数显压控LC振荡器的设计

1、-数显压控LC振荡器的设计 山东理工大学 毕业设计（论文） 学 院：电气与电子工程学院 专 业： 电子信息工程专业 学生姓名： 潘 付 文 指导教师： 栗 庆 田 毕业设计（论文）时间：二九年 2月23日6月20日 共 17周 摘要 摘 要 近年来，随着无线通信技术的飞速发展，使市场对射频集成电路产生了巨大的需求。在射频电路中，压控振荡器(VCO)占有非常重要的地位，它是锁相环、时钟恢复电路以及频率综合器的重要组成电路，所以设计高性能的压控振荡器对通信系统性能的提高具有十分重要的意义。 本文首先介绍了振荡器的理论知识，接着介绍了振荡器的分类，并比较了几种振荡器的优劣。重点介绍了电感电容压控振荡

2、器的理论和设计实现方法，比较了不同类型负阻振荡器的性能特点，介绍了相位噪声的概念以及当前主要的几种相位噪声理论。设计高性能的电感电容振荡器的关键是设计高品质因数的片上电感，以及高品质因数电容的实现。在本论文中完整的分析和介绍了一个具有宽调谐范围的电感电容压控振荡器的设计方法及流程。通过折衷考虑设计中相位噪声、功耗、调谐范围相互之间的关系，完成了整个设计，并对设计进行了仿真，仿真结果表明设计达到了预期的要求，具有良好的性能。在原电路中为了达到宽调谐范围的要求，采用了多个可变电容的并联结构，这种结构不仅增加了电路的面积，而且还会使电路的性能受到影响。改进后的电路通过开关来控制接入电路中的电容值，进

3、而控制输出的中心频率。使该电路与原来的电路相比调谐范围带宽没有减小，但更加灵活，而且该VCO电路的实用性得到增强。本电压控制LC振荡器系统包括压控振荡器（VCO），高频功率放大器（RFAMP），单片机测频系统。本系统的VCO部分采用了大变化范围的变容二极管做振荡电容，频率调节范围宽，在输入电压从0.5V变化到8V时，输出频率可以从14MHz变化到39MHz，且能保持良好的线性度，振荡环路加入了防振措施，高次谐波能得到很好的抑制，输出的正弦波波形良好，纯度高，失真低，幅度高且稳定。本系统使用单片机控制，从操作的灵活性和可靠性方面考虑，（RFAMP）只设计两级，输入级是选频电压放大，谐振在30MH

4、z；输出级由于接成E类开关型放大器，搭接50欧负载时输出大功率和高效率的30MHz高频信号毫不费力。 关键词：电感电容压控振荡器，压控振荡器，锁相环路，自动增益控制 I Abstract Abstract In recent years, with wireless communication technology rapid development of the market for radio frequency integrated circuit produced a huge demand. In the RF circuit, the voltage-controlled osci

5、llator (VCO) occupies a very important position, which is phase-locked loop, clock recovery circuit and the frequency of an important component of an integrated circuit device, so the design of high-performance voltage-controlled oscillator for communication system performance the improvement of gre

6、at significance. This paper first introduces the theoretical knowledge of the oscillator, and then introduced the classification of the oscillator, and compare the advantages and disadvantages of several types of oscillator. Focuses on the VCO inductor capacitor design theory and methods, comparison

7、 of different types of negative resistance oscillator performance characteristics, introduced the concept of phase noise and the current number of major theoretical phase noise. The design of high-performance capacitance oscillator inductor key factor is to design high-quality on-chip inductance, ca

8、pacitance, and high quality factor of the achievement. In this paper a complete analysis and presentation of a wide tuning range VCO inductor capacitor design methods and processes. Through the design trade-off phase noise, power consumption, tuning range of the relationship between the completion o

9、f the entire design, simulation and design, simulation results show that the design met the expectations, with good performance. In the original circuit in order to achieve wide tuning range requirements, the use of a number of variable capacitor in parallel structures that not only increase the siz

10、e of the circuit, but also the performance of the circuit be affected. The improved circuit to control access through the switch circuit in the capacitance value then control the output of the center frequency. Of the circuit compared with the original circuit does not reduce the bandwidth tuning ra

11、nge, but II Abstract more flexible, but also the practicality of the VCO circuit is enhanced. Completed the final circuit layout. The voltage-controlled LC oscillator system, including voltage-controlled oscillator (VCO), high-frequency power amplifier (RFAMP), single-chip frequency measurement syst

12、em. VCO part of the system using a large range of oscillation do Varactor capacitance, wide frequency range, the input voltage changes from 0.5V to 8V, the output frequency can be changed from 14MHz to 39MHz, and can maintain a good linear , the oscillation loop joined the anti-vibration measures, h

13、igh-order harmonic suppression can be very good, good output waveform of the sine wave, high purity, low distortion, high and stable rate. Single-chip microcomputer to control the use of the system, from the operating flexibility and reliability considerations, (RFAMP) only the design of levels, inp

14、ut stage voltage amplification is frequency-selective, resonant at 30MHz; output stage as a result of access into E-type switch-type amplifier, Lap 50 when the output load-European high-power and high-efficiency high-frequency signal of 30MHz easily. Keywords: Inductance Capacitor Voltage-controlled

15、 Oscillator, VCO, PLL, AGC III 第一章 引言 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . IV 第一章 引言 . 1 1.1 课题的目的和意义 . 1 1.2近几年来研究状况 . 2 第二章 系统设计 . 4 2.1设计任务与基本要求 . 4 2.2方案比较与论证 . 4 2.2.1压控振荡器的原理 . 4 2.2.3LC振荡器的选择与论证 . 10 2.3 整体方案设计 . 13 第三章 单元电路的设计与实现 . 15 3.1.单片机小系统电路 . 15 3.2.压控LC振荡器电路 . 16 3.3 PLL频率合成电路 . 18 3.4.高频

16、功率放大器电路 . 23 3.5.自动增益控制电路 . 25 3.6.测频测幅及显示电路 . 26 第四章 软件系统的设计 . 29 MC145152的控制和显示部分的程序设计 . 30 第五章 测试方法与测试数据 . 32 5.1 测试仪器： . 32 5.2 整机测试指标： . 32 5.2.1.输出正弦波频率范围测试 . 32 5.2.2.输出波形幅度的测试 . 33 5.2.3.功率放大器输出功率的测试 . 33 第六章 测试结果与分析 . 34 6.1.输出频率范围及稳定度 . 34 6.2输出频率幅度及输出功率 . 34 参考文献 . 35 主要硬件清单 . 36 致 谢 . 37

17、 附录一：整体电路图 . 38 附录二：频率测量与显示程序 . 39 IV 第一章 引言 第一章 引言 1.1 课题的目的和意义 目前压控振荡器被广泛应用与通信系统电路中，例如锁相环、频率综合器以及时钟产生和时钟恢复电路。而且VCO压控LC器在现实通信领域也有很广泛的应用，其性能优于环形振荡器。振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段

18、的正弦信号电压:在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热;某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制;电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。尤其在通信系统电路中，压控振荡器(VCO)是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。 在通信技术、测量技术、计算机技术等各种领域中，常常要用到精度比较高，频率稳定度高且方便可调的信号源，电压控制振荡器是如今使用非常广泛的一类电子器件，为电一光转换电路、移动式手持设备等提供了很好的解

19、决方案。本文设计了一款电压控制LC振荡器，采用西勒振荡器作为本系统的主要部分，解决了基本三点式振荡设计中存在的改变振荡频率必改变反馈系数的矛盾，通过调节压控变容二极管两端电压，改变振荡器的输出频率，使系统实现15MHz35MHz输出频率可变。在通信技术、计算机技术和石英钟表制作技术等领域，用常规的信号发生器无法满足这种要求，因此，人们提出了频率合成器的方案，使用锁相环芯片MC145152，使VCO频率实现频率合成，并稳定频率，通过锁相环来控制压控振荡器，使其能够产生高精度的频率可调的多个频率点，为电子很多领域器件的各种功能的精确实施提供方便。频率合成是利用一个或多个高稳定晶体振荡器产生一系列等

20、间隔的离散频率信号的一种技术，这些离散频率的准确度和稳定度与晶体振荡器相同。这样，就克服晶体振荡器 1 第一章 引言 只能产生单一频率信号的缺点。频率合成器是近代通信系统的重要组成部分。早期的通信系统都是采用调谐的方法实现特定频率上的通信或者从一个频道转换到另一频道，这种方法严重地限制了通信质量的提高。采用频率合成器后，可以用数字预置的方法提供大量精确且能迅速转换的载波信号和本振信号，从而大大地提高了通信质量，而且许多新的通信体制也就有可能得到实现。目前，频率合成器的应用已经超出了通信领域，广泛应用于各种近代电子系统中。正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。它是一种能自动地将直流电源能量

21、转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于，无需外加激励信号，就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。常用正弦波振荡器主要由决定振荡率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成。正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。例如，无线发射机中的载波信号源，接收设备中的本地振荡信号源，各种测量仪器如信号发生器、频率计、FT测试仪中的核心部分以及自动控制环节，都离不开正弦波振荡器。 本设计涉及的模拟硬件电路较多。VCO和功率放大模块属纯硬件部分，又属于高频部分。所用的电容值多在十几pF数量级，晶体管的特性参数存在较大差别，实际测试结果与理论值存在较大的误差，所以在测试时

22、需要反复调整电感和电容的具体数值，才能有理想的结果。因此，采用低成本、低损耗、易集成电路，既是市场的需要，也是研究的需要，也是研究的重点。 1.2近几年来研究状况 压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。根据所产生的波形不同，可将振荡器分成正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波，后者能产生矩形波、三角波、锯齿波等。常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成，这就是反馈振荡器。按照选频网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型。其中LC振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波，正反馈放大器既可

23、以由晶体管、场效应管等分立器件组成，也可以由集成电路组成，但前者的性能可以比后者做得好些，且工作频率也可以做得更高。本系统实现频率输出的方法是利用锁相环的频率无误差跟踪的特性，由 2 第一章 引言 VCO产生一系列与晶体振荡器相同准确度和稳定度的离散频率信号。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。随着高频电子电路以及相关领域的研究的日益深入和设备使用的不断扩大，在通信技术、测量技术、计算机技术等各种领域中，常常要用

24、到精度比较高，频率稳定度高且方便可调的信号源，电压控制振荡器是如今使用非常广泛的一类电子器件，为电一光转换电路、移动式手持设备等提供了很好的解决方案。而且当今社会已进入数字时代，电子产品基本上全部实现数字显示，因此数显压控LC振荡器的研究与实现这一课题的设计对通信技术、测量技术、计算机技术等各种领域的研究有非常重大的意义！ 3 第二章 系统设计 第二章 系统设计 2.1设计任务与基本要求 设计并制作一个电压控制LC振荡器。 基本要求： （1）振荡器输出为正弦波，波形无明显失真。 （2）输出频率范围：15MHz35MHz。 （3）输出频率稳定度：优于10-3。 （4）输出电压峰-峰值：Vp-p=

25、1V0.1V。 （5）实时测量并显示振荡器输出电压峰-峰值，精度优于 10。 （6）可实现输出频率步进，步进间隔为1MHz100kHz。 2.2方案比较与论证 2.2.1压控振荡器的原理 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(VCO)。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2-1)来表示。图中,Uc为零时的角频率?0,0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

26、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。 4 第二章 系统设计 图2-1 压控振荡器的控制特性 压控振荡器的类型有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。 LC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

27、用变容二极管。图 2-2是克拉泼型LC压控振荡器的原理电路。 图2-2 克拉泼型LC压控振荡器的原理电路图 图中，T为晶体管，L为回路电感，C1、C2、Cv为回路电容,Cv为变容二极管反向偏置时呈现出的容量;C1、C2通常比Cv大得多。当输入控制电压Uc改变时，Cv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之间的关系为 式2-1 式中C0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； 5 第二章 系统设计 是结电容变化指数。为了得到线性控制特性，可以采取各种补偿措施。 振荡器是无线通信系统中的一个核心模块，通常应用于锁相环系统中，为收发机提供稳定的本地载波信

28、号。相位噪声和功耗是衡量振荡器性能的主要参数，在某些应用中，频率调谐范围也是一个很重要的参数。 振荡器是不需要外部信号激励，自身能将直流电能转换为周期性交流输出信号(通常为电压信号)的电路。振荡器的核心是一个在振荡频率处呈现正反馈的电路。图2-3给出了一个反馈系统的通用模型。其中HA（?）为前向电路的传 输函数。 图2-3 振荡器的反馈模型 而HF(?)是反馈网络的传输函数。该反馈系统的闭环传输函数为 VoutHA（?）HA(?) =HCL(?) = 1?HF(?)HA(?)1?T(?)Vin 其中，T（?）= HF(?)HA（?）是该系统的环路增益。如果在所有的频率上 T（?）<1，则

29、该系统是一个稳定的反馈系统，在各种低频模拟电路中，这种系统 得到了广泛的应用。如果在某种频率上T（?）=1，则该系统在频率为?处的闭环 传输函数为无穷大，因此，只要该系统的输入引入一点微弱的噪声，该噪声就会被无限放大，产生无穷大的输出，即产生了振荡。而如果在某频率上T（?）>1，则该系统在频率为?处的环路增益大于1，因此只要环路中引入一点噪声，该噪声就会被无限放大，产生无穷的输出，亦即产生了震荡。因此振荡器的震荡条件为 6 第二章 系统设计 T（?）= HF(?)HA（?）?1 式2-2 该判据可分解为幅度判据和相位判据， |T（?）|?1 式2-3 ?T(?)=360? 式2-4 即在

30、环路增益的相移为360?，增益的幅度必须不小于l，该反馈系统才能产生振荡，这是振荡器能够产生振荡的基本条件，称为Barkhausen判据。对于实用的振荡器来说，它的振荡频率(振荡周期)和振荡幅度都必须是稳定的，因此振荡器在稳定工作时(达到平衡状态)，需要满足如下稳定性条件 T（?）=1 式2-5 ?T(?)=360? 式2-6 它们分别称为振荡器的振幅稳定性条件和相位稳定性条件。但是在振荡器的起始阶段，环路增益T（?）>1(振荡的起始条件)，保证振荡器能将微小的噪声 放大为稳定的周期性输出信号。考虑到温度和工艺的变化，在振荡频率处的环路增益通常设计为必须值的23倍。当环路中的信号振幅增加

31、到一定程度后，振荡器中有源器件存在的非线性会限制振幅的继续增加，使得振荡器的输出达到稳定，这是一个非线性的过程。要使满足Barkhausen判据的反馈系统成为一个实用的振荡器，反馈系统必须包含有某种频率选择功能，使得该振荡器仅在我们所需要的频率处振荡。这种频率选择功能通常可以采用两种方式实现：一种方式是反馈网络采用LC谐振电路，这种振荡器称为LC振荡器，它是射频振荡器中最常采用的拓扑结构；另一种方式是使反馈系统的环路增益仅在一个频率点上满足Barkhausen判据，这种方式以环型振荡器(Ring Oscillator)最为常见。需要指出的是，Barkhausen判据仅是实现振荡器的必要条件，而

32、不是充分条件。例如一个反馈系统在频率为0时的环路增益不而且相移等于360?，那么该系统仅处于锁定状态，而不是振荡状态。如前所说，实用振荡器的输出信号应该是稳定的周期信号，因此振荡器需要满足稳定性条件。所谓稳定性条件是指在外因作用下，振荡器的平衡条件受到破坏时，振荡器本身能重新建立起平衡点的 7 第二章 系统设计 条件。稳定性条件可以分为振幅稳定性条件和相位稳定性条件。振幅稳定性条件是指振幅平衡条件受到破坏时，振荡器本身能重新建立起振幅平衡条件。若能建立，则振荡器仍能保持稳定的振荡。振幅稳定性条件的关键是在平衡点附近，环路增益幅度随振幅的变化特性具有负的斜率，即 ?T| ?out|VOUT|?V

33、Q<0 式2-7 其中，VQ振荡器稳定工作时的振荡幅度。可以借助于图2-4来说明振荡器的振幅稳定性条件。该图表示，环路增益的幅度随着振荡幅度的增强而下降。当在某种外因作用下，振荡器的振荡幅度减小时，环路增益的幅度将大于1，使得振荡幅度逐渐增加，只有当振荡幅度重新达到VQ,路增益才下降为1，振荡器达到稳定；而在外因作用下，振荡幅度增加时，环路增益的幅度将小于1，使得振荡幅度逐渐减小，只有当振荡幅度重新达到VQ，环路增益才上升为l，振荡器重新达到稳定。因此，振荡器的振荡幅度达到稳定的条件是环路增益幅度随振幅的变化特性具有负的斜率。由于前向网络一般是由有源器件构成的放大器，而有源器件存在的非线

34、性正好使得环路增益的幅度具有这一特性，因此有源器件具有稳定振荡幅度的作用。 图2-4稳定振荡器的环路增益幅度与振荡幅度之间的关系曲线 一般只要偏置电路和反馈网络设计正确，则|T(?)|作为振荡幅度的函数是一 8 第二章 系统设计 条单调下降的曲线，仅在一个振荡幅度下, |T(?)|=1，因此振荡器仅存在一个平衡状态Q。在开始起振时，|T(?)|>1，振荡器处于增幅振荡状态，振荡幅度逐渐增加，直到达到平衡点Q为止，达到平衡点后，环路增益幅度下降为1，使得振荡器维持稳定振荡。这种振荡方式通常称为软自激，它的特点是不需要外加激励，依靠振荡器内部电路的噪声性能便可自激振荡。 但在某些情况下，|T

35、(?)|作为振荡幅度的函数不是一条单调下降的曲线，而是先随着振荡幅度的增加而增加，达到最大值后，又开始随着振荡幅度的增加而减小，如图2-5所示。在两个不同的振荡幅度，|T(?)| =1，I=1，因此振荡器存在两个平衡状态B与Q，其中平衡点Q满足振荡器的振幅稳定性条件，是稳定平衡点，而平衡点B不满足振幅稳定性条件，在该点 ?| ?out|VOUT|?VQ>0 当震荡幅度稍大于VB时， 环路增益大于1，成为增幅震荡，振幅越来越大，最后稳定于Q点，反之，当震荡幅度稍小于VB时，环路幅度增益将小于1，成为减幅震荡，振幅越来越小，后停止振荡，因此B点是不稳定平衡点。由于在振荡幅度小于VB时，度小于

36、l，振荡始终是衰减的，因此这种振荡器不能依靠内部电路的噪声自行起振，除非在起振时外加一个冲击信号，使振荡幅度冲过B点，才有可能激起稳定于Q点的平衡状态。这种需要外加一个冲击信号才能起振的现象称为硬自激。通常都应该使振荡器工作在软自激状态，避免其工作在硬自激状态。 9 第二章 系统设计 图2-5 硬自激的振荡特性 2.2.3LC振荡器的选择与论证 LC振荡器是通过反馈网络采用带通LC谐振电路来实现频率选择功能的，如图2-6所示。 图2-6 LC振荡器的振荡原理 在这种应用中，前馈网络H(S)是无条件稳定的，在增益下降到l之前，它的相移小于1800，它没有频率选择功能，而且前馈网络的单位增益带宽要

37、大于振荡频率，使得在振荡频率处，前馈网络的相移近似为O。反馈网络是一个LC谐振回路，它在振荡频率处谐振，谐振时所引入的相移为0，使得整个环路的总相移为0，环路满足Barkhausen判据，电路开始起振，而在其它频率处，反 10 第二章 系统设计 馈网络贡献的相移不为0，环路不满足Barkhausen判据，这些频率成分会受到衰减，衰减的程度与LC谐振电路的品质因子有关，而靠近谐振频率处的频率成分会对振荡器的输出频谱产生贡献，形成一个扩展的频谱，它反映了振荡器的噪声性能。因此，LC振荡器采用带通LC谐振电路来衰减振荡频率以外的其它频率成分，从而实现了频率选择功能。根据实现思想的不同，LC振荡器又可

38、分为反馈型LC振荡器和负阻型LC振荡器。 方案一、采用互感耦合振荡器形式。调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较稳定。调发电路只能解决起始振荡条件和振荡频率的问题，不能决定振幅的大小。调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，幅度较大谐波成分较小。互感耦合振荡器在调整反馈（改变耦合系数）时，基本上不影响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器，而且灵活性较差。 方案二、采用电感三点式振荡。由于两个电感之间有互感存在，所以很容易起振。另外，改变谐振回路的电容，可方便地调节振荡频率，由于反馈信号取自电感两端压降，而电感对高次谐波呈现高阻抗，故不能抑制高次谐波的反

39、馈，因此振荡器输出信号中的高次谐波成分较大，信号波形较差。 方案三、采用电容三点式振荡器。电容三点式振电路的基极和发射极之间接有电容 ，反馈信号取自电容两端，它对谐波的阻抗很小，谐波电压小，因而使集电路电流中的谐波分量和回路的谐波电压都较小。反馈信号取自电容两端，由于电容对高次谐波呈现较小的容抗，因而反馈信号中高次谐波分量小，故振荡输出波形好。考虑到本设计中要求频带较宽，输出波形良好，本设计的VCO模块选用的是西勒振荡电路，具体实现如图2-7所示。 11 第二章 系统设计 . . 图2-7 压控振荡器原理图 晶体管VT1具有放大和稳定振荡幅度的作用，改变加到变容二极管D1的控制电压，就能使振荡

40、回路的振荡频率发生变化。该电路是属于电容三点式的改进形式，它的主要特点就是与电感L2并联一可变电容C5和变容二极管D1，这种电路既保持了克拉波电路中晶体管与回路耦合弱的特点，频率稳定性高，又使接入系数不受影响。所以在整个波段中振荡幅度比较平稳，这两点使西勒电路能在较宽范围内调节振荡频率。VT2为隔离输出级。 LC振荡器的输出频率由电感L与电容C的值决定，通过改变L或C可以改变振荡频率，利用变容二极管可以构成压控振荡电路，改变加在其PN结上的反向电压可以调节其容量，从而实现电压控制LC振荡。 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

41、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 12 第二章 系统设计 率的多种步进形式，实时显示输出频率等多种功能。 基于上述

42、方案比较和题目的要求，我们采用了如图2-8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2-8压控方式的系统框图 2.3 整体方案设计 图2-9 数字显示电压控制LC振荡器系统方框图 13 第二章 系统设计 各部分电路实现方式分析如下： 1、振荡器可用集成芯片组成的压控振荡器电路实现，本设计使用MC1648，其工作电压为5V，工作频率可以从1MHz到150MHz，也可以用分立元件组成的振荡电路来实现，例如三点式LC震荡电路，包括电感三点式LC振荡电路和电容三点式LC震荡电路。本设计采用电容三点式LC震荡电路来实现。 2、压控电路的实现可以在LC振荡器的谐振回路通过改变变容二极管

43、两端的电压来改变振荡器的输出频率，从而到达压控振荡的目的；也可以通过DA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与DA转换器的精度，电路结构简单，可利用单片机实现多种功能，但是由于使用单片机，成本较高；还可以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，实时显示输出频率等多种功能。从实现容易度和生产成本等诸方面因素综

44、合考虑，本设计采用由电阻和电容构成的组容电路滤波器实现稳压功能，这样既能使输出电压的频率保持在一定的范围内，又不会增加太大成本。 3、本设计的功率放大电路可以采用丙类功率放大电路来实现；也可以采用不含调谐回路的甲类功率放大电路来实现，其基本特点就是结构简单，制作容易，在调试时只要将晶体管的静态工作点调整好就可实现放大信号的目的，而且可以在电压输出之前设计一个射极跟随器电路来隔离输出。本设计采用后一种实现方式。 4、LED数字显示电压表设计制作可由ICL7107构成的三位半数字电压表电路实现，满量程取为200mv。根据需要可外接分压电阻扩展量程。焊接时应将V+显示各点（即LED的公共阳极）用短路

45、线连通,并把B点与V短接.需作固定显示的小数点DPX（DP1DP3中之一）与印制板的引出端DP相连。 通过测量输出电压间接得出频率值。也可采用A/D转换专用模块数码显示频率值。 14 第三章 单元电路的设计与实现 第三章 单元电路的设计与实现 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3-1所示。 图3-1 系统框图 3.1.单片机小系统电路 本系统以AT89C55单片机为核心，以4*4键盘，LCD液晶构成人机接口，辅助以512K flash 存储器29C040，内装汉字字库和图标，图形等，可以构成友好的人

46、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3-2所示： 15 第三章 单元电路的设计与实现 图3-2 单片机小系统的结构框图 3.2.压控LC振荡器电路 压控振荡器采用芯片MC1648，变容二极管MV2105及电感和少量阻容元件构成。外部的并行槽路中，电感用0.8mm漆包线在2mm直径的圆棒上单层平绕约10匝，然后用高频Q表测定其值L并微调至约2.0H,外接电容C11可由计算推出，其中CD为变容二极管的电容。其电容量与反偏电压的关系可用电路进行测试，从扫频仪输入0300MHz的信号，调节电位器R3使得加MV2105上的电压以0.5V为间隔从1V10V变化，观测槽路的谐振点频率并记录下来，利用Matlab计算出频率与容量的关系，从而得到电压与容量关系曲线。 可见，当变容二极管MV2105的反偏电压从1V10V变化时，其容量从16pF36pF变化。当f015MHz时，取CD36pF，外接电容最大值Cmax50pF；此时减小变容二极管CD的偏压，可使输出频率上升