高频压控振荡器设计.doc

目 录 前言 1 1 高频压控振荡器设计原理 压控振荡器 2 1 1 工作原理 2 1 2 变容二极管压控振荡器的基本工作原理 2 2 高频压控振荡器电路设计 4 2 1 设计的资料及设备 4 2 2 变容二极管压控振荡器电路的设计思路 4 2 3 变容二极管压控振荡器的电路设计 4 2 4 实验电路的基本参数 5 2 5 实验电路原理图 6 3 高频压控振荡器电路的仿真 7 3 1MULTISIM软件简介 7 3 2MULTISIM界面介绍 8 3 2 1 电路仿真图 9 3 2 2 压控振荡器的主要技术指标 9 3 3 典型点的频谱图 9 4 高频压控振荡器电路实现与分析 16 4 1 实验电路连接 16 4 2 实验步骤 16 4 3 实验注意事项 18 4 4 硬件测试 19 5 心得体会 21 参考文献 22 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 1 前言 压控振荡器广泛应用于通信系统和其他电子系统中 在 LC 振荡器决定振荡器的 LC 回路中 使用电压控制电容器 变容管 可以在一定的频率范围内构成电调谐振荡器 这种包含有压控元件作为频率控制器件的振荡器就称为压控振荡器 它广泛应用与频率 调制器 锁相环路以及无线电发射机和接收机中 压控振荡器是锁相环频率合成器的重要组成单元 在很大程度上决定了锁相环的性 能 在多种射频工艺中 COMS 工艺以高集成度 低成本得到广泛的应用 压控振荡器 VCO 在无线系统和其他必须在一个范围的频率内进行调谐的通信系 统中是十分常见的组成部分 许多厂商都提供 VCO 产品 他们的封装形式和性能水平也 是多种多样 现代表面的贴装的射频集成电路 RFIC VCO 继承了近百来工程研究成果 在这段历史当中 VCO 技术一直在不断地改进中 产品外形越来越小而相位噪声和调谐 线性度越来越好 对压控振荡器的技术要求主要有 频率稳定度好 控制灵敏度高 调频范围宽 频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等 晶体压控振荡器的频率稳定度高 但调频 范围窄 RC 压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽 LC 压控振荡器居二者之间 压控振荡器可分为环路振荡器和 LC 振荡器 环路振荡器易于集成 但其相位噪声 性能比 LC 振荡器差 为了使相位噪声满足通信标准的要求 这里对负阻 RC 压控振荡器 进行了分析 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 2 1 高频压控振荡器设计原理压控振荡器 1 1 工作原理 压控振荡器指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路 常以符号 VCO Voltage Controlled Oscillator 其特性用输出角频率 0 与 输入控制电压 uc 之间的关 系曲线 图 1 来表示 图 1 中 uc 为零时的角频率 0 称为自由振荡角频率 曲线在 0 0 处的斜率 K0 称为控制灵敏度 使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制 电压的控制 就可构成一个压控振荡器 在通信或测量仪器中 输入控制电压是欲传输 或欲测量的信号 调制信号 人们通常把压控振荡器称为调频器 用以产生调频信号 在自动频率控制环路和锁相环环路中 输入控制电压是误差信号电 压 压控振荡器是环路中的一个受控部件 图 1 压控震荡器的控制特性 在电子设备中 压控振荡器的应用极为广泛 如彩色电视接收机高频头中的本机振荡电路 各种 自动频率控制 AFC 系统中的振荡电路 锁相环路 PLL 中所用的振荡电路等均为压控振荡器 振荡 器输出的波形有正弦型的 也有方波型的 1 2 变容二极管压控振荡器的基本工作原理 在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件后 即可对振荡频率实行控制 受控电抗元件常用变容二极管取代 图 2 变容二极管压控振荡器原理图 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 3 变容二极管的电容量 Cj 取决于外加控制电压的大小 控制电压的变化会使变容管 的 Cj 变化 Cj 的变化会导致振荡频率的改变 对于图中 若 C1 C2 值较大 C4 又是隔直电容 容量很大 则振荡回路中与 L 相并联 的总电容为 413221 321 123 CCj CCCCCC CCC CjCCCCjC 串串 变容管是利用半导体 PN 结的结电容受控于外加反向电压的特性而制成的一种晶体 二极管 它属于电压控制的可变电抗器件 其压控特性的典型曲线如图所示 图中 反 向偏压从 3V 增大到 30V 时 结电容 Cj 从 18pF 减小到 3pF 电容变化比约为 6 倍 对于不同的 Cj 所对应的振荡频率为 VR 为最大 2 1 max CCL f jmix VR 为最小 2 1 max min CC f j 通常将 fmax 和 fmin 的比值称为频率覆盖系数 以符号 Kf 表示 上述振荡回路的 频率覆盖系数为 图 3 振荡回路的频率覆盖系数 f f min max min jmax f CC CC K j j 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 4 2 高频压控振荡器电路设计 2 1 设计的资料及设备 模拟电子线路 高频电子线路 软件 Multisim 10 计算机一台 实验箱 2 2 变容二极管压控振荡器电路的设计思路 本设计主要通过振荡器电路产生 2 2GHZ 2 5GHZ 的振荡频率 设计的大体框图图 4 所示 2 3 变容二极管压控振荡器的电路设计 压控振荡器模块在 RZ 9905 R 微波接收实验系统箱内 电路如图 5 所示 它由 T1 T2 两只晶体三极管及变容二极管 T3 等电路组成 T1 T3 及周围电路组成频率可 变的电容反馈三点式振荡器 又称考必兹振荡器 其等效电路如图 6 所示 回路电容 Cec Ceb 为晶体管极间电容 Lb C1 T3 串联后构成回路电感 Lb 为晶体管基极引 线电感 约为 10nH 变容二极管 T3 的作用是 当外加控制电压经电阻 R1 加到它上面 变容管 T3 的等效电容随外加电压变化而攺变 因此图 6 所示电路中振荡回路的自然谐 振频率随之改变 从而 当外加控制电压变化时 能攺变压控振荡器的振荡频率 该压 图 5 高频压控振荡器设计电路 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 5 控振荡器的频率约为 2 2 2 5GHz 由于振荡频率高 晶体管的极间电容 引线电感等参 数对振荡频率及工作状态都有很大影响 因此 微波模块对元件 布线 工艺 焊接等 的要求非常高 图 6 中 T2 及周围电路为压控振荡器的放大输出级 R5 R6 R7 构成型衰减器 它使压控振荡器和放大输出级隔离 有利于提高压控振荡器的频率稳定度 L1 L2 L3 L4 L5 为高频扼流圈 它们的作用是为两晶体三极管各极提供合适的直 流电压 本模块供电电压为 12 伏 压控振荡信号从 C6 输出 其电平约为 0dbm 为了 在线测量 压控振荡信号经衰减器送至压控振荡器输出测量接头 电平约为 10dbm 2 4 实验电路的基本参数 1 工作频率 规定调谐电压范围内的频率范围称作工作频率 通常单位 为 MHz 或 GHz 2 输出功率 在工作频段内输出功率标称值 用Po表示 通常单位为 dBmw 3 输出功率平稳度 指在输出振荡频率范围内 功率波动最大值 用 P 表示 通常单位为 dBmw 4 调谐灵敏度 定义为调谐电压每变化1V时 引起振荡频率的变化量 用 MHz VT表示 在线性区 灵敏度最高 在非线性区灵敏度降低 5 谐波抑制 定义在测试频点 二次谐波抑制 10Log P基波 P谐波 dBmw 6 推频系数 定义为供电电压每变化1V时 引起的测试频点振荡频率的变 化量 用MHz V表示 7 相位噪声 可以表述为 由于寄生寄相引起的杂散噪声频谱 在偏移主振 f0为fm的带内 各杂散能量的总和按fin平均值 15f0点频谱能量之比 单位为 dBC Hz 相位噪声特点是频谱能量集中在f0附近 因此fm越小 相噪测量值就越大 图 6 压控振荡器等效电路 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 6 目前测量相噪选定的fm有离F0 1KHz 10KHz和100KHz几种 根据产品特性作相应 规定 产生相噪的因素主要是寄生寄相 但影响寄生寄相的因素较多 较为复杂 不同VCO产品在提高相噪指标方面都会采取相应设计思路和工艺措施 8 3dB调制带宽 是指特定用途的VCO在作调频使用时 调制信号 视频 为1VP P时 产生的调频频带宽度 主要由双端压控作调频时用户的要求作出设计 2 5 实验电路原理图 图 7 实验电路原理图 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 7 3 高频压控振荡器电路的仿真 3 1Multisim 软件简介 1 NI Multisim 10 是美国国家仪器公司 NI National Instruments 最新推出的 Multisim 最新版本 2 目前美国 NI 公司的 EWB 的包含有电路仿真设计的模块 Multisim PCB 设计软 件 Ultiboard 布线引擎 Ultiroute 及通信电路分析与设计模块 Commsim 4 个部分 能完 成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程 Multisim Ultiboard Ultiroute 及 Commsim 4 个部分相互独立 可以分别使用 Multisim Ultiboard Ultiroute 及 Commsim 4 个部分有增强专业版 Power Professional 专业版 Professional 个人版 Personal 教育版 Education 学生版 Student 和演示版 Demo 等多个版本 各版本的功能和价格有着明显的差异 3 NI Multisim 10 用软件的方法虚拟电子与电工元器件 虚拟电子与电工仪器和仪 表 实现了 软件即元器件 软件即仪器 NI Multisim 10 是一个原理电路设计 电路 功能测试的虚拟仿真软件 4 NI Multisim 10 的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用 同时也可以新建 或扩充已有的元器件库 而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中 查到 因此也很方便的在工程设计中使用 5 NI Multisim 10 的虚拟测试仪器仪表种类齐全 有一般实验用的通用仪器 如万 用表 函数信号发生器 双踪示波器 直流电源 而且还有一般实验室少有或没有的仪 器 如波特图仪 字信号发生器 逻辑分析仪 逻辑转换器 失真仪 频谱分析仪和网 络分析仪等 6 NI Multisim 10 具有较为详细的电路分析功能 可以完成电路的瞬态分析和稳态 分析 时域和频域分析 器件的线性和非线性分析 电路的噪声分析和失真分析 离 散傅里叶分析 电路零极点分析 交直流灵敏度分析等电路分析方法 以帮助设计人员 分析电路的性能 7 NI Multisim 10 可以设计 测试和演示各种电子电路 包括电工学 模拟电路 数字电 射频电路及微控制器和接口电路等 可以对被仿真的电路中的元器件设置各种 故障 如开路 短路和不同程度的漏电等 从而观察不同故障情况下的电路工作状况 在进行仿真的同时 软件还可以存储测试点的所有数据 列出被仿真电路的所有元器件 清单 以及存储测试仪器的工作状态 显示波形和具体数据等 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 8 8 NI Multisim 10 有丰富的 Help 功能 其 Help 系统不仅包括软件本身的操作指南 更要的是包含有元器件的功能解说 Help 中这种元器件功能解说有利于使用 EWB 进行 CAI 教学 另外 NI Multisim10 还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件 Protel 及电路仿真软件 PSpice 之间的文件接口 也能通过 Windows 的剪贴板把电路图送 往文字处理系统中进行编辑排版 支持 VHDL 和 Verilog HDL 语言的电路仿真与设计 9 利用 NI Multisim 10 可以实现计算机仿真设计与虚拟实验 与传统的电子电路 设计与实验方法相比 具有如下特点 设计与实验可以同步进行 可以边设计边实验 修改调试方便 设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全 可以完成各种类型的电路 设计与实验 可方便地对电路参数进行测试和分析 可直接打印输出实验数据 测试参 数 曲线和电路原理图 实验中不消耗实际的元器件 实验所需元器件的种类和数量不 受限制 实验成本低 实验速度快 效率高 设计和实验成功的电路可以直接在产品中 使用 10 NI Multisim 10 易学易用 便于电子信息 通信工程 自动化 电气控制类专 业学生自学 便于开展综合性的设计和实验 有利于培养综合分析能力 开发和创新的 能力 11 电源 信号源库包含有接地端 直流电压源 电池 正弦交流电压源 方波 时钟 电压源 压控方波电压源等多种电源与信号源 基本器件库包含有电阻 电容 等多种元件 基本器件库中的虚拟元器件的参数是可以任意设置的 非虚拟元器件的参 数是固定的 但是可以选择的 因此非常适合电子类课程的教学和实验 这次课程设计 我们将了解 EWB 软件的初 步知识和基本操作方法 3 2Multisim 界面介绍 主要有菜单栏 工具栏 缩放栏 设计栏 仿真栏 工程栏 元件栏 仪器栏 电 路图编辑窗口等部分组成 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 9 图 8Multisim 界面 Multisim10 常用元件库分类 图 9 multisim10 常用元件库分类 3 2 1电路仿真图 Multisim 软件对电路的仿真图如图 10 所示 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 10 图 10 电路仿真图 3 2 2压控振荡器的主要技术指标 压控振荡器的主要技术指标是其振荡频率 在本次的设计中其振荡频率的范围是 2 2GHZ 2 5GHZ 3 3 典型点的频谱图 1 函数发生器的参数及频谱图 图 11 函数发生器的参数 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 11 图 12 函数发生器输出图形 2 压控振荡器波形 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 12 图 13 压控振荡器的输出波形 3 最终输出波形 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 13 图 14 输出波形 实验仿真图 图 15 压控电压为 10V 时的输出波形 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 14 图 16 压控电压为 8V 时的输出波形 图 17 压控电压为 6V 时的输出波形 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 15 图 18 压控电压为 4V 时的输出波形 图 19 压控电压为 2V 时的输出波形 分析 通过以上各图可以看出输出波形幅度随着输入幅度的减小而减小 但周期没 有太大的变化 输入的电压经过压控振荡器以后自激震荡产生正弦波图形然后经过放大 器放大输出波形 以上各图反应出电压变化时输出的波形也有变化符合压控振荡器的设 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 16 计要求 并且通过读输出波形的周期可以算出输出频率 4 高频压控振荡器电路实现与分析 4 1 实验电路连接 频 谱 仪 压控电压 测 量 输出 压控振荡器 输出测量 V 压 控 振 荡 器 压控频率调节 图 20 压控振荡器实验连接框图 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 17 4 2 实验步骤 1 压控振荡器实验时 首先要将面板 压控 扫频 开关置于 压控 位 使压控 振荡器工作于压控状态 2 接通压控振荡器 12V 电源开关 相应模块内黄色电源指示灯亮 3 将 AT5000F2 频率扩展器输出用专用电缆与 AT5011 频谱仪输入 INPUT 50 连接 并将 AT5000F2 频率扩展器输入用测试电缆连接在 压控振荡器输出测量 的 50 同轴接头上 并将电压表红表笔接 扫描 压控电压测量 孔 黑表笔接 GND 或接组件外壳 如任一镀金的连接接头等 4 AT5011 频谱仪扫频宽度 SCANWIDTH 置于 100MHz 格 视频滤波 VIDEO FILTER 置于 ON 中频带宽 BAND WIDTH 置于 20KHz 5 中心频率 标记 CF MK 置 OFF 此时中心频率 CF 指示灯亮 数字显示窗将显 示中心频率 旋转中心频率粗 细调 CENTERFREQ FINE 使数字显示窗的频率读数 为 400 0MHz 6 压控振荡器输出信号频谱观察 从 AT5011 频谱仪显示屏上可以看到压控振荡 器输出信号频谱为线谱 如图 15 所示 并且调节 压控频率调节 电位器 电压表指 示的电压随之攺变 同时频谱仪显示屏上线谱竖线的位置会左右移动 由此可见 压控 振荡器的频率随压控电压攺变而变化 7 测量压控振荡器输出频率可调范围 将频谱仪中心频率 标记 CF MK 置 ON 此时频标 MIK 指示灯亮 数字显示窗将显示频标所指示的频率 调节 压控频率调节 电位器 顺时针旋转到头 此时控制电压最大 约为 12V 对应的压控振荡器频率为最 高 旋转频标位置旋纽 MARKER 使频标竖线与压控振荡器信号谱线重叠 则数字显 示窗将显示压控振荡器最高信号的频率 反之 调节 压控频率调节 电位器 逆时针 旋转到头 此时控制电压最小 约为 0V 对应的压控振荡器频率为最低 旋转频标位 置旋纽 MARKER 使频标竖线与压控振荡器信号谱线重叠 则数字显示窗将显示压控 振荡器最低信号的频率 记录压控振荡器最高和最低信号的频率即为压控振荡器输出频 率可调范围 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 18 图 21 压控振荡器输出信号频谱 由于压控振荡器频率大于 2GHZ 因此使用安泰信 AT5011 频谱仪测量时需加扩展 器 AT5000F 此时 被测频率应为 AT5011 频谱仪数字显示窗所示频率与 2GHZ 之和 8 测量压控振荡器的输出频率为 2 395GHz 时信号功率和对应的压控电压 先测量压控电压 将频谱仪中心频率 标记 CF MK 置 ON 此时频标 MIK 指示灯 亮 数字显示窗将显示频标所指示的频率 旋转频标位置旋纽 MARKER 使数字显示 窗显示 400MHz 仔细调节 压控频率调节 电位器 使频标竖线与压控振荡器信号谱 线重叠 则压控振荡器输出信号频率为 2 4GHz 记录此时电压表的电压读数 它就是 2 395GHz 对应的压控电压 测量压控振荡器的输出频率为 2 395GHz 时信号功率 测量信号功率时 中频带宽 应选择 400KHz 档 视频滤波应放在 OFF 为防止频谱仪过载 即输入信号功率过大 开始输入四个衰减器 ATTN 全部接通衰减为 40dbm 此时频谱仪显示器顶格功率为 13dbm 纵轴功率刻度 10dbm 格 根据谱线的高度可估算该信号的功率 若谱线太低 可减小输入衰减器的衰减 四个衰减器按键每弹起一个 衰减减小 10dbm 谱线相应提 高一格 相应功率读数减小 10dbm 四个按键都弹起最多能提高四格 相应功率读数减 小 40dbm 根据频线的高度和衰减器状态便能确定信号功率 实测 2 395GHz 时压控振 荡器输出端信号功率约为 0dbm 而 压控振荡器输出测量 接头上信号功率约为 10dbm 9 测量压控振荡器输出频率 电压 功率 电压控制特性 测量压控振荡器压控电 压 频率和功率 并将结果填入下述的表格中 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 19 依据上述表中数据可画出如下曲线 如图 22 所示 根据曲线可求得频率 电压斜率 频率 电压斜率是与电压大小有关的变量 如 V1 V2 之间的频率 电压斜率为 12 12 v v f f 所以压控振荡器的输出频率可调范围是 2 227GHZ 2 437GHZ 压控振荡器的输出频率为 2 4GHz 时信号功率和对应的压控电压 P 6dbm V 9 31v 4 3 实验注意事项 1 压控振荡器实验时 扫描 压控 开关必需置于压控位 2 由于压控振荡器中心频率为 2 206 GHZ 2 503GHZ 因此 使用安泰信 AT5011 频谱仪测量时 需加扩展器 AT5000F2 3 加扩展器 AT5000F2 后其频率读数应为 AT5011 频谱仪数字显示窗所示频率与 2GHZ 之和 4 采用扩展器 AT5000F2 测试时通常无法测量压控振荡器的各次谐波 已超出仪表 频率范围 压 控 电压 V 01234567891011129 31 频 率 GHZ 2 1022 2432 2532 2732 2942 3042 325 2 3 49 2 37 2 2 34 9 2 42 3 2 44 8 2 43 7 2 400 输出功率 dbm 5 5 50 4 5 5 5 6 5 6 3 6 6 V f1 f2 v1v2 图 22 频率与电压关系曲线 频率频率 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 20 5 测试时注意 AT5011 频谱仪各开关旋纽的位置设置 6 微波测量时应特别注意防止干扰 暂时不用的微波部件 其电源应切断 实验 电路连接应牢固可靠 并尽可能地避免外界电磁干扰 4 4 硬件测试 图 23 频率在 2 14GHZ 下对应得频谱图 图 2