出电压峰峰值的要求，我们设计了数模混合自动稳幅电路。其电路如图十所示。可控增益放大器的工作原理为：由单片机控制的d/a转换电路输出的误差电压，作为放大器的可控偏置电压源，改变晶体管发射结电阻，从而改变放大器的增益，达到稳幅的目的。原理公式描述如下：其中，为晶体管的电流放大倍数，、分别为可控增益放大器的交流负载和发射极静态电流，、分别为晶体管的热电压和导通电压。4. 峰值检波电路本电路采用二极管检波电路，对自动稳幅电路的输出正弦信号进行峰值检波，再经a/d转换送到单片机用于输出信号峰峰值的控制和显示。5. a/d转换电路本电路对峰值检波输出的信号进行a/d变换后送单片机，用于控制稳幅电路和输出信号峰峰值的显示。具体电路如图十一所示：6. d/a 转换电路本电路由单片机控制d/a转换芯片组成，将经过单片机内部比较输出的数字误差量转换成模拟信号，去调整自动稳幅电路的增益，使之达到稳幅。其电路图如图十二所示。7. 丙类功率放大电路将vco的输出信号进行功率放大，使负载获得满足要求的功率。为了获得较高的整机效率，本电路末级选用丙类功率放大器。电路图如图十三所示：本谐振功放的输出由l1，c1和l2，c2两级l型匹配网络级联成，匹配网络电路如图十四所示。图中rl为实际负载，re为放大器所需要的负载，rs为匹配网络的转换等效负载。bg2及其电路为激励级。设计过程所用基本公式为2 其中，具体设计计算结果如下：依题意，设定有载品质因数，则：匹配网络的参数为：对于输入回路的设计，我们使用了同样的设计方法，在实验中，根据经验，选择参数如下：=52p,=0.12uh,=0.25uh,=101事实上，由于高频电路的分布参数影响较大，在实际制作过程中，个别参数需作适当调整。8单片机硬件系统采用单片机系统完成从键盘读取控制指令、手动输入频率、按两种步进值增减频率、数字测频实时测量当前真实频率，并提供数码显示功能。电路图如图十五所示。具体设计如下：1）单片机选用89c52，内部有8k字节的flash rom和256字节的ram，足以满足系统需要。2）为了提高系统的稳定度，采用xicor公司内置eeprom看门狗的集成块，在这里我们只用了其中的看门狗功能。第三部分 软件设计1. 单片机程序设计软件编程是实现系统智能化、完善功能的重要途径，也是本题发挥部分要求的关键，软件的主要任务是：实现键盘管理、显示等人机接口；接收数字测频系统采集的数据，经过内部处理显示频率。主程序流程图如图十六所示：主程序采用查询方式检测是否有键按下，如果当前是数据输入模式，可手动输入工作频段内的任意频率。如果当前是功能模式，可通过相应按键来按两种步进间隔改变频率，测量并显示当前的频率值和输出峰峰值。功能模式和数据模式通过一个模式键来切换。主程序框图:2. cpld程序设计数字测频是利用数字频率计的原理,先将被测信号fin经过放大和波形变换变成方波信号，用高速计数器在固定的门控时间内(在此处为1ms),测得被测脉冲个数的数值n, 由下面公式:即可得出此时的输入频率fin。该电路由altera公司的可编程逻辑器件max epm7128slc84-15组成，为单片机提供测频数值，测频频率可达60mhz，足可满足本题要求。框图如图十七所示：第四部分 测试方法、数据及结果分析1. 使用仪器(见表一)表一编号名称型号1惠普无线电综合测试仪hp 8921a2日立100mhz 示波器hitachi v-10603100mhz 双踪存贮示波器gos-6103460mhz 数字存贮示波器tds 2105频率计df 33406lcr 数字电桥yb28117单片机仿真器伟福 h51/s2. 测试方法与数据1) 频率范围振荡输出波形，用示波器显示，观察无明显失真，用数字频率计测得其频率范围为15mhz35mhz。由于在锁相频率合成技术中使用了晶体振荡器，因而输出信号频率的稳定度优于。2) 输出电压峰峰值调谐振荡源的振荡频率，用示波器测得稳幅电路输出幅度如表二所示。表二fo(mhz)152535输出峰峰值vp-p (v)1.051.00.953) 谐振功率放大器的指标用示波器测出输出负载上的峰峰值，得到输出功率用万用表直流电流档测出功率放大器的电流ico，得出功率放大器总功率，并得到效率,实测数据如表三所示：表三rlrl串联（串cl）vp-p4.2v3.8vico0.25a0.25ap044.1mw36.1mwpd3w3wc1.471.20备注rl=50 ,cl=20p,vcc=12v4) 各项功能指标的实现情况列表四如下表四测试项目题目要求测试结果基本部分输出波形无明显失真的正弦波好输出频15mhz35mhz达到要求输出频稳度优于优于输出电压峰-峰值vp-p1v0.1v达到要求实时测量电压峰-峰值精度优于10已实现输出频率步进间隔1mhz100khz优发挥部分输出频率进一步扩大输出频率范围1436mhz输出频率稳定度采用锁相环优于频率步进步进间隔100khz优输出频率实时测量已实现输出功率（50）20mw44.1mw输出功（50，20pf）20mw36.1mw特色部分手动输入14mhz36mhz 内的任何频率，3. 结果分析通过上述结果分析，已经完成了本课题基本部分的所有要求，振荡器输出的信号频率达到要求的范围。输出幅度的变化值小于10%，频率稳定度优于。对于发挥部分，信号频率的步进间隔达到100khz，功率放大器的输出功率达到40mw,不足的是检测出的功率放大器的效率较低，这可能是器件的工作状态和匹配网络的设计并不是很合适，加之缺少经验，不善于调整，段时间内调不出较佳效总 结 本次毕业设计的题目是电压控制lc器的设计和制作，它涉及到了电子电路的各方面基础知识：模拟电路，数字电路，信号与系统，数字信号处理等各方面，以及单片机方面的芯片选择以及系统的组合，程序的设计。其中有我们学过的知识，也有我们过去很少接触的知识。通过本次毕业设计，我们在制作、设计、电路分析等方面得到了进一步的提高。也掌握了许多书本以外的知识，以前所学的知识比较零乱，但通过这次的毕业设计又重新得到了巩固。而对于过去没有深入学习的知识，通过查阅参考资料和工具书，有了更多的认识，尤其是在高频信号处理、单片机应用、模拟电路设计等各方面获得了丰富的知识和经验。这对我们以