【毕业学位论文】(Word原稿)电压控制LC振荡器-控制理论与控制工程

142 电压控制 荡器 摘 要 本系统以 89片机为控制核心，由压控振荡器（ 鉴相器 (环路滤波器 (个主要模块实现了压控 荡 实时测频 测幅 等功能。测频部分通过 现频率的测量，测幅部分采用自动增益控制电路实现对振荡信号的稳幅输出。同时设计制作一丙类谐振功放，对振荡器输出的 30 关键词：差分对振荡 锁相环 功率放大 143 1总体方案设计 案论证选择 方案一 ： 采用典型克拉拨 振荡或西勒振荡电路产生正弦波， 通过改变振荡回路变容二极管两端的偏压值来改变回路电容，使振荡频率发生相应改变。其缺点是频率稳定度不高，波段范围窄。 方案二：采用高频单片集成振荡器 压控振荡电路。它由差分对振荡电路、偏置电路和放大电路组成。可以产生正弦振荡电压输出，也可用以产生方波振荡电压输出。 方案三：采用差分对放大器来实现 荡。差分放大器的差模传输特性呈双曲正切形状，即在差模信号为零时，差分对管的跨导最大，使差分对振荡器易于起振。随着振荡的建立，差模信号幅度逐渐加大，晶体管将部分进入截止， 放大倍数逐渐减小。可见，差分对振荡器是依靠晶体管截止限幅来获得内稳幅的。晶体管截止时，呈现高阻抗，不会影响回路 而使振荡器频率稳定度高，输出波形好。随着振荡的建立，双管轮流截止，因此两管的集电极电流波形为对称的近似方波波形，不存在偶次谐波，从而进一步改善输出信号的波形。由于 振回路具有选择性，输出电压仍为正弦波。 方案比较：西勒振荡与克拉拨振荡的主要缺点时波段覆盖范围窄，若实现要求的频段信号输出，只能采用分波段切换的方法。采用集成的压控振荡芯片易实现，但其波形失真度较大，且不利于发挥 功能的实现，因此，我们最终选择方案三。 144 方案一：调节精密电位器产生一定的偏压加在变容二极管上，从而改变变容二极管的电容值，即改变回路电容，使振荡频率发生相应改变，实现一定范围的频率输出。该方案简单易实现，但不能用单片机控制。 方案二：用 D/A 转换或数字电位器产生一定的电压改变变容二极管的结电容， 从而改变选频回路和本振的振荡频率。此方式可实现单片机控制，但属开环方式，频率稳定度取决于 荡电路的稳定度。 方案三：用锁相环频率合成方式控制变容二极管的偏压。该方案的显 著优点是频率稳定度高，与晶体振荡器的稳定度相同。当压控振荡器参数发生变化时，可自动跟踪捕捉，使频率保持稳定。通过对可编程分频器的分频数进行预置可实现频率步进调整。 结合上述分析及本题发挥部分对频率稳定度的要求，本设计采用方案三。 方案一：甲类工作状态下，三极管在信号在 360 内变化时均导通，非线性失真小，但效率低，最大为 50%，且静态功耗很大。 方案二：乙类工作状态下， 工作点选在截止点，静态时， 0管子只有半周导通，另外半周截止 ， 导通角 为 180。 没有交流信号时就没有电流消耗 ，电源效率 较 高 ，最大值为 其 非线性失真较大，但若在电路结构上加以祢补，非线性失真是可以减小的。 方案三：丙类工作时， 180，采用 谐振网络进行选频输出，效率很高，结合题目要求，本设计选用丙类谐振功率放大器。 145 统简介 本系统由 荡器、锁相环频率合成器、功率放大器和单片机系统四部分组成。由差分对振荡器产生的峰峰值 1V 的 155弦信号经功率放大器实现功率放大输出，同时将信号分别 通过整形电路和峰值检波电路实现对输出信号频率和峰值的实时测量、显示。振荡器产生的正弦信号输出频率通过单片机对锁相环和 荡回路的控制实现。系统框图如下： 选 频 放 大丙 类 谐 振 功 放负 载频 率 测 量 模 块幅 度 测 量 模 块单 片 机控 制 系 统液 晶 显 示 模 块外 部 存 储 单 元键 盘 控 制 模 块图 1 - 1 系 统 框 图 组 成L C 振 荡 器锁 相 环 146 2原理分析与参数计算 容变化范围与振荡输出频段覆盖关系 变容二极管实质上就是一个结电容晶体二级管。根据理论分析，谐振回路频率为： 2 10 （ 2 所以变容二极管使谐振回路频率最大变化比为 m a xm a xm a (2要求振荡输出频率范围 155此 2 则变容二极管电容覆盖系数 NN c （ 2 由上述计算，选取变容二极管 现该频段的频率输出 . 147 3单元电路设计 C 振荡电路 由上述方案论证，对压控 荡电路部分选用差分对放大器来实现。电路形式如下： 图 3中， 1V 、 2V 接成差分对管形式，并由恒流源馈电。锁相环低通滤波电压输出控制变容二极管的偏压，实现对振荡器 输出频率的控制。 差分对振荡电路的输出信号峰峰值所频率变化而变化，不能满足输出1V 要求，因此我们设计了自动增益控制电路实现稳幅输出。方法是用单片机控制数字电位器实现闭环反馈，调整恒流源，从而实现稳幅输出。 148 相环控制电路 锁相环部分的原理框图如下： 图 3 该部分电路采用锁相频率合成芯片 是锁相环频率合成器专用芯片，是 片的改进型。具有下列主要特征 : 它与双模 P/P+1 分频器同时使用 ,输出端 制双模分频比。它本身具有 A 计数器和 N 计数器两个计数器，与双模 P/P+1 分频器提供了总分频值()。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 ,低电平 ;N 计数器计数 (间 ,高电平。它有一个参考振荡器 ,可外接晶体振荡器，通过 R 计数器给参考振荡器分频。 R 计数器可预置 ,分频数值为 :8,64,128,256,512,1024,1160,2048。 预置数与分频数关系如下表： 晶振 相位 比较器 低通滤波 压控 振荡器 可编程分频器 f 计 数 器分频 f 149 表 3 分频数 0 0 0 8 0 0 1 64 0 1 0 128 0 1 1 256 1 0 0 512 1 0 1 1024 1 1 0 1160 1 1 1 2048 两路鉴相信号输出 ,其中 , R、 V 用来输出鉴相误差信号 ,环路锁定时 ,该信号为高电平 ;当环路失锁时 ,低电平。 原理框图如下： 150 图 3用电路如图示： 图 3工作原理 :参考振荡器信号经 R 分频器分频后形成 号。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且有 151 )/()/( os （ 3 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 分对压控振荡器的频率。当整个环路锁定后 , 即有 ()( (3由于此 ( (3便可实现锁 相环对本振的控制，产生和基准频率同样稳定度和准确度的任意荡频率。外接晶振为 取 R 计数器分频数为 1024，则0 。 双模预分频器选用 25频比为 64/65，由锁相环信号 制，当 输出为低电平时 ,预分频器分频数为 65;当高电平时 ,分频数为 64。应用电路图如下： 图 3低通滤波电路 由于 出误差信号为双端输出，因此采用运放芯片 构成有源比例积分滤波器。其电路形式如下： 152 图 3路滤波的电路设计如下： 荡信号输出频率范围为 155此 分频比变化范围为： 15001010 1015 36m (335001010 1035 36m a xm a x (3平均分频比为 2 5 0 02)( m a x (3(3当 61015 ， 1500 (3N+A/P= (3N=23=10111 (3A=28=11100 (3当 61035 N+A/P= (3 153 N=54=110110 (3A=44=101100 (3实际测得压控振荡 增益为： 810)1500035000(22 3 (3= / 部鉴相器的增益为 (3固有频率为 (3(3对于典型设计有 102 rn f (3此时环路带宽窄，环路相位噪声小，有利于改善解调输出的质量，但环路捕捉时间长。为了减小环路捕捉时间，取 22 rn f = 410 (3阻尼系数为 2 2 (3当 =4700100rf 以求得： 154 （ 3 (3为了使环路工作在最佳状态，在电路调试时根据需要对 1R 、 2R 、 C 值做了适当的调整。 出信号的 频率测量 对于 荡器输出的 1535弦峰峰值为 1V 的信号，不能直接驱动数字电路，必须先将其整形为方波，才能对其进行频率测量。综合考虑到整形与测频的需要，本设计采用预分频器 行分频、整形。分频电路图如下： 图 3由于单片机直接测频不超过 500待测最高频率 35 64 分频后为 考虑到要提高测频精度，最终采用高速的可编程逻辑器件 测量原理如下： 利用 生一闸门信号，用这个闸门信号来控制脉冲计数器的计数状态，单片机可通过读取计数值经软件计算得到信号的频率。 155 实际测量选取闸门信号的长度为 度 0/ 图 3理图 图 3形图 出信号的幅度测量 为了测量输出信号的幅度，对振荡输出信号采用二极管峰值包络检波器将其峰值取出，仿真电路如下： 156 0 0 p 3 0 M H z 0 D e C 1 o h 3检波过程中二极管处于 导通和截止两种状态。输入信号电压是一个峰峰值为等幅波（ 1V），输出电压是直流0U。二极管峰值包络检波器的电压传输系数 00 2 （ 3 24） 检波方法是将输入信号通过电阻和电容组成的惰性网络，取出信号的峰值信息。将信号的峰值0D 转换，通过单片机 控制实现对 荡输出的峰峰值测量显示。要求测量精度优于 10，选用 8 位 全可以满足题目需要。 具体工作过程为：输入信号为极管 0（ 3 25） 当 0 时，二极管导 通，信源 充电，充电时常数约等于 由于二极管导通电阻 小，所以电容上的电压迅速达到信源电 157 压的幅值。当 0时，二极管截止，电容 C 通过电阻 取 1 （ 3 因为cc f 2610302 10188 6 即电容放电的时常数 容 放电反复进行，在电容两端即可得到输出电压0U。 由上述分析，取 R=1 C=4700用 001软件进行仿 真，在输入信号峰峰值为 1V 时，仿真结果如下图： 图 3明：正弦波为峰峰值 1V 的入信号，直流波形为峰值检波输出0U，电压值 400 158 率放大电路 题目要求对经振荡电路部分输出的峰峰值为 1V 的 30弦信号进行功率放大，使得在 50 负载上输出功率00尽可能提高功率放大器的效率，本部分采用一级高频谐振放大 器加一级丙类功放。 考虑到题目发挥部分要求负载 50 电阻与 20容串联条件下，电阻上的输出功率仍大于 20计算功率因数为 1)(c o s 2 1)106(106222 （ 3 27） 设有功功率为 0P，视在功率为 S 则 3 28） 0 8c o s 0 （ 3 29） 因此应设计使008此取000 丙类功放的电路形式如下： a、设计使本级在纯负载电阻 50 下， 功率增益 20A 。 选取晶体 管 3了获得较高的效率 及最大输出功率0P，将功放的工作状态选为临界状态，根据此工作状态， 做如下推导计算： 取 70 ，此时集电极的等效负载电阻为 022)( = （ 3 30） 159 集电极基波电流振幅为 12 =19 （ 3 31） 因此集电极直流 )70(0m a cC （ 3 32） 电源供给的直流功率为 0 129 （ 3 33） 集电极的效率 为 77% （ 3 34） 基极输入信号的振幅 （ 3 35） b、谐振回路的设计 丙类功放的输入输出回路均为高频变压器耦合方式，输入阻抗为 )()co 1 86 （ 3 36） 输出变压器的线圈匝数比为 （ 3 37） 由 210 （取 C=15 160 得 （ 3 38） 通过反复调整高频磁芯可得到合适的 2N 值，使得回路的谐振频率达到设定值 30 功率激励级采用高频谐振放大器实现。设计需使其谐振频率 00 ，输出信号即为丙类功放的输入信号。它与低频放大器（如甲类功放）的设计原理相同，只是负载为 频回路。晶体管选用 9018，具体实现电路如下： 图 3源电路 采用自制串联型稳压电源 提供 +5V（ 2A）、 12V（ 种电源。 161 小系统板 我们自制的最小系统板以 外部扩展了 32K 随机存储器（ 61256 和 理的键盘显示模块。 4软件设计 统程序的主流程图如下： 主 流 程系 统 初 始 化频 率 测 量 和 显 示幅 度 测 量 和 显 示有 效 键 键 入 ?有 效 键 处 理有无图 4 统的功能框图如下： 162 功 能 框 图返 回步进量1 减步进量1 0 0 0 选 择直接频率预置图 4 2 163 频程序框图如下： 测 频启 动 计 数计 数 器 清 零延 时 0 . 0 1 秒读 取 计 数 值转 换 并 显 示 频 率结 束图 4 5系统测试分析 试仪器 频率特性测试仪 谱分析仪 104622D 数字存储示波器 100 表 M/频信号发生器 1004051能指标测试 （ 1）、输出频率稳定度测试（短期） 测试方法：固定振荡信号输出频率为 30一定的时间范围内，每隔 164 30s 读一个频率值，然后取其范围内的最大值则频率稳定度为 /0m a f 2 分钟 （ 5 1） a、差分对振荡器开环 数据如下表所示： 表 5f/00 b、差分对振荡器闭环（加入锁相环控制） 数据如下表所示： 表 5f/00 （ 2）、频率实时测量 测试方法：控制振荡回路产生 5 个固定的振荡频率，用频率计测出振荡信号的实际频率，同时对其频率进行测量并记录下显示的频率值。测试数据如下表： 表 5荡频率 /5 30 35 显示频率 / 165