电压控制LC振荡器.doc

电压控制LC振荡器

摘要
本系统以89C51为控制核心，由键控LCD显示、频率合成、功率放大、自动稳幅控制、电压峰值检测、频率步进与测量显示等功能模块组成。系统可以实现：按键选频或步进为1MHz 100KHz和100KHz的12MHz-40MHz稳定无失真频率输出；对输出电压峰峰值进行自动稳幅控制并实时检测送LCD显示；采用丙类功率放大电路其输出效率达50％；并能对12MHz-40MHz范围内各频段进行语音或TTL电平调制。经测试指标基本能达到要求。

一 方案选择与论证
1.振荡控制方式选择
方案一：LC谐振法。在本振回路中使用LC调谐回路，通过改变L或C的值来改变本振频率，进而达到频率输出。利用LC回路易于实现，但是稳定性欠佳，要做到题目发挥部分要求的各项参数有困难。
方案二：电压合成谐振。单片机各种控制信号经D/A转换后，将得到的调谐电压送本振回路，通过改变容二极管两端电压来改变本振频率。从而实现电压合成谐振。该方式结构简单，信噪比较高，但是由于本振属于开环方式，LC回路Q值较低，使得频率稳定度不高，另外，由于变容二极管压控特性的非线性，使得控制电压改变时，各电压控灵敏度不同。这将对D/A转换器件提出跟高的要求，制作难度较大。
方案三：PLL频率合成方式。利用锁相频率合成技术，可以获得高稳定度的本振信号。通过改变可编程分频器的预制数值，可以得到一系列的本振信号，此时本振的稳定度与晶振的频率稳定度相同，而且能在单片机的控制下实现频率步进输出1MHz100K和100K的功能。本系统采用此方案。
2.锁相环频率合成器的选择
方案一：单片集成锁相环L562。L562集成锁相环中除了包含有鉴相器（和双平衡模拟乘法器）和压控振荡器（射极定时多谐振荡器）之外，还有三个放大器（A1.A2.A3）限幅器和稳压电路等器件。因此它的环路性能和通用性能的非常好，是属于通用型的集成锁相环。它各集成部件之间有部分连接，能使它完成某几种功能，但该集成的压控振荡器的频段跨越范围不宽且工作频率最高才可达到35MHz。

方案二：吞脉冲式集成锁相频率合成MC145151-2。该芯片是一块14位并行码输入的单模、单片锁相环频率合成器，片内包括一个晶体振荡器的分频器、一个可编程序分频器、一个鉴相器和锁定检测器。采用标准的CMOS逻辑。参考分频带有12位计数器，参考分频比通过三个输入端控制的存储及编码。最大可变分频比为16383，最高工作频率为60MHz。该集成配合独立VCO便能满足系统设计的要求。所以本系统选用该集成。
3．压控振荡器（VCO）的选择
此方案的选择是本系统的重点、难点。
方案一采用常规的电容、电感与分立元件组成振荡器。它是经典的方法，电路成熟，材料容量采购，也容易制作成功，但其频率范围只有10M左右难以达到本题所要求的15M-35M的频率跨越。若用级联的方式，则可以满足甚至超出题目所要求的频段范围，但电路复杂度增加、调试控制难度加大，且最大缺点是它的频率稳定度最高也只能达到，元器件受环境、温度影响较大，未能达到频率高稳定的要求。
方案二：选用集成芯片MC1648。该IC是单片集成的射极耦合振荡电路，输出MECL电平。电路工作时，外接电感L和电容C的并联谐振回即可形成固定频率的振荡器。若外接变容二极管，控制变容管的直流偏置即可构成LC压控振荡器。其最高工作频率达225M，接单可调电感即可满足题目所要求的频段跨越，且电路简单、易于调试，各参数受环境、温度影响较小，频率输出稳定度达、波形无明显失真。
综合考虑，本系统采用方案二。
二、系统简介及单元电路分析
1、系统简介
该系统由单片机控制、频率合成、压控LC振荡、峰值检测、自动稳幅控制及功率放大等模块组成。
系统方框图如图12_1所示。

LCD

单
片
机

稳幅输出控制

VCO

频率合成
键
盘

功放

输
出
电压峰值检测

图12_1
本系统是通过键盘输入所需要的振荡频率，经单片机运算转换后送频率合成模块从而控制VCO锁住所需的频率；从VCO输出的信号经稳幅自动控制后送功率放大输出；同时，从稳幅控制输出的信号经检波电路后送给峰值检测模块对其峰-峰值进行采样后送单片机比较；并在LCD上显示锁住的频率和电压峰-峰值。
2、单元电路
（一）LC振荡部分
1、VCO中的变容管
在LC中频率的改变通过改变变容管两端的电压来完成的。变容管的电容随控制电压V的变化而变化其变化规律如下式所示

其中，是变容管的电容；0.65V；是控制电压；K是比例常数；n称为变容指数。目前，国产变容管多数属于突变结型，其n=0.5。对于超突变型，其n=1-2。的绝对量的大小则由K所决定。K代表=1V时的值。若要更大或更小的电容值时可用并联或串联的方法来实现。经分析，本系统采用参数为

2、 VCO的压控非线性系数，及频率的相对覆盖
压控非线性系数定义为

它的意义可以从图12-2中看出。下标min与max分别代表变容管的控制电压位于高端和低端。如果=1，则压控曲线是一根直线。若1，说明VCO的压控特性存在非线性；偏离1越大，则非线性越严重。合成器中所有的VCO对要求一般为或。值的大小，受以下三方面的影响：（1）变容管的n值；（2）变容管接入振荡回路的方式；（3）的摆动幅度。
在本系统中，变容管的n值为0.5，以并联的形式接入振荡回路，的摆动幅度为8V。

u

1v 9v Vrc

图12-2

3、 MC1648的性能与使用
MC1648的工作电压为5V，最高工作频率。电路如图12_3：

图12-3

图12_4

电路中变容二极管是双管背对背串联连接，这样使得工作频率范围加宽，压控效果更好；从锁相集成输出控制电压通过1K限流电阻加至两管中间，通过改变其容值进而改变振荡频率；该电路还有AGC控制端，通过调节电位器改变AGC的电位，则集成内部Q8的基极电位随之变化，振荡幅度也就会不同，经放大输出的波形也不一样，所以也就可以通过该端来调节波形的失真度，使其达到最佳状态。

（二） 锁相环控制部分
对于锁相集成我们选用的是MC145151-2并行输入PLL频率合成芯片。
该集成芯片带单模预制置计数器接口，分别用14条和3条并行输入数据线位N计数器和R计数器编排程序，在特征上本器件包括参考振荡器，可选参考频率分频器，数字相位检测器和可以编程的除以N的14比特计数器。
MC145151-2是MC145151-1的性能经过改进的替补产品，功耗已经下降而ESD和锁定功能则大有改进。由CMOS技术的应用而取得的低功耗，电压范围从3～9v。
同时该集成可以利用÷N计数器的输出，单模并行编程。用户可以选择的8个÷R值：8，128，256，512，1024，2048，2410，8192，÷N选择范围＝3～16383。
在其内部“线性化”的数字频率相位检测器的能改进传输函数的线性度，其内部结构如下图12-5：

LC振荡
参考分频
晶体振荡
鉴相器
低通

可编程分频

单片机并行14位代码
图12-5

按方案设计，参考频率设定为10k，输出频率为15MHz_35MHz，可采用直接分频方式，环路的可编程分频器的分频比N由下式计算得：

计算得最小分频比=1500，最大分频比=3500。
在锁相环路中，环路滤波器的设计是十分重要的。本系统采用无源比例积分滤波器，其结构简单，性能稳定，调试方便。各个参数计算如下：
平均分频比
鉴相器灵敏度
压控灵敏度 （实际测得）

环路自然谐振角频率

环路阻尼系数
取=0.707，=2.2Uf,根据上两式得=10K, =1.5K。为了使环路工作在最佳工作状态，在电路调试时要根据需要对、和的值作适当的调整。

图12-6

（三） 稳幅自动控制电路
电路结构如图12-7：

放大
衰减器
放大
射随输出

信号
输出

检波
放大

基准调整

图12-7

图12-8
由VCO送来的信号幅度在几百毫伏之间，要达到输出10.1Vpp的要求，首先要经由Q1、Q2组成的放大射随电路，使电压峰值输出达到1Vpp以上。D1、D2是型号为ISV99的PIN二极管，由它组成电调衰减器。Q4设计成射随输出电路，以提高信号输出的驱动能力。本单元电路的增益控制在8-10dB之间，而电调衰减的增益在0- -15dB之间，使它留有一定的控制余量。

AGC控制的电平检测电路，如图12-9：

图12-9
由图12-8输出的信号经C9耦合到Q4组成的射随器，使检测电路与输出有一定隔离。D3、D4为检波二极管，将输出的交流信号整流成直流电平，送到差分电路的Q5管的基极，Q6的基极接有从W6送来的直流电压，它可调整AGC控制信号的基准电平、控制输出信号的幅度。经实际测量Q2的发射静态电压在6.0V，D1、D2的控制电压变化0.5V，其输出信号的变化量在0-12dB之间，为此电平检测电路应输出的电平在6.50V到6.00V之间。

（四）电压峰值检测
由图12-8放大电路输出的信号经射极跟随器后输出幅度1Vpp左右的交流信号直接给D1、D2检波二极管检波，再经2K限流电阻后送A/D转换集成采样；经多次采样后所得的数据送给单片机进行比较，然后取其平均值，再送LCD显示。
在本电路中我们采用型号为MAX192的A/D转换集成。该集成有8路输入，10bit的转换精度，其最大优点是数据的串行输出，与单片机连接的总线只有四条，为单片机大大节省了I/O口。电路如图12-10：

图12-10
（五）功率放大部分
对稳幅输出的30MHz正弦信号的功率放大，我们设计了一个单点频的三级放大电路。如图12-10：

图12-10
第一级由Q1采用2SC1907作为高频放大，第二级Q2采用8050作前置功放，第三级同样也采用8050作末级功放。
由于输入信号将近1Vpp,为了获得足够大的推动信号，第一级采用高增益的单调谐负载，电容C6直接耦合输出，发射级增加了R3的交直流负反馈，提高了本级工作的稳定性，本级的增益控制在12db左右；第二级放大器作为前置功放，要求它有一定的电压增益，一般控制在10db范围内，同时还要求它有一定的负载能力，所以我们加大了C9的耦合度；末级功放采用丙类放大，为了得到放大的输出功率，必需提高它的集电极效率为此在Q3的b极采用由L5，R8,C10组成的自举电路，使Q3的导通角控制在180度以下，以达到最高的效率。该管的集电极只用L304作电感负载，它有很强的负载能力，并有较高的电压增益，在Q3的集电极，空载时输出电压达30Vpp。
由C15，C16，C17及L7组成输出低通滤波网络，能对多次谐波进行抑制；用频谱仪观测分析，该网络对输出信号的二次谐波有40dB的衰减量，同时它还对输出级Q3与负载之间进行阻抗匹配，以便在负载上获得最大的信号功率。

（六）单片机控制
单片机是本系统控制的核心，其主要功能是有三部分：一，锁相环控制。用户可以根据需要对键盘进行输入某一频率，单片机接收转换后送往锁相集成进行锁相；同时，用户也可以进行步进1MHz或100K的频率的稳定输出。二，A/D转换。为了实时对输出频率峰-峰值的测量，用户可以通过键盘控制A/D的启动对输出
频率经检波后的信号进行采样比较，得出其中平均值后送LCD显示，用户便可实时读出输出频率的峰-峰值。（三）存储部分。在本系统中我们还存储了在平时比较经常使用的几个中频，比如21.4MHz中频、图像中频36.5MHz等，用户可直接手动键输入预储的中频点，便有准确的频率输出。

（七）其它
本系统还能对低频语音或TTL电平进行放大、调制。
电源经过R12和C13滤波再通过R2给麦克风一个偏置电压，让麦克风正常工作。来自麦克风的信号经过两个晶体管C945进行放大，在放大管上分别用电阻对低频信号提供负反馈和用一个电容对抑制高频，防止产生高频自激。然后再对变容二极管VD1调制。在VD1（容量范围约10pF-25pF）上串联一个小电容（本电路用2p）来控制调节频偏。

两级单管放大电路主要是用来放大由麦克风送来的信号，然后再送到变容二极管去调频。为了使晶体管达到最好的放大曲线调整和使A和B点的直流电压为.并且、和、来组成交直流负反馈和防止高频自激。根据实际要求的频偏，调整他们的大小得：＝560，＝470pF，＝470，＝220pF。

三、系统实现功能简介
1. 频率输出范围：12MHz-41MHz。

2. 频率输出，步进频率：1MHz 100KHz和100K。
3. 在本系统频率范围内任意手动输出所需频率。
4. 50欧纯电阻功率输出大于20mW。
5. 负载改为50欧与20皮电容串联输出功率仍大于20mW.。
6. A/D转换测试输出频率峰-峰值，误差小于10％。
7. 可对音频信号，数据脉冲进行调制后送LC振荡输出。
8. 可存储十几常用的中频点。
四、测试方法及数据
（一） 测试仪器
SS-7804双踪示波器 GSG-120 高频信号发生器 BT3C-A频率特性测试仪
GFC-8151数字频率计 DT9208数字万用表 MF50型模拟万用表
（二）整机指标测试
1、波形失真度测试
在功放的输出端我们可以测出输出频率的失真度。结果如下：
频率/MHz
12MHz-18MHz
18MHz-25MHz
25MHz-41MHz
失真度
失真度较小
不失真
不失真

2、频率步进的测量
步进1MHz：
LCD显示 KHz
15000
16000
17000
…
33000
34000
35000
频率计 MHz
15.004
16.003
17.003
…
33.003
34.003
35.003
步进100K：
LCD显示 KHz
15100
15200
15300
…
347000
34800
34900
频率计 MHz
15.103
15.203
15.303
…
34.703
34.803
34.903
经分析，以上误差皆由锁相集成MC145151-2的内部相位噪声造成。

3 、电压峰-峰值测试：
同样，也要功放的输出端用示波器测出该波形的电压峰峰值，结果如下：
频率/MHz
12MHz
14MHz
18MHz
20MHz
22MHz
25MHz
26MHz
28MHz
30MHz
32MHz
38MHz
40MHz

0.90
0.93
0.91
0.95
0.95
098
0.97
1.0
0.98
0.95
0.94
0.96

3、功率的测量
方法：设定输出频率为30MHz，在后级放大电路的功放输出的地方并入示波器，对负载50欧纯电阻的峰峰值进行测量。如下图：

电流的测量：在E=12V的单直流电源的输入端开路，串入毫伏表对输入电流进行测量如下图：

当功率放大负载改为50欧电阻与20皮电容串联时，峰峰值测试方框图如下：

电流测量方框图如下：

功率计算公式：，；，经计算得若要达到输出功率大于20mW，则的值应不小于3V。

实测数据如下：
负载
负载电压 Vpp
负载功率 mW
电源电流 mA
电源功率 mW
效率％
50欧
11.0
302.5
40.5
486
62.2
50欧+20P
9.8
240.1
44.8
537.6
44.6

四 测试结果及分析
整机测试指标均达到题目要求。由于VCO的振荡频率比较高，所以测量受环境比较大，各项参数测试会因外界的影响而产生误差。低频段的振荡波形有些失真，我们认为是VCO的所覆盖的范围太宽所至，但低频点波形有些失真的同时频段覆盖范围能达到很宽，这都是由于MC1648VCO振荡集成的选用。
五 问题及改进措施
从本系统所采用的器件来实现的功能来看，还有一些可以改进的地方，比如增加时间显示，实时频率测试功能等，从整机供电，体积方面等角度考虑，整机应还可以选用更低的工作电压。