高频压控LC振荡器的设计正文.doc

LC压控高频振荡器的设计 压 控 高 频 LC 振 荡 器 的 设 计学生：xxx，物理与信息工程学院指导老师：xxx，xx大学摘 要振荡器在现代科学技术领域中有着广泛的应用。例如：在无线电通信、广播、电视设备中用来产生所需要的载波和本机振荡信号；在电子测量仪器中用来产生各种频段的正弦信号。近年来，随着无线通信技术的飞速发展，使市场对射频集成电路产生了巨大的需求。所以设计高性能的压控振荡器对通信系统性能的提高具有十分重要的意义。本文首先介绍了振荡器的理论知识，接着介绍了振荡器的分类，并比较了几种振荡器的优劣。重点介绍了LC压控振荡器的理论和设计实现方法。在本论文中完整的分析和介绍了一个具有宽调谐范围的电感电容压控振荡器的设计方法及流程。通过折衷考虑设计中相位噪声、功耗、调谐范围相互之间的关系，完成了整个设计，并对设计进行了仿真。本电压控制LC振荡器系统包括压控振荡器（VCO），高频功率放大器（RFAMP），单片机测频系统。本系统的VCO部分采用了大变化范围的变容二极管做振荡电容，频率调节范围宽，且能保持良好的线性度，振荡环路加入了防振措施，高次谐波能得到很好的抑制，输出的正弦波波形良好，纯度高，失真低，幅度高且稳定。本系统采用单片机控制，结果以数码管的形式显示。关键词LC压控振荡器；放大器；频率稳定度；单片机 Voltage control design of high frequency LC oscillatorsStudent : xxx, physics and information engineering collegesInstructor : xx, Jianghan UniversityAbstractOscillator has a wide range of applications in the field of modern science and technology, for example, in radio communication, radio and television equipment used to produce the desired carrier and the local oscillation signal; used to generate the sine of the various frequency bands in the electronic measuring instrumentssignal. In recent years, with the rapid development of wireless communication technology, the market has created an enormous demand for radio frequency integrated circuits. Therefore, the design of high-performance voltage-controlled oscillator performance improvement of communication system has great significance.This paper first introduces a theoretical knowledge of the oscillator, then the classification of the oscillator, and compare the pros and cons of several oscillators. Focuses on the theory and design of the LC VCO implementation. In this paper a complete analysis and design methods and processes of a inductor-capacitor voltage-controlled oscillator with wide tuning range. As a compromise to consider the design of phase noise, power consumption, tuning range, the correlation between the completion of the entire design, simulation and design. The voltage-controlled LC oscillator system including a voltage-controlled oscillator (VCO), high frequency power amplifier (RFAMP), single-chip frequency measurement system. The VCO part of this system uses a large range varactor do oscillation capacitance, wide tuning range and maintain good linearity of the oscillation loop to join the anti-vibration measures, higher harmonics can be good suppression, the output sine wave, high purity, low distortion, high and stable amplitude. The system uses a single-chip control results in the form of digital tube display.KeywordLC VCO; amplifier; frequency stability; microcontroller目录摘 要.Abstract.目 录.第一章 概述.1 1.1 振荡器的定义及原理.1 1.2 振荡器的分类.4 1.2.1 RC振荡器.4 1.2.2 LC振荡器.5 1.2.3 晶体振荡器.7第二章 总体设计方案.9 2.1 设计任务与基本要求.9 2.2 方案比较与论证.9 2.3 整体方案设计.12第三章 单元电路的设计与实现.14 3.1 压控LC振荡器电路.14 3.2 PLL频率合成电路.16 3.3 高频功率放大器电路.21 3.4 自动增益控制电路.25 3.5 测频测幅及显示电路.25 3.6 软件系统的设计.28第四章 测试方法与结果分析.31 4.1 测试仪器.31 4.2 测试方法.31 4.3 结果分析.32总结.34致谢.36参考文献.37附录一.38附录二.39附录二.4142第1章 概述1.1 振荡器的定义及原理振荡器简单地说就是一个频率源，一般用在锁相环中。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。所谓“振荡”，其涵义就暗指交流，振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。能够完成从直流电能到交流电能的转化，这样的装置就可以称为“振荡器”。目前应用最多的一类振荡器位反馈振荡器，其实质是建立在放大和反馈的基础上的。图1.1为反馈振荡器的构成框图。由图可知，当开关S在1的位置时，放大器的输入端外加一定频率和幅度的正弦波ui，这一信号经过放大器放大后，在输出端产生输出信号uo，若uo经反馈网络并在反馈网络输出端得到反馈信号uf与ui不仅大小相等，而且相位也相同，如此时除去外加信号源，将开关由1端转接到2端，使放大器和反馈网络构成一个闭环回路，那么，在没有外加输入信号的情况下，输入端仍可维持一定幅度的电压uo输出，从而产生了自激振荡。 图1.1 反馈振荡器构成框图为使振荡器的输出uo为一个固定频率的正弦波，就是说自激振荡只能在某一频率上产生，而在其他频率上不能产生，则图1.1所示的闭合环路内必须含有选频网络，使得只有选频网络中心频率的信号满足uf与ui相同的条件而产生自激振荡，对其他的信号不满足uf与ui相同的条件而不产生震荡。当反馈信号uf等于放大器的输入信号ui，这时振荡电路的输出电压不再发生变化，电路达到平衡状态，因此，将称为震荡的平衡条件。这里uf和ui都是复数，所以两者相等是指大小相等而且相位相同。根据图1.1可知，放大器开环电压放大倍数A和反馈网络的电压传输系数F分别为 ；由此可得，振荡的平衡条件为，式中，T为反馈系统环路增益。可见，振荡的平衡条件包括振幅平衡条件和相位平衡条件两方面。相位平衡条件：（n=0,1,2，）振幅平衡条件：上式是维持振荡的平衡条件，是指振荡器已进入稳态振荡而言的。为使振荡器的输出震荡电压在接通直流电源后能够由小增大直到平衡，则要求在震荡幅度由小增大时，反馈电压相位必须与放大器输入电压同相，反馈电压幅度必须大于输入电压的幅度。综上所述，反馈振荡器既要满足起振条件，又要满足平衡条件，其中相位起振条件与平衡条件一致，即振荡闭合环路必须是正反馈，这时构成振荡电路的关键。同时，振荡电路的环路增益的模值T还必须具有随振荡电压Ui增大而下降的特性。如图1.2所示： 图1.2 满足起振条件和平衡条件的环路增益特性起振时，T1，Ui迅速增大，随着振荡振幅的增大，T下降，Ui的增长速度变慢，直到T=1时，Ui停止增长，振荡进入平衡状态，在相应的平衡振幅UiA上维持等幅振荡，故A点称为振幅平衡点。一般只要偏置电路和反馈网络设计正确，则T作为振荡幅度的函数是一条单调下降的曲线，仅在一个振荡幅度下, T=1，因此振荡器仅存在一个平衡状态A。在开始起振时，T1，振荡器处于增幅振荡状态，振荡幅度逐渐增加，直到达到平衡点A为止，达到平衡点后，环路增益幅度下降为1，使得振荡器维持稳定振荡。这种振荡方式通常称为软自激，它的特点是不需要外加激励，依靠振荡器内部电路的噪声性能便可自激振荡。但在某些情况下，T作为振荡幅度的函数不是一条单调下降的曲线，而是先随着振荡幅度的增加而增加，达到最大值后，又开始随着振荡幅度的增加而减小，如图1.3所示。在两个不同的振荡幅度，T=1，I=1，因此振荡器存在两个平衡状态B与Q，其中平衡点Q满足振荡器的振幅稳定性条件，是稳定平衡点，而平衡点B不满足振幅稳定性条件，在该点 0当震荡幅度稍大于V时， 环路增益大于1，成为增幅震荡，振幅越来越大，最后稳定于Q点，反之，当震荡幅度稍小于V时，环路幅度增益将小于1，成为减幅震荡，振幅越来越小，后停止振荡，因此B点是不稳定平衡点。由于在振荡幅度小于V时，度小于l，振荡始终是衰减的，因此这种振荡器不能依靠内部电路的噪声自行起振，除非在起振时外加一个冲击信号，使振荡幅度冲过B点，才有可能激起稳定于Q点的平衡状态。这种需要外加一个冲击信号才能起振的现象称为硬自激。通常都应该使振荡器工作在软自激状态，避免其工作在硬自激状态。QB|V|VV负斜率正斜率|T|1O 图1.3 硬自激的振荡特性1.2 振荡器分类1.2.1 RC振荡器采用RC选频网络构成的振荡器称为RC振荡器，它适用于低频振荡，一般用于产生1HZ1MHZ的低频信号。常用的LC振荡器为RC桥式振荡电路。RC桥式振荡电路如图1.4所示，它由集成运算放大器、RC串并联正反馈选频网络和负反馈电路组成。 图 1.4 RC桥式振荡器电路由于RC选频网络在W=WO时，因此，只要放大器的放大倍数，就能使电路满足自激振荡的振幅和相位起振条件，产生自激振荡。振荡器的振荡频率取决于RC串并联选频网络的参数。其振荡频率为 另外，由运放基本理论可知，同相放大的闭环增益为，可见，只要，振荡电路就能满足振荡的幅度起振条件。由于串并联网络的选频作用较差，当放大器进入非线性区域后，振荡波形将会产生严重的失真。所以为了改善输出电压波形，又能限制振荡幅度的增长，实用电路中R2采用负温度系数的热敏电阻。1.2.2 LC振荡器以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器称为LC正弦振荡器，常用的电路有变压器反馈振荡器和三点式振荡器。这里主要介绍三点式振荡器。三点式振荡器的基本结构如图1.5所示： 图1.5三点式振荡器基本结构.图中放大器件采用晶体管，X1、X2、X3三个电抗元件组成LC振荡回路，回路有三个引出端口分别与晶体管的三个电极相连，使谐振回路既是晶体管的集电极负载，又是正反馈选频网络，所以把这种电路称为三点式振荡器。为产生振荡，电路应构成正反馈，所以为了使与反相，必须要求X1和X2为性质相同的电抗元件，既同为感性或同为容性电抗元件。电感三点式振荡器又称哈脱莱（Hartley）振荡器，电感三点式振荡器的优点是容易起振，另外，改变谐振回路的电容C，可方便的调节振荡频率。但由于反馈信号取自电感L2两端压降，而L2对高次谐波呈现高阻抗，故不能抑制高次谐波的反馈，因此，振荡器输出信号中的高次谐波成分较大，信号波形较差。电容三点式振荡器又称考毕兹（Colpitts）振荡器，电容三点式振荡器的反馈信号取自电容C2两端，因为电容对高次谐波呈现较小的容抗，反馈信号中高次谐波分量小，故震荡输出波形好。但当通过改变C1或C2来调节振荡频率时，同时会改变正反馈量的大小，因此会使输出信号幅度发生变化，甚至会使振荡器停振。所以电容三点式振荡电路频率调节很不方便，故适用于频率调节范围不大的场合。为了减小晶体管极间电容的影响可采用克拉泼（Clapp）电路，与前述电容三点式振荡电路相比，仅在谐振回路电感支路中增加了一个电容C3，其取值比较小，要求C3C1，C3C2。谐振回路接入C3后，虽然振荡频率稳定度提高了，改变C3反馈系数可保持不变，但谐振回路接入C3后，使晶体管输出端与回路的耦合减弱，晶体管的等效负载减小，放大器的放大倍数下降，振荡器输出幅度减小。C3越小，放大倍数越小，如C3过小，振荡器不满足振幅起振条件而会停止振荡。若在电路中电感线圈L上再并一个可变电容，即可构成另外一种改进型电容三点式振荡器，称为西勒（Seiler）振荡器。它改善了克拉泼电路存在的一些问题。调节C4改变振荡频率时，因C3不变，从而可以保持振荡幅度的稳定。当C1C3，C2C3时，振荡频率可近似为 图1.6 西勒振荡电路1.2.3 晶体振荡器石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振；而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。晶振在应用具体起到的作用，微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路；RC（电阻、电容）振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置，适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一种为简单的分立RC振荡器。基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。RC振荡器能够快速启动，成本也比较低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。在使用时，陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感，但在过驱动时很容易产生频率漂移（甚至可能损坏）。影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰（EMI）、机械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性，并且在有些情况下，还会造成振荡器停振。上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。这些模块自带振荡器、提供低阻方波输出，并且能够在一定条件下保证运行。最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器（硅振荡器）。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高，多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。 选择振荡器时还需要考虑功耗。分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流以及电路内部的电容值所决定。CMOS放大器功耗与工作频率成正比，可以表示为功率耗散电容值。陶瓷谐振槽路一般具有较大的负载电容，相应地也需要更多的电流。相比之下，晶振模块一般需要电源电流为10mA 60mA。硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能，范围可以从低频（固定）器件的几个微安到可编程器件的几个毫安。一种低功率的硅振荡器，如MAX7375，工作在4MHz时只需不到2mA的电流。 在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素：精度、成本、功耗以及环境需求。第二章 总体设计方案2.1 设计任务与基本要求设计任务：设计并制作一个电压控制的正弦波振荡器。基本要求：1. 其输出频率范围为15-30MHz；2. 频率稳定度优于0.001；3. 输出电压峰峰值为1V；4. 实时测量并用数码管显示振荡器输出频率值；5. 可实现手动或遥控输出频率的步进，步长为1MHz。 2.2 方案比较与论证电压控制LC振荡器应将基本部分和发挥部分综合考虑。明确要求设计制作两个可相互独立的部分：一是制作15-30MHz的频率间隔1MHz步进调整和指定频率设置的LC振荡器；二是工作于30MHz点频的高效高频功率放大器。对于LC振荡器（1）输出信号振幅稳定(Up-p=10.1V)，波形无明显失真的正弦波；（2）输出信号的频率范围要为15-30MHz；（3）显示预置的频率和输出信号的测量频率及输出信号Vp-p数值； （4）LC振荡器工作于短波的高端，要做好信号缓冲隔离和电磁屏蔽，要做好元器件固定和电源及控制信号的净化。对于30MHz点频率高效高频功率放大器（1）信号源是LC振荡器，功率放大器输入要不影响LC振荡器性能；（2）功率放大器是工作于30MHz点频，无带宽要求，尽可能做窄带功率放大；（3）只能是在单电源E=12V条件下工作，而且要求在纯阻负载和一个等效的容性负载的纯阻部分得到无明显失真正弦波的功率Po20mW；（4）提高功率放大器效率需选丙类高频功率放大器；（5）滤波匹配网络要处理好在纯阻负载和容性负载时的匹配。宁可让高频功率放大器工作在略过压状态，而不要工作在欠压状态。LC振荡器频率产生选用的方案有四种：开环频率合成有电压频率合成和直接数字频率合成（DDS）；闭环频率合成有锁相环频率合成和含AFC的电压频率合成开环频率合成中的电压频率合成。 其基本原理是根据预置数值由单片机产生相应的数字量，通过D/A转换器产生控制电压去控制VCO中的变容二极管实现电调改变VCO的工作频率。方案的特点是电路简单、经济，输出频率可以连续调整，但工作频率稳定度较低（能达到10-3要求）。最主要的是变容二极管压控特性存在非线性，压控灵敏度不一致，随着外加电压增加，压控特性曲线斜率逐渐变小，变容二极管压控灵敏度将降低，从而带来了预置量与数字量变换的设计和调整困难，同时还要求D/A的分辨率较高。开环频率合成中的直接频率合成（DDS）。基本原理是利用计算机查寻表格上所存储的正弦波取样值，正弦波的数字量通过D/A转换产生模拟量的正弦波信号。由改变查表速度来改变信号频率。用预置于RAM存储器中所需波形的量化数据，按照控制字要求，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来读取存放于波形存储器内的波形数据，经D/A和滤波产生所需信号。直接数字频率合成具有相对带宽很宽，在1535MHz内无需分波段，转换时间短，频率分辨率高的优点。但电路复杂，不经济。闭环频率合成中的带AFC电压频率合成。基本原理是由单片机对输出信号的频率进行测量，由这一频率量（测量量）同所需的频率量（预置量）进行比较处理，产生数字增量，在预置量的基础上形成一个控制的数字量经D/A转换去控制VCO中的变容二极管来完成电调和AFC功能。AFC是由预置频率数字量同实测频率数字量增量来实现的。这一方案的特点是充分利用电路资源，且简单、频率稳定度较高、调整方便、频率可连续调整，但AFC时间长。 闭环频率合成中的锁相（PLL）频率合成。其工作原理是利用单片机进入预置频率量及步进量来产生分频比的控制数字量，分别改变程序分频器和参考分频器的分频比。VCO的输出信号频率经前置分频（固定分频）、程序分频（可变分频）得到的频率特征信号与参考频率（晶体振荡器）经参考分频器输出的基准频率在鉴相器鉴相，产生误差电压经低通滤波器滤波来控制VCO的变容二极管，改变VCO的工作频率，一旦进入鉴相器的两个信号频率相同，则鉴相输出一固定的电压，从而VCO稳定地工作在预置频率上。通过单片机控制程序分频器和参考分频器的分频比，来改变VCO输出信号的频率以及频率调整的频率间隔。锁相频率合成具有频率稳定度高，准确度好的特点。但输出信号频率不能连续可调，只能以频率间隔步进调整和按频率间隔的整倍数值设置。图2.1 压控方式的系统框图LC振荡器稳幅选用的方案有三种：分立元件BJT或FET的AGC、数字电位器AGC、数模混合AGC。分立元件BJT或FET稳幅。 结型场效应管稳幅，是UDS很小时在UGS的控制下，导电沟道呈现线性电阻特征，导电沟道的电阻值随UGS变化。场效应管T等效一受控电阻RDS，Uo=（1+R/RDS）Ui。故在Vp-p变化时，UGS相应变化，使RDS变化，则Uo相反变化，从而实现稳幅；BJT是利用Up-p变化来改变T的工作点，使其对应的增益变化来实现稳幅。这种方案简单、经济，但稳幅性能不佳。数字电位器稳幅。 数字电位器AGC的工作原理与FET相似，是通过改变放大器的反馈量来调整放大器增益。只是这种调整量利用Vp-p检波的直流电压经A/D转换由单片机产生数字量控制数字电位器的阻值，电路的特点是控制精度高、稳幅性能好，但电路复杂、成本高，并且数字电位器高频特性差。 采用可控增益放大器稳幅。可控增益的放大器选用高频特性好的IC，由Vp-p检波后的电压经A/D、单片机和D/A去控制可控增益放大来稳幅。该稳幅电路最大的特点是高频性能好，调整方便（可设置输出幅度），稳幅精度高，但电路复杂。由上述分析可知：LC振荡器频率产生采用闭环AFC电压频率合成和闭环PLL频率合成满足题目要求，但以PLL为佳。稳幅电路宜选用高频特性好的可控增益放大器来构成稳幅电路。单片机和A/D、D/A等资源要优化，且充分利用。高效高频功率放大器重点是失真要小、效率要高、输出功率要大。难点在电源电压E=12V时，保证纯阻负载和容性负载电阻上的高频不失真功率要达到Po20mW为了减小功率放大器对LC振荡器的影响和高效率输出大功率，选用有推动级、激励级及末级工作于丙类（C类）的电路结构，性能优劣集中表现为滤波匹配网络的设计上。功率放大器由推动级、激励级和末级三部分组成。为了提高效率，末级工作于丙类，晶体管选用高频功率管。功率放大器中的滤波匹配网络是关键：进行阻抗变换保证激励级至末级，末级至负载高效率获得所需的功率；充分滤除不需要的高次谐波，减小波形的失真；让滤波传输效率k=P1/P，尽可能接近1。2.3 整体方案设计数显压控LC振荡器的设计主要由五个模块电路构成：LC振荡器模块、PLL频率合成电路、高频功率放大器模块、自动增益控制模块、测频测幅及显示模块。频率的测量和高频电压的测量，通过转换开关来分别进行，公用一块数字显示LED，整体设计方案如图2.2所示。 图2.2 数字显示电压控制LC振荡器系统方框图各部分电路实现方式分析如下：1、振荡器部分前面已经介绍过，可以使用闭环频率合成中的锁相（PLL）频率合成。2、压控电路的实现的系统框图也已经给出。3、本设计的功率放大电路可以采用丙类功率放大电路来实现；也可以采用不含调谐回路的甲类功率放大电路来实现，其基本特点就是结构简单，制作容易，在调试时只要将晶体管的静态工作点调整好就可实现放大信号的目的，而且可以在电压输出之前设计一个射极跟随器电路来隔离输出。4、LED数字显示电压表设计制作可由ICL7107构成的三位半数字电压表电路实现，满量程取为200mv。根据需要可外接分压电阻扩展量程。焊接时应将V+显示各点（即LED的公共阳极）用短路线连通,并把B点与V短接.需作固定显示的小数点DPX（DP1DP3中之一）与印制板的引出端DP相连。 通过测量输出电压间接得出频率值。也可采用A/D转换专用模块数码显示频率值。第三章 单元电路的设计与实现3.1 压控LC振荡器电路为使输出幅度稳定在1.0V，电路引入了交流电压串联负反馈并利用MC1648的自动增益控制来调节振荡器的振荡幅度。如图3.1所示为MC1648内部电路结构，振荡器包括连接Q6的基极和Q7的集电极的正反馈。其内部包含了一个自动增益控制口去限制晶体管的发射极耦合对并且允许最佳的频率响应。为了保持振荡器高的品质因素并且提供高的频谱纯度，晶体管Q4被用于传递振荡器信号到差分输出对Q2和Q3。Q2和Q3和输出晶体管Q1一起提供一个高的、具有缓冲的方波输出。晶体管Q9和Q11为振荡器和输出缓冲器提供了偏压。将输出电压用负反馈输入引脚5，当输出幅度增大时，输入引脚5的电压降低，Q8基极电位下降，集电极电位上升，Q7基射极电压减小，放大倍数减小，因此输出幅度减小，反之，当输出幅度减小时，则经过负反馈后放大倍数增大，输出幅度加大。图3.1 MC1648的内部结构电路MC1648 是单片集成的射极耦合振荡器，输出 MECL 电平。电路工作时，外接电感 L 和电容 C 的并联谐振回路即可形成固定频率的振荡器。若外接变容二极管控制变容管的直流偏置即可构成 LC 压控振荡器。 MC1648 的工作电源为 5v 或负 5.2V。最高工作频率可达 225MHz.。几种常见的变容管连接方式和相应的压控特性见下图，其中（a）（b）为单管连接，控制电压加到变容管，其作用是限流。（c）采用双管背对背连接，其工作频率高，压控特性也好，本系统采用此种结构。电路的 5 端为 AGC。改变 AGC 的电位，则振荡幅度改变，经放大输出的波形也不一样。通过 AGC 调节，电路可以输出正弦波，也可以输出方波。 图3.2 MC1648的几种常见的连接方式和压控特性图中1K的电阻被用于在测试中保护变容二极管，在AGC口和VCO输入应该连接电容。当输出频率在1.0MHz到50MHz时一个0.1uF的电容就足够了（如C1和C2）。当更高频率时应该使用更小的电容，更低频时，更大的电容。高频时旁路电容的值根据系统电路的物理布局确定。所有的旁路都应该尽可能的接近引脚以减小导线电感。3.2 PLL频率合成电路锁相环(PLL)是构成频率合成器的核心部件。主要由相位比较器(PD)、压控振荡器(VCO)、环路滤波器(LP)和参考频率源组成。锁相环是一种利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号反馈控制电路。他的被控制量是相位，被控对象是压控振荡器。如图3.3所示，如果锁相环路中压控振荡器的输出信号频率发生变化，则输入到相位比较器的信号相位和必然会不同，使相位比较器输出一个与相位误差成比例的误差电压，经环路滤波器输出一个缓慢变化的直流电压，来控制压控振荡器输出信号的相位，使输入和输出相位差减小，直到两信号之间的相位差等于常数。此时，压控振荡器的输出信号频率和输入信号频率相等，且环路处于锁定状态。 图3.3 锁相环原理框图如图3.4所示，锁相环频率合成器是由晶振、参考分频器、相位比较器、环路滤波器、压控振荡器、可变分频器构成。参考分频器对参考频率源进行分频，输出信号作为相位比较器参考信号。相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，环路滤波器是一种低通滤波器，它在鉴相器的输出端衰减高频误差分量，以提高抗干扰性能。ff/R参考分频器R鉴频器/鉴相器环路滤波器压控振荡器晶振可编程分频器前置分频器P/P+1 图3.4 锁相环频率合成器原理框图可变分频器对压控振荡器的输出信号进行分频，分频之后返回到相位比较器输入端与参考信号进行比较。当环路处于锁定时有所以有。只要改变可变分频器的分频系数P，就可以输出不同频率的信号。锁相频率合成单元是提高输出频率稳定性的关键部分。目前市场上的频率合成器集成电路很多，我们选用摩托罗拉公司的MC145152。该芯片是摩托罗拉公司生产的锁相环频率合成器专用芯片,是一块14位并行的码输入单模、单片锁相环频率合成器，片内含有参考振荡器，参考分频器，鉴相器，可编程分频器等部件，最大可变分频比为16383，最高工作频率能够满足系统的设计要求。MC1451522芯片具有下列主要特征：（1） 它与双模（P（P1）分频器同时使用，有一路双模分频控制输出MC。当MC为低电平时，双模分频器用（P1）去除；当MC为高电平时，双模分频器用模数P去除。它有A计数器和N计数器两个计数器。它们与双模（P（P1）分频器提供了总分频值（NPA）。其中，A、N计数器可预置。N的取值范围为31023，A的取值范围为063。A计数器计数期间，MC为低电平；N计数器计数（NA）期间，MC为高电平。 （3）它有一个参考振荡器，可外接晶体振荡器。 （4）它有一个R计数器，用来给参考振荡器分频，R计数器可预置，R的取值范围：8，64，128，256，512，1024，1160，2048。 （5）它有两路鉴相信号输出，其中，R、V用来输出鉴相误差信号，LD用来输出相位锁定信号。 MC1451522的供电电压为3.0V9.0V，采用28脚双列封装形式。 MC1451522的工作原理：参考振荡器信号经R分频器分频后形成fR信号。压控振荡器信号经双模（P（P1）分频器分频，再经A、N计数器分频器后形成fV信号，fVfVCO（NPA）。fR信号和fV信号在鉴相器中鉴相，输出的误差信号（R、V）经低通滤波器形成直流信号，直流信号再去控制压控振荡器的频率。 当整个环路锁定后，fVfR且同相，fVCO（NPA）fV（NPA）fR，便可产生和基准频率同样稳定度和准确度的任意频率。30 MHz频率合成器的设计：30 MHz频率合成器元件的选取:锁相环频率合成器选用芯片MC1451522。晶振选用10.24MHz的晶体，它的频率稳定度较高，可达106。低通滤波器选用运放芯片MC33171；模数P64，工作频率为2.0 GHz；压控振荡器选用压控LC振荡器。 MC145152-2芯片参数的设计取fVCO=30MHz,P=64,晶体频率10.24MHz，R计数器取次2048分频，有： fR=10.24MHz/2048=5kHz，NP+A=fVCO/fR=30MHz/5kHz=6000 N+A/P=6000/64=93余48，N=93=(0001011101)2，A=48=(110000)2 R2048，RA2RA0为111， N=93，N9N0为0001011101，A48，A5A0为110000。 R计数器、N计数器、A计数器可预置，各管脚接地为逻辑0，悬空为逻辑 30MHz频率合成器电路的设计 30MHz频率合成器电路图，如图3.5所示。 图3.5 频率合成器电路图 图3.5中，运放芯片MC33171构成了有源比例积分滤波器，在设计时首先选合适的电容C，然后，再根据n、N、KV、Kd和计算R1和R2的值。 R=KVK/(NC) (1) R=2/(C) (2) 式（1）和式（2）中，Kv为压控振荡器电调灵敏度（radsV）；Kd为比相器灵敏度，KdVDD2，VDD是运放的工作电压（VDD5 V），Kd单位取Vrad；N为总分频次数；为锁相环路的阻尼系数，的合适取值范围是在0510之间，通常选择最佳起始点0707；n为环路自然谐振角频率，n值的选择将直接影响环路滤波特性和捕捉时间，为了保证环路对噪声有较好抑制，n应该远小于鉴相频率d，通常可按式（3）选择 nd（301 000），（3） 当噪声来源于参考频率和分频器时，n可以选择得小些；当噪声来源于压控振荡器时，n可选择得大些。 具体计算如下： KdVDD（2）5（2）0796 Vrad， N=30MHz/5KHz=6000，=0.707，=2fR/50=6.285kHz/50=628rad/s，KV=410rad/sV,选择C=0.1uF,则R1= KK/(NC)=0.796410/(6000110628)=134.6kR2=2/(C)=20.707/(628110)=22.5k故：R1选用134.6K电阻，R2选用22.5K电阻。在实际调试过程中我们对电阻值做了微调，使其性能达到最好。锁相环频率合成的核心芯片MC145152的实现电路如图3.6所示。其中频率控制端可以由单片机或拨码开关控制，实现输出频率控制。图3.6 锁相环频率合成电路3.3 高频功率放大器电路晶体管作为放大器的核心部件，为使电路发挥其更高价值，一定要注意，在使用晶体管时，让其工作在安全工作区内.集电极最大允许电流ICM,当IC 超过ICM后，放大器性能降低，若IC 过大也可能烧坏晶体管;集电极最大允许耗散功率PCM, 晶体管在集电极上产生的功耗使集电结发热，超过集电结的最大耗散功率后，晶体管可能会被烧坏，大功率管中为提高PCM，一般外装散热器;二极管击穿耐量PSB,由于二次击穿是不可逆的,在使用时必须要求不发生二次击穿;发射极开路,集电极-基极间反向击穿电压U(BR)CEO,使用时,集电结电压超过U(BR)CEO后,会使晶体管造成永久性损坏或功能下降。在放大器原理上，功率放大器与其他放大器一样，都是能量转换器件，最主要是安全、高效和不失真（失真在允许范围内）地输出所需信号功率，为高效率输出信号且不失真（或失真在允许的范围内），通常采用丙类谐振功率放大器。在丙类谐振功率放大器中，管外电路由直流馈电电路和自给偏自电路两部分组成。如图3.7所示为集电极直流馈电电路（串馈），图中，LC为高频扼流圈,它与CC构成电源滤波电路,需要在信号频率上，LC的感抗很大，接近于开路，CC容抗很小，接近于短路，目的是避免信号通过直流电源而发生极间反馈，造成工作不稳定。 图3.7 集电极直流馈电电路（串馈）由于自给偏置效应可以使输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅,因此,在基