电压控制LC振荡器的设计

1、河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书i电电压压控控制制 LC 振振荡荡器器的的设设计计摘摘要要压控振荡器(VCO)是一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器，是频率产生源的关键部件。由于现代射频系统特别是无线通信系统的设计，迫于低压、低功耗、小体积、低成本的压力，直接变频接收机(DCR)这一电路结构引起了学界和工业界的关注。在计算机技术、测量技术、通信技术和石英钟表制作技术等领域，常常需要精度高、频率稳定度高且方便可调的信号源，用常规的信号发生器无法满足这种要求，而压控振荡器是一种很好的解决方案。压控振荡器作为频率综合器的核心部分，为信号调制或者时钟恢复提供准确的本振信号，是无线

2、通信系统必不可少的一部分。本文设计了一种电压控制 LC 振荡器，利用锁相环频率合成器来控制压控振荡器，使其能够产生高精度、高稳定度、频率可调的多个频率点。系统的控制部分采用单片机+FPGA 实现，充分利用单片机和 FPGA 各自的优势，将任务合理分配，既满足系统对速度方面的要求，又可以较简单地实现键盘和显示控制。经安装与调试，振荡器输出波形没有明显失真，输出频率的范围是 1535MHz，可实现间隔为 100kHz 的频率步进，能够实时测量并显示振荡器的输出频率。关键词：关键词：LC 压控振荡器、锁相环、单片机河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书iiAbstractVoltage

3、-controlled oscillator (VCO) is an oscillation frequency control voltage changes with the applied oscillator frequency generation source is a key component. RF systems, especially the modern wireless communication system design, forced low voltage, low power, small size, low cost pressure, direct-co

4、nversion receiver (DCR) of the circuit caused the academic and industrial circles.In computer technology, measurement technology, communication technology and quartz sheet production technology and other fields, often require high precision, high stability frequency source and easily adjustable with

5、 a conventional signal generator can not meet this requirement, the voltage-controlled oscillator Device is a good solution. VCO frequency synthesizer as a core part of clock recovery for signal modulation, or local oscillator signals to provide accurate, is an essential part of the wireless communi

6、cation system.This paper presents a voltage-controlled LC oscillator, PLL frequency synthesizer used to control the voltage controlled oscillator, so that it can produce high accuracy, high stability, adjustable frequency multiple frequency points. System control section using SCM + FPGA implementat

7、ion, MCU and FPGA full use of their advantages, the rational allocation of tasks, both to meet the system requirements for speed, but also relatively simple to implement the keyboard and display control. The installation and commissioning, the oscillator output waveform without significant distortio

8、n, the output frequency range is 15 35MHz, 100kHz can be achieved frequency step intervals, measured in real time and display the output of the oscillator frequency.Key words: LC VCO、PLL、MCU河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书iii目目 录录1.概述.11.1 振荡器的工作原理及分类.11.1.1 振荡器的组成.11.1.1 振荡器的工作原理.21.1.2 振荡器的分类.21.1.3 压控振

9、荡器.31.1.4 LC 压控振荡器.31.2 正弦波振荡电路的振荡条件.41.3 LC 振荡电路的选择与论证.61.3.1 三点式振荡电路.61.3.2 互感耦合式振荡电路.111.3.3 集成电路振荡电路.131. 4 振荡电路压控方式的选择与论证.142.系统整体方案设计.162.1 设计要求.162.2 系统方案论证.162.3 系统组成及工作过程.183.LC 振荡电路的设计 .193.1 MC1648 的介绍.193.1.1 MC1648 主要技术特性.193.1.2 MC1648 引脚功能和内部结构.193.2 LC 振荡电路及稳幅电路.203.2.1 LC 振荡电路.20河南理

10、工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书iv3.2.2 稳幅电路 AGC .234.锁相环电路的设计.244.1 锁相环路（PLL）电路基础.244.1.1 锁相环路的基本结构和工作原理.244.1.2 数字锁相式频率合成器的基本结构和工作原理.284.2 MC145152 电路原理及其运用.294.3 低通滤波器电路设计.305.控制模块的设计.325.1 单片机 AT89C51.325.1.1 51 系列单片机的简介.325.1.2 AT89C51 单片机的特点及工作原理.335.2 现场可编程门阵列 FPGA.375.2.1 FPGA 简介.375.2.2 FPGA 工作原理和基本

11、特点.385.2.3 FPGA 芯片结构.395.3 FPGA 和单片机的任务分配和数据交换.426.频率检测和显示模块的设计.447.主要 VHDL 源程序和汇编语言程序 .457.1FPGA 的 VHDL 源程序.457.2 单片机的汇编语言程序.508.小结.65参考文献.66致谢.67河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书11.概述概述1.1 振荡器的工作原理及分类振荡器的工作原理及分类1.1.1 振荡器的组成振荡器的组成振荡器（英文：oscillator）是一种能量转换装置将直流电能转换为具有一定频率的交流电能，其构成的电路叫振荡电路。我们知道，对于一个放大电路来说，有

12、外加输入信号才可能有输出信号，没有外加输入信号就不可能有输出信号。但是，由于某种原因是放大电路在没有外加输入信号的情况下也有输出信号，那么就说这个电路产生了“自激振荡” ，简称“振荡” 。该电路称为振荡电路，可见振荡电路是由放大电路转换而来的【1】。振荡电路至少由两部分组成：一是要有一个具有选频特性的放大电路，二是要有一个具有正反馈特性的反馈网络【2】。图 1-1 是振荡电路的组成框图。由图可见，如没有反馈网络 F 就没有反馈信号，放大电路就无输入信号，当然也就无输出信号。同样如无放fu大电路 A，也无输出信号，因而也就无反馈信号了。ou放大电路A选频网络反馈网络Fiuoufu图 1-1 正弦

13、波振荡电路框图河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书21.1.1 振荡器的工作原理振荡器的工作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” 。1.1.2 振荡器的分类振荡器的分类振荡器主要分为 RC、LC 振荡器和晶体振荡器。1）RC 振荡器采用 RC 网络作为选频移相网络的振荡器统称为 RC 正弦振荡器，属音频振荡器。 2)LC

14、 振荡器采用 LC 振荡回路作为移相和选频网络的正反馈振荡器称为 LC 振荡器。 LC 振荡器的分类：变压器耦合 ：单管 LC 正弦振荡器 、差分对管 LC 正弦振荡器 三点式 ：电容三点式(考毕兹)振荡器 、电感三点式(哈特莱)振荡器 改进三点式 ：克拉泼振荡器、西勒振荡器 差分对管振荡器 3）晶体振荡器 振荡器的振荡频率受石英晶体控制的振荡器。它具有一下特性： 1物理、化学性能非常稳定。 2具有正压电效应和逆压电效应，石英晶体谐振频率。s当 =时,压电效应最强,称为基频。ss当 =n时，压电效应也较强，称之为泛音频率【3】。s河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书31.1.3

15、 压控振荡器压控振荡器压控振荡器是指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输入信号电压的函数的振荡器 VCO，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。其特性用输出角频率与输入控制电压之间的关系曲线(图 1-2)来表示。图中ocu为零时的角频率，称为自由振荡角频率；曲线在，处的斜率称为控制cuoooooK灵敏度。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。 压控振

16、荡器的类型有 LC 压控振荡器、RC 压控振荡器和晶体压控振荡器。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。图 1-2 压控振荡器的控制特性1.1.4 LC 压控振荡器压控振荡器在任何一种 LC 振荡器中，将压控可变电抗元件插入振荡回路就可形成 LC 压控振荡器。早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来大都使用变容二极管。图 1-3 是克拉泼型河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书4LC 压控振荡器的原理

17、电路。图中，T 为晶体管，L 为回路电感，C1、C2、为回路电容，vC为变容二极管反向偏置时呈现出的容量;C1、C2通常比大得多。当输入控制电压 UcvCvC改变时，随之变化，因而改变振荡频率。这种压控振荡器的输出频率与输入控制电压vC之间的关系为 图 1-3 克拉泼型 LC 压控振荡器的原理电路 (1.1)2u11cOoLC式中是零反向偏压时变容二极管的电容量；是变容二极管的结电压； 是结电容变OC化指数。为了得到线性控制特性，可以采取各种补偿措施。 1.2 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件从结构上来看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。图 1-

18、4(a)表示接成正反馈时，放大电路在输入信号公式时的方框图，改画一下，便得到图 1-4(b)。由图可知，如放大电路的输入端（1 端）外接一定频率、一定幅度的正弦波信号，经过基本放大电路和反馈网络所构成的环路传输后，在反馈网络的输出端（2.aX端） ，得到反馈信号,如果与 在大小和相位上都一致，那么，就可以除去外接.fX.aX.fX信号，而将 1、2 两端连接在一起（如图中的虚线所示）而形成闭环系统，其输出端.aX河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书5可能继续维持与开环时一样的输出信号。这样，由于=，便有.fX.aX反馈网络F基本放大电路A+0.iX.oX(a).oX.fX.A.

19、F.aX12(b)图 1-4 正反馈放大电路 1.ofaOAfXXXXXX或 (1.2) 1.FA在上式中，仍设 ，则可得aAA.fFF.， 即1)(.faAFFA= (1. 3).FA1AF和 （1.4）.3 , 2 , 1 , 0,2annf式（1.3）称为振幅平衡条件，而式（1.4）则称为相位平衡条件，这是正弦波振荡电路产生持续振荡的两个条件。无论是负反馈放大电路的自激条件（-）或振荡电路的振1.FA荡条件（） ，都是要求环路增益等于 1，不过，由于负反馈信号送到比较环节输入1.FA端的+、符号不同，所以环路增益各异，从而导致相位条件不一致【4】。河南理工大学 2011 年本科毕业设计（

20、论文）说明书6振荡电路的振荡频率是由式（1.4）的相位平衡条件决定的。一个正弦波振荡电路of只在一个频率下满足相位平衡条件，这个频率就是这就要求在公式环路中包含一个具of有选频特性的网络，简称选频网络。它可以设置在放大电路 A 中，也可以设置在反馈网络 F 中，它可以用 R、C 元件组成，也可以用 L、C 元件组成。用 R、C 元件组成选频网络的的振荡电路成为 RC 振荡电路，一般用来产生 1Hz1MHz 范围内的低频信号；用L、C 元件组成选频网络的振荡电路成为了 LC 振荡电路，一般用来产生 1MHz 以上的高频信号。欲使振荡电路能自行建立振荡，就必须满足的条件。这样，在接通电源后，1.F

21、A振荡电路就有可能自行起振，或者说能够自激，最后趋于稳态平衡。由于正弦波振荡电路中的放大器件是工作在线性区或接近线性区，因此在分析中，可以近似按线性电路来处理。1.3 LC 振荡电路的选择与论证振荡电路的选择与论证以 LC 谐振回路作为选频网络的振荡电路称为 LC 正弦振荡电路，它可分为两种不同的类型，即互感耦合式振荡电路和三点式振荡电路。LC 振荡电路有多种方法构成，以下主要介绍三种方法：三点式振荡电路、互感耦合式振荡电路、集成 LC 振荡电路。1.3.1 三点式振荡电路三点式振荡电路1.电感三点式振荡电路图 1-5 所示电感三点式振荡电路，其中图（a）是原理电路，图（b）是交流通路。有图可

22、以看出电感和的三个引出端直接与三极管的三个电极相接，故称为电感三点式。1L2L其谐振频率为：LCfo21河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书7式中 L=+2,是两线圈的互感。与互感耦合式振荡电路不同的是，这里反1L2LM M馈电压取自和的分压。图中 R1、R2 和 R3 构成分压偏置电路；C1 和 C2 的值很大，1L2L对信号视为短路。为了说明该电路是否能够振荡，首先要看满足正反馈相位条件。在图 1-5（a）中，假定某一时刻，三极管基极有一正的跳变。经放大倒相后，集电极（即 c 点）将有一负的跳变。而 e 端相对于 c 端为正向变化，b 端相对于 e 端又为正向变化，从而加强

23、了基极的变化，所以是正反馈。即满足相位条件，可能产生振荡。VTR1R2R3C1C2CL1L2VCCbce（a）原理电路L1L2VTCbec(b)交流通路图 1-5 电感三点式振荡电路图 1-6 是实用电感三点式振荡电路。它与的主要不同之处在于接地点不同。图 1-5 所河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书8示是射极接地，因而是共射接法；而图 1-6 是基极接地，因而是共基接法。从两者的交流通路看，若将图 1-6（b）中的、C3 和 C4 等效成一个电容，它们是完全相同的。这种C电路的谐振频率为 LCCCCCfo33421L1L2R1R2R3C1C2VTCC4C3 Ucc（a）原理

24、电路L2L1CC4VTC3(b)交流通路图 1-6 实用电感三点式振荡电路2.电容三点式振荡电路图 1-7（a）所示是电容三点式振荡电路，图(b)是它的交流通路。由图可见，振荡回路的两个电容和的三个引出交流端分别接到三极管的三个电极上，故称为电容三点1C2C式。河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书9为了说明该电路是否能够振荡，同样我们用瞬时极性发进行判断。如图 1-7（a）中，假定某一时刻，三极管基极有一正的变化。经放大倒相后，集电极将有一负的变化，则电感的另一端 b 点相对于 c 点为正向变化。从而加强了基极的变化，所以是正反馈。即满L足相位条件，可能产生振荡。其频率为：C4

25、C3C2C1R2R1R4R3VTL+Ucccbe（a）原理电路LC2C1VT(b)交流通路图 1-7 典型电容三点式振荡电路LCCCCfo212121图 1-8 和图 1-9 所示是实用电容三点式振荡电路，它们与图 1-7 电路的不同之处在于电感支路的构成不同。图 1-7 中仅用一只电感构成电感支路,图 1-7 是 LC 相并，再与相3C串构成该支路：而图 1-9 则是用 L 与串联构成该支路。显然，为了满足相位条件，图3C1-8 中 LC 相并以后再与相串的阻抗特性必须呈感性。当和都远大于时，其谐3C1C2C3C河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书10振频率为：)(213CC

26、LfoVTC2CC3C5C1C4R1R2R3RL+12V（a）原理电路VTC1C2CC3L(b)交流通路图 1-8 KP122 型高频头中的本振电路在图 1-9 中，和相串联后也必须工作在感性区。当满足和都远大于时，L3C1C2C3C其谐振频率为：河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书11LC5C3C1C2C4R1R2R4R3VT（a）原理电路VTC3C2C1L(b)交流通路图 1-9 克拉波电路321LCfo图 1-8 所示电路就是著名的西勒电路，而图 1-9 所示的电路就是克拉波电路。1.3.2 互感耦合式振荡电路互感耦合式振荡电路互感耦合振荡器电路及原理图 1-10（a）所

27、示为集电极调谐型互感耦合振荡电路，其调谐回路 LC 接在集电极电路内。图 1-10（b）是它的交流等效电路。河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书12Rb1Rb2ReCCeCbL1N1L2N2VTVee (a) 集电极调谐型CVTL1L2(b) 集电极调谐型交流等效电路Rb1Rb2ReCbCL2L3Q?VTVCC(c ) 发射极调谐型河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书13VTRb1Rb2RC1C1CL1L2(d) 基极调谐型图 1-10 互感耦合振荡电路电路的工作原理是：断开图中的 A 点，若共发选频放大器输入为上正下负，频率1U等于 LC 回路谐振频率的信号，

28、此时放大器集电极负载回路 LC 等效为一纯电阻，其输出电压与反相，即为上负下正。由变压器 T 同名端决定了为上正下负，也就OUTUOU1U说与 U1 同相，满足正反馈的相应条件。如果 L 与之间的耦合量 M 合适，接上 A 点，1U1L电路就可维持正弦振荡，该电路的振荡频率、起振条件和反馈系数 F 分别为OFLCLChrhLCfoooo211211MhLMCrhhooofo1NMF forooooohhhhh1式中 M 为 L 与之间的互感量；为折合到 LC 回路中的等效串联总损耗电路；1LOR、为共发射极晶体管 H 参数；为输出端交流短路时的输入电IOHCOH10HFOH10H阻；为输出端交

29、流短路时的正向电流传输系数；为输入交流开路时的反向电压FOHFOH河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书14传输系数；为输入端交流开路时的输出电导，下同。互感耦合振荡电路还可把调谐COH回路接在发身极电路内或基极电路内，分别构成发射极调谐型和基极调谐型互感耦合振荡电路（见图 1-12c 和 d）,比较上述三种电路，集电极调谐型在高频输出方面比其他两种稳定且幅度大，谐波成分较小。由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了不至于过多地影响回路的 Q 值，故在后两种电路中，晶体管与回路之间采用部分接入方式。1.3.3 集成电路振荡电路集成电路振荡电路采用压控振荡芯片 MC1648 和变

30、容二极管 MV209，外接一个 LC 振荡回路构成变容二极管压控振荡器。只需要调节变容二极管两端的电压，便可改变 MC1648 的输出频率。由于采用了集成芯片，电路设计简单，系统可靠性高，并且利用锁相环频率合成技术可以是输出频率稳定度进一步提高【5】。综上所述，选择此方案利用压控振荡芯片 MC1648 和变容二极管 MV209，外加一个LC 并联谐振回路构成压控振荡器。1. 4 振荡电路压控方式的选择与论证振荡电路压控方式的选择与论证设计要求振荡器的频率要用电压来控制，通过改变加在变容二极管两端的反向偏压来改变管子的结电容，从而改变电路的振荡频率。只要我们能控制 VCO 的输入电压，就可以控制

31、振荡器的振荡频率。我们有以下几种方案：方案一：利用电位器分压电路通过改变电位器的分压比来改变变容二极管的反向偏压，从而改变振荡器的振荡频率。该电路的优点是电路结构简单，容易制作。但是电位器很难实现对频率的精确控制，且电位器容易磨损，噪声大，受温度的影响也大。方案二：利用 DAC 芯片输出控制电压河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书15通过单片机输出数据经 D/A 器件装换成模拟电压控制振荡器的频率。此电路控制的振荡器频率值的步进精度取决于 D/A 器件的装换精度【6】。该电路的结构也比较简单，频率调节是数码控制，可以大大减小噪声。在固定的 VCO 输入电压上，输出频率值是有一定

32、的波动的，使得从 DAC 输出的数据与实际输出的频率不能一一对应。DAC 的调节作用要经过单片机的运算处理，这样就有一个延时的过程，导频率的自动调整滞后，所以此方案不予采用。方案三：采用频率合成器1.直接式频率合成器其组成晶晶振振谐谐波波发发生生器器分分频频器器混混频频器器倍倍频频器器foutfoutfout图 1-11 直接式频率合成器组成框图直接式频率合成技术是第一代频率合成技术，它将一个或几个晶体振荡器产生的标准频率通过谐波发生器产生一系列频率，然后再对这些频率进行倍频、分频或混频，获得大量的离散频率。其组成框图如公式所示。直接式频率合成器频率稳定度高，频率装换时间短，频率间隔小。但系统

33、中需要大量的混频器、滤波器等，体积大，易产生过多杂散分量，而且成本高，安装调试都比较困难。2.锁相（间接）式频率合成器锁相式频率合成技术是第二代频率合成技术。在二十世纪五十年代出现了锁相式频率合成器，也称为间接式频率合成器。它是利用一个或几个参考频率，通过谐波发生器混频和分频等产生大量的谐波或组合频率，然后用锁相环吧压控振荡器（VCO）的频率锁定在某一谐波或组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率。这种方法的有点是稳频和抑制杂散好，调试简单；缺点是频率切换速度比直接合成慢。目前，该方法已得到最为广河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书16泛的应用。3.数字锁相环式频率合成器采

34、用数字锁相环式频率合成技术，由晶振、鉴频/鉴相器（FD/PD） 、环路滤波器（LPF） 、可变分频器（N）和压控振荡器（VCO）组成。图 1-12 为其组成框图。利用锁相环，将 VCO 的输出频率锁定在所需频率上。可以很好的选择所需的频率信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器，采用大规模的集成芯片，与前两种方案相比可以简化频率合成部分的设计，有利于集成化和小型化。频率合成采用大规模集成 PLL 芯片MC145152、前置分频器选用芯片 MC12022、VCO 选用 MC1648、环路滤波器采用LM385 和 RC 电路组成，即可完成锁相环路的设计。利用该方法设计简单，功能齐全，可靠性高，抗

35、干扰性强。鉴相器PD环路滤波器LF压控振荡器VCO输入信号)(tui)(tud)(tue)(tuo可变分频器N图 1-12 锁相环式频率合成器基本组成框图综上所述，选择方案三中的采用大规模 PLL 芯片 MC145152 和其它芯片构成数字锁相环频率合成器。2.系统整体方案设计系统整体方案设计2.1 设计要求设计要求1）振荡器输出无明显失真的正弦波；2）输出频率范围：1530MHZ；3）输出频率稳定度：优于 0.001；4）输出电压峰值：1V0.1V；5）可实现输出频率步进及显示，步进间隔为 100KHZ；河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书176）实时测量并显示振荡器的输出频

36、率。2.2 系统方案论证系统方案论证方案一：系统框图如图 2-1 所示：主振器显示控制单元A/DMCUD/A键盘图 2-1 电感三点式框图主振器采用电感三点式振荡器，该方案的主振器一个比较实用的电路，结构简单，控制容易实现。但经分析，此方案有以下不足：（1）可调范围不明显，原因是晶体振荡器的固定频率所造成；（2）变容二极管变容比达不到设计要求；（3）主振器的选频网络由L，C 并联而成，而对于手动调节 C 或 L 有一定宽度的变化，但幅度变化不明显。频率步进由 DAC 控制，步进不稳定。而且电感三点式产生的波形不理想，谐波分量幅度很大。而且稳定度达不到要求。方案二：河南理工大学 2011 年本科

37、毕业设计（论文）说明书18VCOPLLMCU键盘显示A/D图 2-2 基于锁相环技术的的压控振荡器本方案的 VCO 采用芯片 MC145152 和 LC 振荡谐路构成，频率调节和步进采用锁相环来实现，锁相环使频率跟随加快，频率稳定度提高，步进容易实现。利用单片机来实现频率的监控和显示。但是用单片机来做控制模块时需要两组 I/O 口（运算时需要占用两个字节） ，比较耗费资源。方案三：VCOPLLFPGA检波MCU键盘显示图 2-3 基于 FPGA+单片机的压控振荡器此方案与方案二的主要不同之处就是控制模块，此方案采用 FPGA+单片机来实现控制，克服了单独用单片机的缺点。对锁相环 MC14515

38、2 的控制，既可以用单片机实现，也可以用 FPGA 实现，但用单片机控制需要两组 I/O 口(运算时要用到两个字节)，这将会占用大量的 资源，而用 实现则只需要 10 个 I/O 口(可以采用 10 位位宽来运算)，并且有丰富的 I/O 口，同时采用 FPGA 来控制锁相环,算法上也比单片机简单【7】。综上分析，本设计采用方案三进行设计。VCO 振荡芯片 MC1648 和锁相环芯片MC145152 是当前运用比较广泛的成熟技术，有着广阔的发展空间，有利于系统的集成化，河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书19利于工业生产。采用 FPGA+单片机来实现控制，既节省资源，又有利于系统

39、的稳定性。2.3 系统组成系统组成及工作过程及工作过程根据系统的设计要求，本系统可以分为两个大部分：电压控制 LC 振荡器电路和电压控制 LC 振荡器频率的测控和显示电路。可以把本设计分为四个模块：控制模块、锁相环模块、LC 振荡器（VCO）模块、频率检测和显示模块。其中 VCO 由芯片 MC1648 和 LC谐振电路构成。利用 MC145152 和低通滤波器组成的锁相环电路控制 VCO 中变容二极管的电压，就可以改变振荡器的频率。本设计的控制模块采用单片机 AT89C51 和可编程阵列 FPGA 来控制 MC145152 和频率的测控和显示。系统结构框图如图 2-4 所示：固定分频器晶振鉴相

40、器可编程分频器低通滤波网络压控振荡器（MC1648）频率计控制电路键盘高速分频器（MC12O22)单片机AT89C51AGC液晶显示FPGAMC145152图 2-4 系统结构方框图河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书203.LC 振荡电路的设计振荡电路的设计本设计的 LC 振荡电路主要采用压控芯片 MC1648 和 LC 谐振电路构成。该设计方案集成化比较高，而且技术成熟，运用广泛。3.1MC1648 的介绍的介绍3.1.1 MC1648 主要技术特性主要技术特性MC1648 需要连接一个外部并联的谐振电路，谐振电路由电感和电容组成，要求。若电容为变容二极管，只要提供一个可变

41、电压输入，就可以构成一个压控振100LQ荡器（VCO） 。MC1648 最大输出频率为 225MHz。MC1648 输入电容为 6.0pF，对于外部电感 L 最大串联电阻为 50。根据系统的要求，可以工作在一个+5.0V 的直流电源或一个5.2V 的直流电源，功率损耗为 150Mw。MC1648 通常设计用在锁相环电路中，也可用于其它许多应用当中，例如，作为一个固定或可变的频率、高频谱纯度的时钟源。当不能够作为晶体振荡器【10】。3.1.2 MC1648 引脚功能和内部结构引脚功能和内部结构MC1648 采用 CASE775-02、CASE632-08、CASE751-05 多种封装 CASE

42、632-08 芯片封装形式如图 3-1 所示。图 3-1 MC1648 引脚端封装形式（ CASE632-08）河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书21MC1648 引脚端功能如下：引脚端 12（TANK）连接外部谐振电路；引脚端 10（BIAS）为偏置电流设置端；引脚端 5（AGC）为自动增益控制端；引脚端 3（OUT）为输出端；引脚端 1，14（VCC）为电源电压输出端；引脚端 7，8（VEE）为接地端；引脚端 2，4，6，9，11，13（NC）为连接。MC1648 内部结构方框图如图 3-2 所示：+-GNDTANKBIAS101253OUT图 3-2 MC1648 内部

43、结构方框图3.2 LC 振荡电路及稳幅电路振荡电路及稳幅电路3.2.1 LC 振荡电路振荡电路压控 LC 振荡器主要由压控振荡芯片 MC1648、变容二极管 MV209 以及 LC 谐振回路构成。MC1648 需要外接一个由电感和电容组成的谐振回路。未达到最佳工作性能，在工作频率要求并联谐振回路的.电源采用+5V 的电压，一对串联变容二极管背靠背100LQ的与该谐振回路相连，振荡器的输出频率随加在变容二极管上的电压大小改变而改变。因变容二极管 部分接入振荡回路为减小非线性失真，电容指数应选为 1 为宜。图3-3 为 MC1648 的内部电路图。图 3-4 为压控振荡电路图。河南理工大学 201

44、1 年本科毕业设计（论文）说明书22压控振荡电路图由芯路内部的,和，10 引脚和 12 引脚外接8VT5VT4VT1VT7VT6VTLC 振荡回路组成正反馈的正弦振荡回路。其振荡频率由式计算CLfc121式中 7111121CCCCDDVCO 的芯片引脚 3 为缓冲 输出端，一路供前置分频器 MC12022，另一路供放大电路放大后输出。该芯片的 5 脚自动增益控制电路（AGC）的反馈端，将功率放大器的输出电压通过一反馈电路接到该脚，可以在输出频率不同的情况下自动调整输出电压的1outU幅值并使其稳定在 1V0.1V。输出信号电平变化时，AGC 电路用改变增益的办法维持输出信号电平基本不变。VT

45、9VT11VT10VT7VT4VT3VT1VT8VT6VT2VT5R2R1R7R3R8R9R4R5R6R12R11R10R13VD2VD1VCC1VCC2VEE1BIAS TANKVEEAG 3-3MC1648 的内部电路图河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书23VEE7VCC214VCC11AGC5BPT10TANK12OUT3*MC1648C40.1FC3100pFC1390pFC?R13.3KR3100KR5R4R24.7KVD1MV209VD2MV209Lvd3+5VFoutVinVout1图 3-4 压控振荡电路图结合 MC1648的内部电路

46、图， 可以得到：当输出电压高于 1V 时，经二极管、6VT、组成的峰值检波电路得到一个负电压，使的基极电压减小，集电极电压增16C17R8VT大，这样的减小，电压放大倍数减小，使得输出电压也减小；反之亦然。使1VTbeU1outU输出电压稳定在 1V0.1V。另外，在输出部分增加了变压耦合，调整抽头位置，使得输出电压进一步稳定、准确。VCO 产生的振荡频率范围和变容二极管的压容特性有关【8】。图 3-5 为变容二极管特性的测试图。可利用图中（a）所示的测量电路来测变容二极管 MV209 的压容特性。图（b）为其压容特性和压控振荡器的压控特性示意图。从图中可见变容二极管的反偏电压从变化，对应的输

47、出频率范围是。在预先给定 L 的情况下，给变minDUMAXDUminfmaxf容二极管不同的电压，测得对应的谐振频率，从而可以计算出的值。减小谐振回路的jC电感量，改变电容容量，不需要并联二极管即可很容易的实现频率扩散，在试验 中利用骨架，绕 6 圈曾使输出达到 87MHz 以上。6河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书243.2.2 稳幅电路稳幅电路 AGC自动增益控制（automatic gain control） 是使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法【9】。实现这种功能的电路简称 AGC 环。AGC 环是闭环电子电路，是一个负反馈系统，它可以分成增益受控

48、放大电路和控制电压形成电路两部分。增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变。控制电压形成电路的基本部件是AGC、检波器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。放大电路的输出信号经检波并经滤波器滤除低频调制分量和噪声后，产生用以控制增益受控放大器ou的电压。当输入信号增大时，和亦随之增大。增大使放大电路的增益下降，cuiuoucucu从而使输出信号的变化量显著小于输入信号的变化量，达到自动增益控制的目的。放大电路增益的控制方法有：改变晶体管的直流工作状态，以改变晶体管的电流放大系数。在放大器各级间插入电控衰减器。用电控可变电阻作放大器负载等。AGC 电路广泛用于各种

49、接收机、录音机和测量仪器中，它常被用来使系统的输出电平保持在一定范围内，因而也称自动电平控制；用于话音放大器或收音机时，称为自动音量控制。 AGC 有两种控制方式：一种是利用增加 AGC 电压的方式来减小增益的方式叫正向AGC，一种是利用减小 AGC 电压的方式来减小增益的方式叫反向 AGC。正向 AGC 控制能力强，所需控制功率大被控放大级工作点变动范围大，放大器两端阻抗变化也大；反向AGC 所需控制功率小，控制范围也小。 河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书254.锁相环电路的设计锁相环电路的设计4.1 锁相环路（锁相环路（PLL）电路基础）电路基础4.1.1 锁相环路的基

50、本结构和工作原理锁相环路的基本结构和工作原理1.锁相环路的基本特性锁相环路 PLL(Phase Locked Loop）是一个相位误差控制系统，它将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，已达到与参考信号同频的目的【10】。1)良好的跟踪特性锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化，环路锁定后，输入参考信号和输出信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益而被控制在所需数值范围内。这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性。2)良好的窄带滤波特性当压控振荡器的输出频率锁定在输入参考频率上时，由于信号频率附近的干扰形式将以

51、低频干扰的成分进入环路，绝大部分的干扰会受到环路滤波器低通特性的抑制，从而减少了对压控振荡器的干扰作用。因此，锁相环路具有好的窄带滤波特性，环路对干扰的抑制作用就相当于一个窄带的高频带通滤波器，其通带可以做的很窄。不仅如此，锁相环路还可以通过改变环路滤波器的参数和环路增益来改变带宽，作为优良的跟踪滤波器，用以接收信噪比低、载频漂移大的空间信号。3)良好的门限特性在调频通信中，锁相环路用作鉴频器时也有门限效应存在。但是，在相同调制系数的条件下，它比普通鉴相器的门限低。当相环路处于调制跟踪状态时，环路有反馈控制作用，跟踪相位差小，这样，通过环路的作用限制了跟踪的变化范围，减少了鉴相特性的非线性特性

52、影响，改善了门限特性。河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书26锁相环路在通信系统中的用途极为广泛，例如，锁相接收机、微波锁相振荡源、锁相调频器、锁相鉴频器、窄带的高频带通滤波器等。在锁相频率合成器中，锁相环路具有稳频作用，能够完成频率的加、减、乘、除等运算，可以作为频率的加减器、倍频器、分频器等使用。目前，在比较先进的模拟和数字通信系统中大都使用了锁相环路。2.锁相环路的基本结构锁相环路由鉴相器（PD） 、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三个部分组成【11】，其基本结构如图 4-1 所示。鉴相器PD环路滤波器LF压控振荡器VCO输入信号)(tui)(tud)(tue)(

53、tuo图 4-1 锁相环路的基本结构1）鉴相器鉴相器用来比较输入信号与压控振荡器输出信号的相位，它的输出电压)(tui)(tuo是对应于这两个信号相位差的函数。鉴相器是锁相环路的关键部件，形式很多。例) tud（如采用模拟乘法器的正弦波鉴相器，设输入信号为)(tui= （4.1.1）)(tui)(sin1ttUiom压控振荡器输出信号为 （4.1.2）ttUtuoomocos)(2经乘法器相乘后，其输出通过环路滤波器滤波，将其中高频分量滤除，则鉴相器的输为) tud（= （4.1.3）) tud（)()(sin2121ttUUAoimmm即河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书2

54、7= （4.1.4）) tud（tKdsin式中： =，其中，为乘法器的增益系数，量纲为；dKmmmUUA2121v1)()() tttoi（鉴相器的作用是将两个输入信号的相位差,转变为输出电压)()() tttoi（。由式（4.1.4）可得出鉴相特性具有正弦波特性。由于随呈周期性的) tud（) tud（）（t正弦变化，因此这种鉴相器称为正弦波鉴相器。2）环路滤波器环路滤波器的作用是将中的高频分量滤掉，得到控制电压，以保证环路) tud（)(tuc所要求的性能。环路滤波器是低通滤波器，由线性元件电阻、电容和电感组成，有时还包括运常用的滤波器形式有 RC 积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比

55、例积分滤波器。锁相环路通过环路滤波器的作用，具有窄带滤波器特性。在一个好的设计中，这个窄带滤波器的通带能做的极窄。例如，在几十兆赫的频率范围内，实现几十赫甚至几赫的窄带滤波，可以有效地将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除掉。3）压控振荡器压控振荡器的振荡电路中，压控元件一般采用变容二极管。由环路滤波器送来的控制信号电压加在压控振荡器振荡电路中的变容二极管，当变化时，引起变容二)ctu（)ctu（极管结电容的变化，从而使振荡器的频率发生变化。压控振荡器是一种电压/频率变换器，它在锁相环路起着电压相位变化的作用。在一定范围内，与之间的线性关系，即)(t)ctu（ (4.1.5)()(tuKtct式

56、中，为压控振荡器的中心频率；为常数，它表示单位控制电压所引起的振荡0K角频率变化的大小。但在锁相环路中，需要的是输出信号的相位变化，即把由控制电压所引起的相位变化河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书28作为输出信号。由式（4.1.5）可求出瞬时相位为1O (4.1.6)dttuKtdttcttoO)()()() t (001所以由控制电压所引起的相位变化，即压控振荡器的输出信号为 （4.1.7）dttuKtttctooo)()()(01由此可见，压控振荡器在环路中起了一次理想积分作用，因此压控振荡器是一个固有积分环节。VCO 受环路滤波器输出电压的控制，使振荡频率向输入信号的频

57、率靠拢，直至两者的频率相同，使得 VCO 的输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，)ctu（从而达到相位锁定的目的。3.锁相环的基本工作过程锁相环的基本工作过程如下：（1）设输入信号和本振信号（压控振荡器输出信号）分别是正弦和余弦)(tui)(tuo信号，它们在鉴相器内比较，鉴相器的输出是一个与两者间的相位差成比例的电压，) tud（一般把称为误差电压。) tud（2）环路滤波器滤除鉴相器输出中的高频分量，让后把输出电压加到 VCO 的)ctu（输入端，VCO 的本振信号频率随着输入电压的变化而变化。如果二者频率不一致，则鉴相器的输出将产生低频变化分量，并通过低通滤波器使 VCO

58、得频率发生变化。只要环路设计恰当，则这种变化将使本振信号的频率与鉴相器输入信号的频率一致。)(tuo)(tui（3）最后，如果本振信号的频率和输入信号的频率完全一致，两者的相位差将保持某一恒定值，则鉴相器的输出将是一个恒定直流电压，环路滤波器的输出也是一个直流电压，VCO 的频率将停止变化，这时，环路出于“锁定状态” 。在锁相环的工作过程中，环路存在锁定、捕捉和跟踪三个状态。（1）当没有输入信号时，VCO 以自由振荡频率振荡。如果环路有一个输入信号o河南理工大学 2011 年本科毕业设计（论文）说明书29，开始时，输入频率总是不等于 VCO 的自由振荡频率，即。如果和)(tuioii相差不大，

59、在适当范围内，鉴相器输出一误差电压，经环路滤波器变换后控制 VCO 的o频率，使其输出频率变化接近，而且两信号的相位误差为（常数） ，这时环路锁定。i（2）从信号的加入到环路锁定以前，叫做环路的捕捉过程。（3）环路锁定以后，如果输入相位有变化，鉴相器鉴出与之差，产生一个iio正比于这个相位差的电压，并反映相位差的极性，经过环路滤波器变换去控制 VCO 的频率，使改变，减少它与之差，知道保持，相位差为，这一过程叫做环路oioi跟踪过程。4.1.2 数字锁相式频率合成器的基本结构和工作原理数字锁相式频率合成器的基本结构和工作原理一个简单的数字锁相式频率合成器的工作原理如图 4-2 所示，与基本模拟

60、锁相环路相比，数字锁相式频率合成器只是在环路中插入了一个可编程分频器（N）【12】。在环路中加入可编程分频器后，环路锁定时，有，相当于锁相倍频环。RfffRfoNfNff若改变 N，则环路失锁，这时环路就开始频率捕捉和相位捕捉。经一段时间后，环路重新进入锁定状态，频率合成器完成一个频率转换过程，此时频率合成器输出为一个新的稳定频率，即改变 N 就可改变输出信号的频率。基准源PDLFVCONMRfofff图 4-2 数字锁相式频率合成器原理图从以上分析可知，通过锁相倍频可以提高输出信号频率，但是可编程分频器的最高工作频率现在还做不到很高，这就限制了信号频率的提高。未解决此矛盾，可在可编程分频河南