电压控制LC振荡器(1)

27 电压控制电压控制 LC 振荡器振荡器 摘摘 要要 本系统以单片机 AT89C55 为核心 采用电感反 馈 LC 振荡器 利用分波段方式进行频率范围扩展 采用 D A 直接控制和锁相控制两种方式对压控 LC 振 荡器进行控制 系统还组合了自动增益控制电路 测 频测幅电路 高频功率放大器电路等单元电路 锁相 环的实现 减小了步进间隔 提高了输出频率的稳定 度 自动增益控制单元 使输出信号的峰 峰值稳定 在 1V 左右 测频测幅单元完成了实时显示信号频率 和幅度的功能 功率放大单元对固定的 30MHz 信号 进行功率放大 且可以在 50 纯阻和容性负载实现 20mW 功率输出 具有较高的效率 整机指标达到 了题目的基本设计要求和扩展设计要求 整机性能基 本满足设计要求 28 一 方案论证与比较一 方案论证与比较 1 LC1 LC 振荡器的选择与论证振荡器的选择与论证 方案一 采用电容反馈的 Clapp 和 Siler 振荡器 振荡器是 依靠电容产生反馈电压的 线路简单 工作频率高 波形好 方案二 采用电感反馈振荡器 它是依靠电感产生反馈电 压 电路简单 容易起振 工作频段较电容反馈振荡器宽 1 基于上述考虑及题目的具体要求 我们选用方案二 注 1 引自 高频电路原理与分析 P104 西安电子科技大学 出版社 曾兴雯等 2 2 压控方式的选择与论证压控方式的选择与论证 方案一 采用手工改变电压法 在 LC 振荡器的谐振回路通过 改变变容二极管两端的电压来改变振荡器的输出频率 达到压控振 荡的目的 这种压控方式电路简单 但不利于单片机的智能控制 方案二 通过 D A 转换器 产生精确的控制电压 控制变容 二极管两端的电压改变振荡器的输出频率 这种方式的精度取决于 D A 转换器的精度 该方式电路结构简单 可利用单片机实现多种 功能 方案三 采用锁相环频率合成进行压控控制 锁相环频率合成 系统主要由 LC 压控振荡器 相位比较器 环路滤波器 可编程分 频器 高稳定度晶体振荡器 参考分频器 中央控制器等组成 该 振荡器的输出频率稳定度与晶体的稳定度相当 提高了输出频率的 稳定度 而且可以在单片机的控制下实现输出频率的多种步进形式 29 实时显示输出频率等多种功能 基于上述方案比较和题目的要求 我们采用了如图 1 1 1 的压 控方案 它综合了方案二和方案三 更好的满足了题目要求 图 1 1 1 压控方式的系统框图 二 单元电路的分析与实现二 单元电路的分析与实现 本系统以单片机 AT89S55 为核心 由 LC 压控振荡器 锁相环频 率合成器 高频功率放大器 自动增益控制电路等电路组成的 系统框 图如图 1 1 2 所示 30 图 1 1 2 系统框图 1 单片机小系统电路单片机小系统电路 本系统以 AT89C55 单片机为核心 以 4 4 键盘 128 64 点阵 液晶构成人机接口 辅助以 512K flash 存储器 W29C040 内装汉字 字库和图标 图形等 可以构成友好的人机界面 利用 8255 扩展并 口 DS12C887 提供系统时钟 将片外低 32K 地址分配给外部程序 存储器 28C256 为了使用方便 设计成与静态 RAM62256 兼容的 方式 系统框图如下图 1 1 3 所示 31 AT 89C55 256K flash 29C040 4 4 键盘 128 64 液晶 接口 28256 62256 DS 12C887 复位 晶振 X9511 图 1 1 3 小系统的结构框图 2 压控压控 LC 振荡器电路振荡器电路 我们采用了电感反馈振荡器 电路图如 1 1 4 所示 图 1 1 4 压控 LC 振荡器 32 变容二极管是该振荡器的关键元件 我们利用电路试验了手头 有的变容二极管 在其他条件不变的情况下测量 测试数据如下表 1 1 1 所示 表 1 1 1 单位 MHz 型号最高频率最低频率带宽 V10141 025 815 2 V14932 311 021 3 V14734 326 18 2 91045 030 015 0 C13F22 516 75 8 223644 635 69 0 虽然 V149 能够覆盖所有的频率范围 但电路在低端产生的二 次谐波导致波形明显失真 由于谐波在要求输出的频率范围之内 所以不能被滤波器滤除 综合考虑 选择 V101 作为最终方案 采用 V101 时 我们绕了两个线圈 测试数据如下表 1 1 2 所示 表 1 1 2 单位 MHz 最高频率最低频率带宽 线圈一37 322 6514 65 线圈二23 314 58 8 由上表可见 只要线圈调整适当 两个档位完全可以覆盖 15 35MHz 的频率范围 在实际应用中 只要简单的增加若干线圈 就可以达 到扩展频率范围的目的 33 3 锁相环频率合成电路锁相环频率合成电路 MC145152 2 芯片是摩托罗拉公司生产的锁相环频率合成器专 用芯片 MC145152 1 芯片的改进型 MC145152 2 芯片具有下列主 要特征 1 它与双模 P P 1 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 P 1 去除 当 MC 为高电平时 双模分频器用模数 P 去除 2 它有 A 计数器和 N 计数器两个计数器 它们与双模 P P 1 分频器提供了总分频值 NP A 其中 A N 计 数器可预置 N 的取值范围为 3 1023 A 的取值范围为 0 63 A 计数器计数期间 MC 为低电平 N 计数器计数 N A 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 MC145152 2 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 P 1 分频器分 频 再经 A N 计数器分频器后形成 fV信号 fV fVCO NP A 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 34 当整个环路锁定后 fV fR且同相 fVCO NP A fV NP A fR 便可产生和基准频率同样稳定度和准确度的任意频率 锁相环频率合成器选用芯片 MC145152 2 晶振选用 6 4MHz 的晶体 它的频率稳定度较高 可达 10 6 低通滤波器选用运放芯 片 OP27 由于锁相环工作频率不是很高且步进间隔为 100KHz 无需 使用双模分频器即可以达到题目要求 所以我们选用 SN74LS112 分频数 P 2 压控振荡器选用压控 LC 振荡器 取 100101100 300 3002 600 60050 30 50128 4 6 128 4 6 2 30 2 N fPfN kHzMHzffPN kHzMHzf RMHzPMHzf RVCO RVCO R VCO 于是分频计数器取次晶体频率 R 的取值 128 RA2 RA0为 011 N 的取值 300 为 100101100 9 N 0 N R 计数器 N 计数器 各管脚接地为逻辑 0 悬空为逻辑 1 运放芯片 OP27 构成了有源比例积分滤波器 如图 1 1 5 所示 在设计时首先选择合适的电容 C 然后 再根据 n N Kv Kd和 计算 R1和 R2的值 35 图 1 1 5 环路滤波器 2 2 2 1 CR CNKKR n ndV 式中 Kv为压控振荡器电调灵敏度 rad sV Kd为比相器 灵敏度 Kd VDD 2 VDD是运放的工作电压 VDD 5V Kd单位 取 V rad 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 0 5 1 0 之间 通常选择最佳起始点 0 707 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的抑制 n应 该远小于鉴相频率 d 通常可按式 3 选择 n d 30 1000 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 36 Kd VDD 2 5 2 0 796V rad N 30MHz 100KHz 300 k CR k CNKKR FCsVradK sradkHzf n ndv v Rn 2 2 1016280 707 02 2 7 6 6280101300 104796 0 1 0 104 628050 5028 650 2 707 0 7 2 27 72 1 7 则选择 故 R1选用 6 8K 电阻 R2选用 2 2K 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 图 1 1 6 锁相环频率合成电路 锁相环频率合成的核心芯片 MC145152 的实现电路如图 1 1 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 37 率控制 4 高频功率放大器电路高频功率放大器电路 高频功率放大器的设计需要先考虑晶体管的选择 通常在选择 过程中晶体管的极限参数将是选择的主要依据 这些参数包括 集电极最大允许电流 反向击穿电压 二次击 穿 集电极最大允许损耗功率 晶体管的安全工作区等 根据工作 频率和输出功率的要求 采用共发射极电路 设计工作在临界状态 电路图如图 1 1 7 所示 图 1 1 7 高频功率放大器 38 根据 因此选择的晶体管的特征频率MHzfffT30 10 MHzfT300 根据对输出功率的要求 同时考虑到集电极效率通常大于 50 故以晶体管的最大耗散功率 mWPCM20 集电极给定的电源电压为 12V 因此由 CEOC BVE 3 1 2 1 来确定必须的 CEO BV 根据上述要求及高频晶体管的参数 参阅有关晶体管手册 初步选定高频小功率三极管 3DG81B 其参数为 VBV h mAI mWP MHzf CEO fe CM CM T 45 5 35 4 300 3 300 2 1500 1 基本上满足题目的要求 在选择好晶体管后 最关键的就是功放管集电极匹配阻抗的估 算 我们采用变压器匹配 在 30MHz 时 考虑到负载电阻的大小 可以使传输效率大于 90 因此若负载电阻上的功率为 20mW 以 A P 上 要求晶体管的输出功率为 集电极的电源电压为 12V 设饱和压降为 0 5V 集电极的 CES V 高频电压振幅为 mW P P A 22 9 0 02 0 1 39 VUC 5 11 集电极最佳匹配阻抗为 K P U R3 022 0 2 5 11 2 2 1 2 若负载阻抗有容性电抗 须加入电感进行调谐 可按下式计算 25300 2 LC f uH Cf L40 1 2030 2530025300 22 在进行变压器匹配时 通过多次实验 确定抽头系数 由于集 电极的电阻 R 是近似值 晶体管的输出电容也包含在匹配网络中 在实际调试中要靠调节元件才能使匹配达到最佳 5 自动增益控制电路自动增益控制电路 具体电路见下图 1 1 8 在电路中我们选用了集成芯片 AD603 40 图 1 1 8 增益控制电路 AD603 一种具有程控增益调整功能的芯片 它是美国 ADI 公司 的专利产品 是一个低噪 90MHz 带宽增益可调的集成运放 如增 益用分贝表示 则增益与控制电压成线性关系 压摆率为 275V s 管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围 增益在 11 30dB 时的带宽为 90MHz AD603 的增益控制接口的输入阻 抗很高 在多通道或级联应用中 一个控制电压可以驱动多个运放 同时 其增益控制接口还具有差分输入能力 设计时根据信号电平 和极性选择合适的控制方案 在设计时 峰值检波电路输出信号经 过高速 A D 采样后 经单片机计算需调节的增益量并控制 D A 以获 41 得调节增益控制电压 从而精确地控制放大器的增益 达到稳定输 出电压的目的 6 测频测幅电路测频测幅电路 为了实时显示输出频率及输出幅度 我们采用了峰值检波电路 将输出信号转换为直流电平 再加一级直流放大单元 由 A D 转换 器采样送入单片机处理后 在显示单元进行显示 电路如图 1 1 9 所示 图 1 1 9 峰值检波电路 上图中 P6 端接频率输出 P7 接 A D 转换器到单片机 42 三 软件系统的设计三 软件系统的设计 软件系统使用菜单模式直观且利于操作 并且利于维护和升级 根据要求确定菜单的层次结构如下表 1 1 3 所示 表 1 1 3 菜单的结构与功能 第一级菜单第二级子菜单基本功能描述扩展功能 锁相输出无利用锁相环稳定频 率输出 直接输入频率 峰值控制 DA 压控输 出 无利用 DA 控制压控 振荡器输出 频率 测量 峰值控制 MHz 时 功率输出 无以一定功率输出 30MHz 的正弦波 功率调节 对比度设置设置液晶的对比度系统设置 时间日期设置设置系统时钟和日 期 43 按上下键选择菜单项 被选中的菜单将会反显 按下 ENTER 键执行选中的菜单 如果菜单项有下一级子菜单 就会打开子菜单 如果没有 就执行相应的子程序 按下 CANCEL 键 返回上一级菜 单 没有上一级菜单就认为是无效按键 键盘的定义 4 4 键如下图 1 1 10 所示 图 1 1 10 键盘设置 四 测试方法与测试数据四 测试方法与测试数据 1 测试仪器 QF1055A 高频信号发生器 EE1641B1 型函数信号发生器 Agient 54622D 混合信号示波器 44 Agient E4403B 频谱仪 DT9205 数字万用表 NFC 1000C 1 型多功能计数器 DA22A 超高频毫伏表 SS1793 可跟踪直流稳定电源 2 整机测试指标 1 输出正弦波频率范围测试 输出正弦波频率范围测试 断开功率放大器 在系统的频率输出端用 Agient 54622D 混合 信号示波器观察波形不失真情况下 用 NFC 1000C 1 型多功能计数 器测量正弦波的频率 D A 控制下 测试数据如下表 1 1 4 表 1 1 4 预置频率 MHz14 00015 00016 00017 00018 00019 00020 000 输出频率 MHz14 05015 00016 02016 98017 96019 04020 000 预置频率 MHz21 00022 00023 00024 00025 00026 00027 000 输出频率 MHz21 04022 05123 04624 02024 99925 95027 010 预置频率 MHz28 00029 00030 00031 00032 00033 00034 000 输出频率 MHz28 02128 93030 02031 05032 02833 04533 980 预置频率 MHz35 00036 000 输出频率 MHz35 02036 020 系统在 D A 控制时 用 NFC 1000C 1 型多功能计数器测量输 出频率为 25MHz 时 测量时间为 5 分钟时 观察到频率变化为 45 5KHz 算得输出频率的稳定度为 同样方法系统在锁相环控制 4 102 下时 测量输出频率的稳定度为 6 10 2 输出波形幅度的测试 输出波形幅度的测试 断开功率放大器 在系统的频率输出端用 Agient 54622D 混合 信号示波器观察波形不失真情况下 在示波器测量正弦波的幅度 测试幅度数据如下表 1 1 5 表 1 1 5 输出频率 MHz 15 0020 0025 00 30 0035 00 36 00 37 00 输出幅度 实测值 V 1 0451 0321 030 1 040 1 020 1 050 1 010 输出幅度 理论值 V 1 0001 0001 000 1 0001 000 1 000 1 000 3 功率放大器输出功率的测试 功率放大器输出功率的测试 调整输出频率为 30MHz 接上功率放大器 将功率放大器的 谐振频率调整到 30MHz 在功率放大器电源输入端串接 DT9205 数 字万用表测量 Ico 接通电源 用 Agient 54622D 混合信号示波器观 察波形不失真情况下 DA22A 超高频毫伏表测量负载