电压控制LC振荡器

电压控制 LC 振荡器 摘要 本系统以 89C51 为控制核心 由键控 LCD 显示 频率合成 功率放大 自动稳幅 控制 电压峰值检测 频率步进与测量显示等功能模块组成 系统可以实现 按键选频 或步进为 1MHz 100KHz 和 100KHz 的 12MHz 40MHz 稳定无失真频率输出 对输 出电压峰峰值进行自动稳幅控制并实时检测送 LCD 显示 采用丙类功率放大电路其 输出效率达 50 并能对 12MHz 40MHz 范围内各频段进行语音或 TTL 电平调制 经测试指标基本能达到要求 一 方案选择与论证 1 振荡控制方式选择 方案一 LC 谐振法 在本振回路中使用 LC 调谐回路 通过改变 L 或 C 的值来改 变本振频率 进而达到频率输出 利用 LC 回路易于实现 但是稳定性欠佳 要做 到题目发挥部分要求的各项参数有困难 方案二 电压合成谐振 单片机各种控制信号经 D A 转换后 将得到的调谐电压 送本振回路 通过改变容二极管两端电压来改变本振频率 从而实现电压合成谐 振 该方式结构简单 信噪比较高 但是由于本振属于开环方式 LC 回路 Q 值较 低 使得频率稳定度不高 另外 由于变容二极管压控特性的非线性 使得控制 电压改变时 各电压控灵敏度不同 这将对 D A 转换器件提出跟高的要求 制作 难度较大 方案三 PLL 频率合成方式 利用锁相频率合成技术 可以获得高稳定度的本振 信号 通过改变可编程分频器的预制数值 可以得到一系列的本振信号 此时本 振的稳定度与晶振的频率稳定度相同 而且能在单片机的控制下实现频率步进 输出 1MHz100K 和 100K 的功能 本系统采用此方案 2 锁相环频率合成器的选择 方案一 单片集成锁相环 L562 L562 集成锁相环中除了包含有鉴相器 和双平衡 模拟乘法器 和压控振荡器 射极定时多谐振荡器 之外 还有三个放大器 A1 A2 A3 限幅器和稳压电路等器件 因此它的环路性能和通用性能的非常好 是属于通用型的集成锁相环 它各集成部件之间有部分连接 能使它完成某几种 功能 但该集成的压控振荡器的频段跨越范围不宽且工作频率最高才可达到 35MHz 方案二 吞脉冲式集成锁相频率合成 MC145151 2 该芯片是一块 14 位并行码输 入的单模 单片锁相环频率合成器 片内包括一个晶体振荡器的分频器 一个可 编程序分频器 一个鉴相器和锁定检测器 采用标准的 CMOS 逻辑 参考分频带 有 12 位计数器 参考分频比通过三个输入端控制的存储及编码 最大可变分频 比为 16383 最高工作频率为 60MHz 该集成配合独立 VCO 便能满足系统设计 的要求 所以本系统选用该集成 3 压控振荡器 VCO 的选择 此方案的选择是本系统的重点 难点 方案一 采用常规的电容 电感与分立元件组成振荡器 它是经典的方法 电路成 熟 材料容量采购 也容易制作成功 但其频率范围只有 10M 左右难以达到本题 所要求的 15M 35M 的频率跨越 若用级联的方式 则可以满足甚至超出题目所 要求的频段范围 但电路复杂度增加 调试控制难度加大 且最大缺点是它的频 率稳定度最高也只能达到 元器件受环境 温度影响较大 未能达到频率高 3 10 稳定的要求 方案二 选用集成芯片 MC1648 该 IC 是单片集成的射极耦合振荡电路 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 其最高工作频率达 225M 接单可调电感即可满足题目所要求的频段跨越 且电路简单 易于调试 各参数受环境 温度影响较小 频率输出稳定度达 5 10 波形无明显失真 综合考虑 本系统采用方案二 二 系统简介及单元电路分析 1 系统简介 该系统由单片机控制 频率合成 压控 LC 振荡 峰值检测 自动稳幅控制及功率 放大等模块组成 系统方框图如图 12 1 所示 输 出 图 12 1 本系统是通过键盘输入所需要的振荡频率 经单片机运算转换后送频率合 成模块从而控制 VCO 锁住所需的频率 从 VCO 输出的信号经稳幅自动控制后 送功率放大输出 同时 从稳幅控制输出的信号经检波电路后送给峰值检测模块 对其峰 峰值进行采样后送单片机比较 并在 LCD 上显示锁住的频率和电压峰 峰值 2 单元电路 一 LC 振荡部分 1 VCO 中的变容管 单 片 机 频率合成 电压峰值检测 LCD 键 盘 VCO 功 放 稳 幅 输 出 控 制 在 LC 中频率的改变通过改变变容管两端的电压来完成的 变容管的电容 随控制电压 V 的变化而变化 其变化规律如下式所示 n rc j vV K C 其中 是变容管的电容 0 65V 是控制电压 K 是比例常数 n 称为 j C V rc v 变容指数 目前 国产变容管多数属于突变结型 其 n 0 5 对于超突变型 其 n 1 2 的绝对量的大小则由 K 所决定 K 代表 1V 时的值 若要 j C rc vV j C 更大或更小的电容值时可用并联或串联的方法来实现 经分析 本系统采用参数 为 2 VCO 的压控非线性系数 及频率的相对覆盖 n K 0 v v 压控非线性系数定义为 n K max min max min rc rc VCO VCO n dv du dv du K K K 它的意义可以从图 12 2 中看出 下标 min 与 max 分别代表变容管的控制电压 位于高端和低端 如果 1 则压控曲线是一根直线 若1 说明 VCO 的 rc v n K n K 压控特性存在非线性 偏离 1 越大 则非线性越严重 合成器中所有的 VCO 对 n K 要求一般为或 值的大小 受以下三方面的影响 n K4 21 n K 2 1 4 1 1 n K n K 1 变容管的 n 值 2 变容管接入振荡回路的方式 3 的摆动幅度 rc v 在本系统中 变容管的 n 值为 0 5 以并联的形式接入振荡回路 的摆动幅度为 rc v 8V u max u min u 1v 9v Vrc 图 12 2 3 MC1648 的性能与使用 MC1648 的工作电压为 5V 最高工作频率 电路如图 12 3 MHzf225 max 图 12 3 图 12 4 电路中变容二极管是双管背对背串联连接 这样使得工作频率范围加宽 压控 效果更好 从锁相集成输出控制电压通过 1K 限流电阻加至两管中间 通过改变其 容值进而改变振荡频率 该电路还有 AGC 控制端 通过调节电位器改变 AGC 的 电位 则集成内部 Q8 的基极电位随之变化 振荡幅度也就会不同 经放大输出的 波形也不一样 所以也就可以通过该端来调节波形的失真度 使其达到最佳状态 三三三 锁相环控制部分 对于锁相集成我们选用的是 MC145151 2 并行输入 PLL 频率合成芯片 该集成芯片带单模预制置计数器接口 分别用 14 条和 3 条并行输入数据线 位 N 计数器和 R 计数器编排程序 在特征上本器件包括参考振荡器 可选参考 频率分频器 数字相位检测器和可以编程的除以 N 的 14 比特计数器 MC145151 2 是 MC145151 1 的性能经过改进的替补产品 功耗已经下降而 ESD 和锁定功能则大有改进 由 CMOS 技术的应用而取得的低功耗 电压范围 从 3 9v 同时该集成可以利用 N 计数器的输出 单模并行编程 用户可以选择的 8 个 R 值 8 128 256 512 1024 2048 2410 8192 N 选择范围 3 16383 在其内部 线性化 的数字频率相位检测器的能改进传输函数的线性度 其内部 结构如下图 12 5 单片机并行 14 位代码 图 12 5 按方案设计 参考频率设定为 10k 输出频率为 15MHz 35MHz 可采用 r f 0 f 直接分频方式 环路的可编程分频器的分频比 N 由下式计算得 r f f N 0 0 计算得最小分频比 1500 最大分频比 3500 min N max N 在锁相环路中 环路滤波器的设计是十分重要的 本系统采用无源比例积分滤波 器 其结构简单 性能稳定 调试方便 各个参数计算如下 平均分频比 25002 maxmin NNN 鉴相器灵敏度 5 4 VVVK DDDDd 压控灵敏度 实际测得 CVCO VfK 2 0 vsradKVCO 102 3 环路自然谐振角频率 10 2 r n f 21 RRNC KK VCOd n 环路阻尼系数 VCOd n KK N R2 2 1 晶 体 振 荡 参 考 分 频 鉴相器 可编程分频 低 通 L C 振 荡 取 0 707 2 2Uf 根据上两式得 10K 1 5K 为了使环路工作在 1 C 1 R 2 R 最佳工作状态 在电路调试时要根据需要对 和的值作适当的调整 1 R 2 R 1 C 图 12 6 三三三 稳幅自动控制电路 电路结构如图 12 7 信号 输出 图 12 7 放大衰减器放大射随输出 放大检波 基准调整 图 12 8 由 VCO 送来的信号幅度在几百毫伏之间 要达到输出 10 1Vpp 的要求 首先 要经由 Q1 Q2 组成的放大射随电路 使电压峰值输出达到 1Vpp 以上 D1 D2 是型号为 ISV99 的 PIN 二极管 由它组成电调衰减器 Q4 设计成射随输出电路 以提高信号输出的驱动能力 本单元电路的增益控制在 8 10dB 之间 而电调衰 减的增益在 0 15dB 之间 使它留有一定的控制余量 AGC 控制的电平检测电路 如图 12 9 图 12 9 由图 12 8 输出的信号经 C9 耦合到 Q4 组成的射随器 使检测电路与输出有一 定隔离 D3 D4 为检波二极管 将输出的交流信号整流成直流电平 送到差分电 路的 Q5 管的基极 Q6 的基极接有从 W6 送来的直流电压 它可调整 AGC 控制 信号的基准电平 控制输出信号的幅度 经实际测量 Q2 的发射静态电压在 6 0V D1 D2 的控制电压变化 0 5V 其输出信号的变化量在 0 12dB 之间 为此 电平检测电路应输出的电平在 6 50V 到 6 00V 之间 四 电压峰值检测 由图 12 8 放大电路输出的信号经射极跟随器后输出幅度 1Vpp 左右的交流 信号直接给 D1 D2 检波二极管检波 再经 2K 限流电阻后送 A D 转换集成采样 经多次采样后所得的数据送给单片机进行比较 然后取其平均值 再送 LCD 显 示 在本电路中我们采用型号为 MAX192 的 A D 转换集成 该集成有 8 路输入 10bit 的转换精度 其最大优点是数据的串行输出 与单片机连接的总线只有四 条 为单片机大大节省了 I O 口 电路如图 12 10 图 12 10 五 功率放大部分 对稳幅输出的 30MHz 正弦信号的功率放大 我们设计了一个单点频的三级放 大电路 如图 12 10 图 12 10 第一级由 Q1 采用 2SC1907 作为高频放大 第二级 Q2 采用 8050 作前置功 放 第三级同样也采用 8050 作末级功放 由于输入信号将近 1Vpp 为了获得足够大的推动信号 第一级采用高增益的 单调谐负载 电容 C6 直接耦合输出 发射级增加了 R3 的交直流负反馈 提高了 本级工作的稳定性 本级的增益控制在 12db 左右 第二级放大器作为前置功放 要求它有一定的电压增益 一般控制在 10db 范围内 同时还要求它有一定的负 载能力 所以我们加大了 C9 的耦合度 末级功放采用丙类放大 为了得到放大的 输出功率 必需提高它的集电极效率 为此在 Q3 的 b 极采用由 L5 R8 C10 组成 的自举电路 使 Q3 的导通角控制在 180 度以下 以达到最高的效率 该管的集电 极只用 L304 作电感负载 它有很强的负载能力 并有较高的电压增益 在 Q3 的 集电极 空载时输出电压达 30Vpp 由 C15 C16 C17 及 L7 组成输出低通滤波网络 能对多次谐波进行抑制 用 频谱仪观测分析 该网络对输出信号的二次谐波有 40dB 的衰减量 同时它还对 输出级 Q3 与负载之间进行阻抗匹配 以便在负载上获得最大的信号功率 六 单片机控制 单片机是本系统控制的核心 其主要功能是有三部分 一 锁相环控制 用户 可以根据需要对键盘进行输入某一频率 单片机接收转换后送往锁相集成进行锁 相 同时 用户也可以进行步进 1MHz 或 100K 的频率的稳定输出 二 A D 转换 为了实时对输出频率峰 峰值的测量 用户可以通过键盘控制 A D 的启动对输出 频率经检波后的信号进行采样比较 得出其中平均值后送 LCD 显示 用户便可 实时读出输出频率的峰 峰值 三 存储部分 在本系统中我们还存储了在平时比 较经常使用的几个中频 比如 21 4MHz 中频 图像中频 36 5MHz 等 用户可直接 手动键输入预储的中频点 便有准确的频率输出 七 其它 本系统还能对低频语音或 TTL 电平进行放大 调制 电源经过 R12 和 C13 滤波再通过 R2 给麦克风一个偏置电压 让麦克风正 常工作 来自麦克风的信号经过两个晶体管 C945 进行放大 在放大管上分别用 电阻对低频信号提供负反馈和用一个电容对抑制高频 防止产生高频自激 然后 再对变容二极管 VD1 调制 在 VD1 容量范围约 10pF 25pF 上串联一个小电容 本电路用 2p 来控制调节频偏 两级单管放大电路主要是用来放大由麦克风送来的信号 然后再送到变容二极 管去调频 为了使晶体管达到最好的放大曲线调整和使 A 和 B 点的直流 13 R 16 R 电压为 并且 和 来组成交直流负反馈和防止高频自激 根 2 VDD 14 R 28 C 15 R 29 C 据实际要求的频偏 调整他们的大小得 560 470pF 470 14 R K 28 C 15 R 220pF K 29 C 三 系统实现功能简介 1 频率输出范围 12MHz 41MHz 2 频率输出 步进频率 1MHz 100KHz 和 100K 3 在本系统频率范围内任意手动输出所需频率 4 50 欧纯电阻功率输出大于 20mW 5 负载改为 50 欧与 20 皮电容串联输出功率仍大于 20mW 6 A D 转换测试输出频率峰 峰值 误差小于 10 7 可对音频信号 数据脉冲进行调制后送 LC 振荡输出 8 可存储十几常用的中频点 四 测试方法及数据 一 测试仪器 SS 7804 双踪示波器 GSG 120 高频信号发生器 BT3C A 频率特性测试仪 GFC 8151 数字频率计 DT9208 数字万用表 MF50 型模拟万用表 二 整机指标测试 1 波形失真度测试 在功放的输出端我们可以测出输出频率的失真度 结果如下 频率 MHz 12MHz 18MHz18MHz 25MHz25MHz 41MHz 失真度 失真度较小 不失真不失真 2 频率步进的测量 步进 1MHz LCD 显示 KHz 150001600017000 330003400035000 频率计 MHz 15 00416 00317 003 33 00334 00335 003 步进 100K LCD 显示 KHz 151001520015300 3470003480034900 频率计 MHz 15 10315 20315 303 34 70334 80334 903 经分析 以上误差皆由锁相集成 MC145151 2 的内部相位噪声造成 3 电压峰 峰值测试 同样 也要功放的输出端用示波器测出该波形的电压峰峰值 结果如下 频率 M