高頻壓控LC振蕩器的設(shè)計正文.doc

1、壓 控 高 頻 LC 振 蕩 器 的 設(shè) 計學(xué)生:xxx，物理與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師：xxx，xx大學(xué)摘 要振蕩器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。例如：在無線電通信、廣播、電視設(shè)備中用來產(chǎn)生所需要的載波和本機(jī)振蕩信號；在電子測量儀器中用來產(chǎn)生各種頻段的正弦信號.近年來，隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使市場對射頻集成電路產(chǎn)生了巨大的需求。所以設(shè)計高性能的壓控振蕩器對通信系統(tǒng)性能的提高具有十分重要的意義。本文首先介紹了振蕩器的理論知識,接著介紹了振蕩器的分類,并比較了幾種振蕩器的優(yōu)劣。重點介紹了LC壓控振蕩器的理論和設(shè)計實現(xiàn)方法.在本論文中完整的分析和介紹了一個具有寬調(diào)諧范圍的電感電容壓控振蕩器

2、的設(shè)計方法及流程。通過折衷考慮設(shè)計中相位噪聲、功耗、調(diào)諧范圍相互之間的關(guān)系，完成了整個設(shè)計,并對設(shè)計進(jìn)行了仿真。本電壓控制LC振蕩器系統(tǒng)包括壓控振蕩器（VCO)，高頻功率放大器（RFAMP），單片機(jī)測頻系統(tǒng)。本系統(tǒng)的VCO部分采用了大變化范圍的變?nèi)荻O管做振蕩電容,頻率調(diào)節(jié)范圍寬，且能保持良好的線性度,振蕩環(huán)路加入了防振措施，高次諧波能得到很好的抑制，輸出的正弦波波形良好,純度高，失真低，幅度高且穩(wěn)定.本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，結(jié)果以數(shù)碼管的形式顯示.關(guān)鍵詞LC壓控振蕩器；放大器；頻率穩(wěn)定度；單片機(jī) Voltage control design of high frequency LC oscil

3、latorsStudent ： xxx， physics and information engineering collegesInstructor ： xx, Jianghan UniversityAbstractOscillator has a wide range of applications in the field of modern science and technology， for example， in radio communication, radio and television equipment used to produce the desired carr

4、ier and the local oscillation signal； used to generate the sine of the various frequency bands in the electronic measuring instrumentssignal。 In recent years, with the rapid development of wireless communication technology, the market has created an enormous demand for radio frequency integrated cir

5、cuits。 Therefore, the design of high-performance voltage-controlled oscillator performance improvement of communication system has great significance。文檔為個人收集整理，來源于網(wǎng)絡(luò)文檔為個人收集整理，來源于網(wǎng)絡(luò)This paper first introduces a theoretical knowledge of the oscillator， then the classification of the oscillator, and co

6、mpare the pros and cons of several oscillators。 Focuses on the theory and design of the LC VCO implementation. In this paper a complete analysis and design methods and processes of a inductorcapacitor voltagecontrolled oscillator with wide tuning range. As a compromise to consider the design of phas

7、e noise， power consumption， tuning range， the correlation between the completion of the entire design， simulation and design。 The voltagecontrolled LC oscillator system including a voltage-controlled oscillator (VCO), high frequency power amplifier (RFAMP）， single-chip frequency measurement system。

8、The VCO part of this system uses a large range varactor do oscillation capacitance， wide tuning range and maintain good linearity of the oscillation loop to join the anti-vibration measures， higher harmonics can be good suppression, the output sine wave， high purity, low distortion, high and stable

9、amplitude. The system uses a single-chip control results in the form of digital tube display。文檔為個人收集整理，來源于網(wǎng)絡(luò)本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途KeywordLC VCO； amplifier； frequency stability； microcontroller目錄摘 要.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.Abstract.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.

10、。.。.。.。.。.。.。.。.。.。目 錄。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。第一章 概述.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。1 1.1 振蕩器的定義及原理。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.1 1。2 振蕩器的分類.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.4 1。2.1 RC振蕩器.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。

11、.。.。.。.。.。.。.4 1.2.2 LC振蕩器。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.5 1.2。3 晶體振蕩器。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.7第二章 總體設(shè)計方案.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.9 2.1 設(shè)計任務(wù)與基本要求。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.9 2。2 方案比較與論證。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。9

12、2.3 整體方案設(shè)計.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.12第三章 單元電路的設(shè)計與實現(xiàn)。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.14 3.1 壓控LC振蕩器電路.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。14 3。2 PLL頻率合成電路.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。16 3.3 高頻功率放大器電路.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。21 3。4 自動增益控制電路。.。.。.。.。.

13、。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。25 3.5 測頻測幅及顯示電路.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.25 3。6 軟件系統(tǒng)的設(shè)計.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。28第四章 測試方法與結(jié)果分析。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.31 4.1 測試儀器.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。31 4。2 測試方法.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.

14、。.。.。.31 4.3 結(jié)果分析。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.32總結(jié).。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.34致謝。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。36參考文獻(xiàn)。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。37附錄一。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。

15、.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.38附錄二.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。39附錄二。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.41第1章 概述1。1 振蕩器的定義及原理振蕩器簡單地說就是一個頻率源,一般用在鎖相環(huán)中。詳細(xì)說就是一個不需要外信號激勵、自身就可以將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能的裝置。一般分為正反饋和負(fù)阻型兩種。所謂“振蕩"，其涵義就暗指交流，振蕩器包含了一個從不振蕩到振蕩的

16、過程和功能。能夠完成從直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)化,這樣的裝置就可以稱為“振蕩器”。目前應(yīng)用最多的一類振蕩器位反饋振蕩器，其實質(zhì)是建立在放大和反饋的基礎(chǔ)上的。圖1。1為反饋振蕩器的構(gòu)成框圖。由圖可知，當(dāng)開關(guān)S在1的位置時，放大器的輸入端外加一定頻率和幅度的正弦波ui，這一信號經(jīng)過放大器放大后，在輸出端產(chǎn)生輸出信號uo，若uo經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)并在反饋網(wǎng)絡(luò)輸出端得到反饋信號uf與ui不僅大小相等，而且相位也相同,如此時除去外加信號源，將開關(guān)由1端轉(zhuǎn)接到2端，使放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個閉環(huán)回路,那么,在沒有外加輸入信號的情況下，輸入端仍可維持一定幅度的電壓uo輸出，從而產(chǎn)生了自激振蕩。 圖1。1 反饋振蕩器構(gòu)

17、成框圖為使振蕩器的輸出uo為一個固定頻率的正弦波，就是說自激振蕩只能在某一頻率上產(chǎn)生,而在其他頻率上不能產(chǎn)生，則圖1。1所示的閉合環(huán)路內(nèi)必須含有選頻網(wǎng)絡(luò),使得只有選頻網(wǎng)絡(luò)中心頻率的信號滿足uf與ui相同的條件而產(chǎn)生自激振蕩,對其他的信號不滿足uf與ui相同的條件而不產(chǎn)生震蕩。當(dāng)反饋信號uf等于放大器的輸入信號ui,這時振蕩電路的輸出電壓不再發(fā)生變化，電路達(dá)到平衡狀態(tài)，因此，將稱為震蕩的平衡條件。這里uf和ui都是復(fù)數(shù),所以兩者相等是指大小相等而且相位相同。根據(jù)圖1。1可知，放大器開環(huán)電壓放大倍數(shù)A和反饋網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸系數(shù)F分別為 ；由此可得，振蕩的平衡條件為，式中，T為反饋系統(tǒng)環(huán)路增益.可見，

18、振蕩的平衡條件包括振幅平衡條件和相位平衡條件兩方面。相位平衡條件:（n=0,1，2，）振幅平衡條件：上式是維持振蕩的平衡條件,是指振蕩器已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)振蕩而言的。為使振蕩器的輸出震蕩電壓在接通直流電源后能夠由小增大直到平衡,則要求在震蕩幅度由小增大時，反饋電壓相位必須與放大器輸入電壓同相,反饋電壓幅度必須大于輸入電壓的幅度.綜上所述，反饋振蕩器既要滿足起振條件，又要滿足平衡條件，其中相位起振條件與平衡條件一致,即振蕩閉合環(huán)路必須是正反饋,這時構(gòu)成振蕩電路的關(guān)鍵。同時，振蕩電路的環(huán)路增益的模值T還必須具有隨振蕩電壓Ui增大而下降的特性。如圖1。2所示： 圖1.2 滿足起振條件和平衡條件的環(huán)路增益特性

19、起振時，T1，Ui迅速增大,隨著振蕩振幅的增大，T下降，Ui的增長速度變慢，直到T=1時，Ui停止增長,振蕩進(jìn)入平衡狀態(tài)，在相應(yīng)的平衡振幅UiA上維持等幅振蕩,故A點稱為振幅平衡點.一般只要偏置電路和反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計正確,則T作為振蕩幅度的函數(shù)是一條單調(diào)下降的曲線，僅在一個振蕩幅度下， T=1，因此振蕩器僅存在一個平衡狀態(tài)A.在開始起振時，T>1，振蕩器處于增幅振蕩狀態(tài)，振蕩幅度逐漸增加,直到達(dá)到平衡點A為止，達(dá)到平衡點后，環(huán)路增益幅度下降為1，使得振蕩器維持穩(wěn)定振蕩。這種振蕩方式通常稱為軟自激,它的特點是不需要外加激勵，依靠振蕩器內(nèi)部電路的噪聲性能便可自激振蕩。但在某些情況下，T作為振蕩幅

20、度的函數(shù)不是一條單調(diào)下降的曲線，而是先隨著振蕩幅度的增加而增加，達(dá)到最大值后,又開始隨著振蕩幅度的增加而減小,如圖1.3所示。在兩個不同的振蕩幅度,T=1,I=1，因此振蕩器存在兩個平衡狀態(tài)B與Q，其中平衡點Q滿足振蕩器的振幅穩(wěn)定性條件，是穩(wěn)定平衡點,而平衡點B不滿足振幅穩(wěn)定性條件，在該點 >0當(dāng)震蕩幅度稍大于V時， 環(huán)路增益大于1，成為增幅震蕩,振幅越來越大,最后穩(wěn)定于Q點，反之,當(dāng)震蕩幅度稍小于V時，環(huán)路幅度增益將小于1，成為減幅震蕩，振幅越來越小，后停止振蕩,因此B點是不穩(wěn)定平衡點。由于在振蕩幅度小于V時，度小于l，振蕩始終是衰減的，因此這種振蕩器不能依靠內(nèi)部電路的噪聲自行起振，除

21、非在起振時外加一個沖擊信號，使振蕩幅度沖過B點，才有可能激起穩(wěn)定于Q點的平衡狀態(tài).這種需要外加一個沖擊信號才能起振的現(xiàn)象稱為硬自激。通常都應(yīng)該使振蕩器工作在軟自激狀態(tài),避免其工作在硬自激狀態(tài)。QB|V|VV負(fù)斜率正斜率|T|1O 圖1。3 硬自激的振蕩特性1。2 振蕩器分類1.2.1 RC振蕩器采用RC選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩器稱為RC振蕩器，它適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生1HZ1MHZ的低頻信號.常用的LC振蕩器為RC橋式振蕩電路。RC橋式振蕩電路如圖1.4所示，它由集成運算放大器、RC串并聯(lián)正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋電路組成。 圖 1。4 RC橋式振蕩器電路由于RC選頻網(wǎng)絡(luò)在W=WO時,，因此,只要

22、放大器的放大倍數(shù),就能使電路滿足自激振蕩的振幅和相位起振條件，產(chǎn)生自激振蕩。振蕩器的振蕩頻率取決于RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。其振蕩頻率為 另外，由運放基本理論可知,同相放大的閉環(huán)增益為，可見,只要，振蕩電路就能滿足振蕩的幅度起振條件。由于串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻作用較差，當(dāng)放大器進(jìn)入非線性區(qū)域后,振蕩波形將會產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。所以為了改善輸出電壓波形，又能限制振蕩幅度的增長，實用電路中R2采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。1。2。2 LC振蕩器以LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器稱為LC正弦振蕩器，常用的電路有變壓器反饋振蕩器和三點式振蕩器.這里主要介紹三點式振蕩器.三點式振蕩器的基本結(jié)構(gòu)如圖1。5所示： 圖

23、1.5三點式振蕩器基本結(jié)構(gòu)。圖中放大器件采用晶體管，X1、X2、X3三個電抗元件組成LC振蕩回路，回路有三個引出端口分別與晶體管的三個電極相連，使諧振回路既是晶體管的集電極負(fù)載，又是正反饋選頻網(wǎng)絡(luò),所以把這種電路稱為三點式振蕩器。為產(chǎn)生振蕩，電路應(yīng)構(gòu)成正反饋,，所以為了使與反相，必須要求X1和X2為性質(zhì)相同的電抗元件，既同為感性或同為容性電抗元件。電感三點式振蕩器又稱哈脫萊（Hartley）振蕩器，電感三點式振蕩器的優(yōu)點是容易起振，另外,改變諧振回路的電容C，可方便的調(diào)節(jié)振蕩頻率.但由于反饋信號取自電感L2兩端壓降，而L2對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，故不能抑制高次諧波的反饋，因此，振蕩器輸出信號中的

24、高次諧波成分較大，信號波形較差。電容三點式振蕩器又稱考畢茲（Colpitts)振蕩器，電容三點式振蕩器的反饋信號取自電容C2兩端，因為電容對高次諧波呈現(xiàn)較小的容抗，反饋信號中高次諧波分量小，故震蕩輸出波形好.但當(dāng)通過改變C1或C2來調(diào)節(jié)振蕩頻率時,同時會改變正反饋量的大小，因此會使輸出信號幅度發(fā)生變化，甚至?xí)拐袷幤魍Ｕ?所以電容三點式振蕩電路頻率調(diào)節(jié)很不方便，故適用于頻率調(diào)節(jié)范圍不大的場合。為了減小晶體管極間電容的影響可采用克拉潑（Clapp）電路，與前述電容三點式振蕩電路相比，僅在諧振回路電感支路中增加了一個電容C3，其取值比較小，要求C3C1，C3C2。諧振回路接入C3后，雖然振蕩頻率穩(wěn)

25、定度提高了，改變C3反饋系數(shù)可保持不變，但諧振回路接入C3后,使晶體管輸出端與回路的耦合減弱，晶體管的等效負(fù)載減小，放大器的放大倍數(shù)下降,振蕩器輸出幅度減小。C3越小，放大倍數(shù)越小,如C3過小，振蕩器不滿足振幅起振條件而會停止振蕩。若在電路中電感線圈L上再并一個可變電容，即可構(gòu)成另外一種改進(jìn)型電容三點式振蕩器，稱為西勒(Seiler）振蕩器。它改善了克拉潑電路存在的一些問題。調(diào)節(jié)C4改變振蕩頻率時，因C3不變,從而可以保持振蕩幅度的穩(wěn)定。當(dāng)C1C3，C2C3時，振蕩頻率可近似為文檔為個人收集整理，來源于網(wǎng)絡(luò)文檔為個人收集整理，來源于網(wǎng)絡(luò) 圖1.6 西勒振蕩電路1.2。3 晶體振蕩器石英晶體振蕩

26、器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振；而在封裝內(nèi)部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。晶振在應(yīng)用具體起到的作用，微控制器的時鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路;RC（電阻、電容）振蕩器.一種是皮爾斯振蕩器配置，適用于晶振和陶瓷諧振槽

27、路。另一種為簡單的分立RC振蕩器?；诰д衽c陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù).RC振蕩器能夠快速啟動，成本也比較低，但通常在整個溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差,會在標(biāo)稱輸出頻率的5至50%范圍內(nèi)變化.但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響。需認(rèn)真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時,陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化.具有高Q值的晶振對放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動時很容易產(chǎn)生頻率漂移(甚至可能損壞）。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾（EMI）、機(jī)械震動與沖擊、濕度和溫度。這些因素會增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在

28、有些情況下，還會造成振蕩器停振。上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出,并且能夠在一定條件下保證運行.最常用的兩種類型是晶振模塊和集成RC振蕩器（硅振蕩器）。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木取?選擇振蕩器時還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。陶瓷諧振槽路一般具有較大的負(fù)載電容,相應(yīng)地也需要更多的電流.相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA 60mA。硅振蕩器

29、的電源電流取決于其類型與功能,范圍可以從低頻（固定）器件的幾個微安到可編程器件的幾個毫安.一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時只需不到2mA的電流。 在特定的應(yīng)用場合優(yōu)化時鐘源需要綜合考慮以下一些因素：精度、成本、功耗以及環(huán)境需求。個人收集整理,勿做商業(yè)用途文檔為個人收集整理,來源于網(wǎng)絡(luò)第二章 總體設(shè)計方案2。1 設(shè)計任務(wù)與基本要求設(shè)計任務(wù)：設(shè)計并制作一個電壓控制的正弦波振蕩器?；疽螅?. 其輸出頻率范圍為1530MHz;2. 頻率穩(wěn)定度優(yōu)于0.001；3. 輸出電壓峰峰值為1V；4. 實時測量并用數(shù)碼管顯示振蕩器輸出頻率值；5. 可實現(xiàn)手動或遙控輸出頻率的步進(jìn)，步長為

30、1MHz。 2.2 方案比較與論證電壓控制LC振蕩器應(yīng)將基本部分和發(fā)揮部分綜合考慮。明確要求設(shè)計制作兩個可相互獨立的部分：一是制作15-30MHz的頻率間隔1MHz步進(jìn)調(diào)整和指定頻率設(shè)置的LC振蕩器;二是工作于30MHz點頻的高效高頻功率放大器。對于LC振蕩器(1)輸出信號振幅穩(wěn)定(Upp=1±0.1V)，波形無明顯失真的正弦波；（2）輸出信號的頻率范圍要為15-30MHz；（3)顯示預(yù)置的頻率和輸出信號的測量頻率及輸出信號Vp-p數(shù)值； （4）LC振蕩器工作于短波的高端，要做好信號緩沖隔離和電磁屏蔽，要做好元器件固定和電源及控制信號的凈化.對于30MHz點頻率高效高頻功率放大器（1

31、）信號源是LC振蕩器，功率放大器輸入要不影響LC振蕩器性能；（2）功率放大器是工作于30MHz點頻，無帶寬要求,盡可能做窄帶功率放大；（3）只能是在單電源E=12V條件下工作，而且要求在純阻負(fù)載和一個等效的容性負(fù)載的純阻部分得到無明顯失真正弦波的功率Po20mW；(4）提高功率放大器效率需選丙類高頻功率放大器；（5)濾波匹配網(wǎng)絡(luò)要處理好在純阻負(fù)載和容性負(fù)載時的匹配。寧可讓高頻功率放大器工作在略過壓狀態(tài),而不要工作在欠壓狀態(tài)。LC振蕩器頻率產(chǎn)生選用的方案有四種：開環(huán)頻率合成有電壓頻率合成和直接數(shù)字頻率合成(DDS）；閉環(huán)頻率合成有鎖相環(huán)頻率合成和含AFC的電壓頻率合成開環(huán)頻率合成中的電壓頻率合成

32、。 其基本原理是根據(jù)預(yù)置數(shù)值由單片機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量,通過D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生控制電壓去控制VCO中的變?nèi)荻O管實現(xiàn)電調(diào)改變VCO的工作頻率。方案的特點是電路簡單、經(jīng)濟(jì)，輸出頻率可以連續(xù)調(diào)整，但工作頻率穩(wěn)定度較低(能達(dá)到103要求）。最主要的是變?nèi)荻O管壓控特性存在非線性，壓控靈敏度不一致,隨著外加電壓增加,壓控特性曲線斜率逐漸變小，變?nèi)荻O管壓控靈敏度將降低，從而帶來了預(yù)置量與數(shù)字量變換的設(shè)計和調(diào)整困難，同時還要求D/A的分辨率較高.開環(huán)頻率合成中的直接頻率合成（DDS）.基本原理是利用計算機(jī)查尋表格上所存儲的正弦波取樣值，正弦波的數(shù)字量通過D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生模擬量的正弦波信號。由改變查表速度來改變

33、信號頻率.用預(yù)置于RAM存儲器中所需波形的量化數(shù)據(jù),按照控制字要求,以K為步進(jìn)，對相位增量進(jìn)行累加，以累加相位值作為地址碼來讀取存放于波形存儲器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A和濾波產(chǎn)生所需信號。直接數(shù)字頻率合成具有相對帶寬很寬，在1535MHz內(nèi)無需分波段，轉(zhuǎn)換時間短，頻率分辨率高的優(yōu)點.但電路復(fù)雜,不經(jīng)濟(jì).閉環(huán)頻率合成中的帶AFC電壓頻率合成.基本原理是由單片機(jī)對輸出信號的頻率進(jìn)行測量,由這一頻率量（測量量）同所需的頻率量（預(yù)置量）進(jìn)行比較處理，產(chǎn)生數(shù)字增量,在預(yù)置量的基礎(chǔ)上形成一個控制的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換去控制VCO中的變?nèi)荻O管來完成電調(diào)和AFC功能。AFC是由預(yù)置頻率數(shù)字量同實測頻率數(shù)字量增量

34、來實現(xiàn)的。這一方案的特點是充分利用電路資源，且簡單、頻率穩(wěn)定度較高、調(diào)整方便、頻率可連續(xù)調(diào)整，但AFC時間長。 閉環(huán)頻率合成中的鎖相（PLL)頻率合成.其工作原理是利用單片機(jī)進(jìn)入預(yù)置頻率量及步進(jìn)量來產(chǎn)生分頻比的控制數(shù)字量，分別改變程序分頻器和參考分頻器的分頻比。VCO的輸出信號頻率經(jīng)前置分頻（固定分頻）、程序分頻(可變分頻)得到的頻率特征信號與參考頻率（晶體振蕩器)經(jīng)參考分頻器輸出的基準(zhǔn)頻率在鑒相器鑒相，產(chǎn)生誤差電壓經(jīng)低通濾波器濾波來控制VCO的變?nèi)荻O管，改變VCO的工作頻率,一旦進(jìn)入鑒相器的兩個信號頻率相同,則鑒相輸出一固定的電壓，從而VCO穩(wěn)定地工作在預(yù)置頻率上.通過單片機(jī)控制程序分頻器

35、和參考分頻器的分頻比，來改變VCO輸出信號的頻率以及頻率調(diào)整的頻率間隔。鎖相頻率合成具有頻率穩(wěn)定度高，準(zhǔn)確度好的特點。但輸出信號頻率不能連續(xù)可調(diào)，只能以頻率間隔步進(jìn)調(diào)整和按頻率間隔的整倍數(shù)值設(shè)置。本文為互聯(lián)網(wǎng)收集,請勿用作商業(yè)用途本文為互聯(lián)網(wǎng)收集,請勿用作商業(yè)用途圖2.1 壓控方式的系統(tǒng)框圖LC振蕩器穩(wěn)幅選用的方案有三種:分立元件BJT或FET的AGC、數(shù)字電位器AGC、數(shù)?；旌螦GC。分立元件BJT或FET穩(wěn)幅。 結(jié)型場效應(yīng)管穩(wěn)幅，是UDS很小時在UGS的控制下,導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)線性電阻特征，導(dǎo)電溝道的電阻值隨UGS變化。場效應(yīng)管T等效一受控電阻RDS，Uo=（1+R/RDS)Ui.故在Vpp變

36、化時，UGS相應(yīng)變化，使RDS變化,則Uo相反變化，從而實現(xiàn)穩(wěn)幅；BJT是利用Upp變化來改變T的工作點，使其對應(yīng)的增益變化來實現(xiàn)穩(wěn)幅。這種方案簡單、經(jīng)濟(jì),但穩(wěn)幅性能不佳.數(shù)字電位器穩(wěn)幅。 數(shù)字電位器AGC的工作原理與FET相似，是通過改變放大器的反饋量來調(diào)整放大器增益.只是這種調(diào)整量利用Vpp檢波的直流電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換由單片機(jī)產(chǎn)生數(shù)字量控制數(shù)字電位器的阻值,電路的特點是控制精度高、穩(wěn)幅性能好，但電路復(fù)雜、成本高，并且數(shù)字電位器高頻特性差。 采用可控增益放大器穩(wěn)幅?？煽卦鲆娴姆糯笃鬟x用高頻特性好的IC,由Vp-p檢波后的電壓經(jīng)A/D、單片機(jī)和D/A去控制可控增益放大來穩(wěn)幅.該穩(wěn)幅電路最大的特點

37、是高頻性能好,調(diào)整方便(可設(shè)置輸出幅度），穩(wěn)幅精度高，但電路復(fù)雜。由上述分析可知：LC振蕩器頻率產(chǎn)生采用閉環(huán)AFC電壓頻率合成和閉環(huán)PLL頻率合成滿足題目要求,但以PLL為佳。穩(wěn)幅電路宜選用高頻特性好的可控增益放大器來構(gòu)成穩(wěn)幅電路.單片機(jī)和A/D、D/A等資源要優(yōu)化，且充分利用。高效高頻功率放大器重點是失真要小、效率要高、輸出功率要大。難點在電源電壓E=12V時,保證純阻負(fù)載和容性負(fù)載電阻上的高頻不失真功率要達(dá)到Po20mW為了減小功率放大器對LC振蕩器的影響和高效率輸出大功率，選用有推動級、激勵級及末級工作于丙類（C類）的電路結(jié)構(gòu)，性能優(yōu)劣集中表現(xiàn)為濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計上。功率放大器由推動級、

38、激勵級和末級三部分組成.為了提高效率，末級工作于丙類,晶體管選用高頻功率管.功率放大器中的濾波匹配網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵:進(jìn)行阻抗變換保證激勵級至末級,末級至負(fù)載高效率獲得所需的功率;充分濾除不需要的高次諧波，減小波形的失真;讓濾波傳輸效率k=P1/P，盡可能接近1.2.3 整體方案設(shè)計數(shù)顯壓控LC振蕩器的設(shè)計主要由五個模塊電路構(gòu)成：LC振蕩器模塊、PLL頻率合成電路、高頻功率放大器模塊、自動增益控制模塊、測頻測幅及顯示模塊。頻率的測量和高頻電壓的測量，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)來分別進(jìn)行,公用一塊數(shù)字顯示LED，整體設(shè)計方案如圖2.2所示。 圖2.2 數(shù)字顯示電壓控制LC振蕩器系統(tǒng)方框圖各部分電路實現(xiàn)方式分析如下:1

39、、振蕩器部分前面已經(jīng)介紹過,可以使用閉環(huán)頻率合成中的鎖相（PLL）頻率合成.2、壓控電路的實現(xiàn)的系統(tǒng)框圖也已經(jīng)給出.3、本設(shè)計的功率放大電路可以采用丙類功率放大電路來實現(xiàn);也可以采用不含調(diào)諧回路的甲類功率放大電路來實現(xiàn)，其基本特點就是結(jié)構(gòu)簡單,制作容易，在調(diào)試時只要將晶體管的靜態(tài)工作點調(diào)整好就可實現(xiàn)放大信號的目的，而且可以在電壓輸出之前設(shè)計一個射極跟隨器電路來隔離輸出。4、LED數(shù)字顯示電壓表設(shè)計制作可由ICL7107構(gòu)成的三位半數(shù)字電壓表電路實現(xiàn)，滿量程取為200mv。根據(jù)需要可外接分壓電阻擴(kuò)展量程。焊接時應(yīng)將V+顯示各點（即LED的公共陽極）用短路線連通,并把B點與V短接.需作固定顯示的小

40、數(shù)點DPX（DP1DP3中之一)與印制板的引出端DP相連。 通過測量輸出電壓間接得出頻率值.也可采用A/D轉(zhuǎn)換專用模塊數(shù)碼顯示頻率值。第三章 單元電路的設(shè)計與實現(xiàn)3。1 壓控LC振蕩器電路為使輸出幅度穩(wěn)定在1.0V，電路引入了交流電壓串聯(lián)負(fù)反饋并利用MC1648的自動增益控制來調(diào)節(jié)振蕩器的振蕩幅度。如圖3.1所示為MC1648內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，振蕩器包括連接Q6的基極和Q7的集電極的正反饋.其內(nèi)部包含了一個自動增益控制口去限制晶體管的發(fā)射極耦合對并且允許最佳的頻率響應(yīng)。為了保持振蕩器高的品質(zhì)因素并且提供高的頻譜純度，晶體管Q4被用于傳遞振蕩器信號到差分輸出對Q2和Q3。Q2和Q3和輸出晶體管Q1一

41、起提供一個高的、具有緩沖的方波輸出。晶體管Q9和Q11為振蕩器和輸出緩沖器提供了偏壓。將輸出電壓用負(fù)反饋輸入引腳5，當(dāng)輸出幅度增大時，輸入引腳5的電壓降低,Q8基極電位下降，集電極電位上升,Q7基射極電壓減小,放大倍數(shù)減小，因此輸出幅度減小，反之，當(dāng)輸出幅度減小時，則經(jīng)過負(fù)反饋后放大倍數(shù)增大，輸出幅度加大。圖3。1 MC1648的內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路MC1648 是單片集成的射極耦合振蕩器,輸出 MECL 電平。電路工作時，外接電感 L 和電容 C 的并聯(lián)諧振回路即可形成固定頻率的振蕩器.若外接變?nèi)荻O管控制變?nèi)莨艿闹绷髌眉纯蓸?gòu)成 LC 壓控振蕩器. MC1648 的工作電源為 5v 或負(fù) 5.2V

42、。最高工作頻率可達(dá) 225MHz.幾種常見的變?nèi)莨苓B接方式和相應(yīng)的壓控特性見下圖,其中（a)(b）為單管連接，控制電壓加到變?nèi)莨埽渥饔檬窍蘖?。（c）采用雙管背對背連接，其工作頻率高，壓控特性也好，本系統(tǒng)采用此種結(jié)構(gòu)。電路的 5 端為 AGC.改變 AGC 的電位,則振蕩幅度改變,經(jīng)放大輸出的波形也不一樣.通過 AGC 調(diào)節(jié)，電路可以輸出正弦波，也可以輸出方波。 圖3。2 MC1648的幾種常見的連接方式和壓控特性圖中1K的電阻被用于在測試中保護(hù)變?nèi)荻O管，在AGC口和VCO輸入應(yīng)該連接電容。當(dāng)輸出頻率在1。0MHz到50MHz時一個0。1uF的電容就足夠了（如C1和C2）。當(dāng)更高頻率時應(yīng)該使

43、用更小的電容,更低頻時,更大的電容。高頻時旁路電容的值根據(jù)系統(tǒng)電路的物理布局確定。所有的旁路都應(yīng)該盡可能的接近引腳以減小導(dǎo)線電感。3。2 PLL頻率合成電路鎖相環(huán)(PLL）是構(gòu)成頻率合成器的核心部件。主要由相位比較器（PD）、壓控振蕩器(VCO)、環(huán)路濾波器（LP)和參考頻率源組成。鎖相環(huán)是一種利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號反饋控制電路.他的被控制量是相位，被控對象是壓控振蕩器.如圖3。3所示，如果鎖相環(huán)路中壓控振蕩器的輸出信號頻率發(fā)生變化，則輸入到相位比較器的信號相位和必然會不同,使相位比較器輸出一個與相位誤差成比例的誤差電壓，經(jīng)環(huán)路濾波器輸出一個緩慢變化的直流電壓，來控制壓控振

44、蕩器輸出信號的相位，使輸入和輸出相位差減小，直到兩信號之間的相位差等于常數(shù)。此時，壓控振蕩器的輸出信號頻率和輸入信號頻率相等，且環(huán)路處于鎖定狀態(tài). 圖3.3 鎖相環(huán)原理框圖如圖3.4所示，鎖相環(huán)頻率合成器是由晶振、參考分頻器、相位比較器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、可變分頻器構(gòu)成。參考分頻器對參考頻率源進(jìn)行分頻，輸出信號作為相位比較器參考信號.相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差,并將檢測出的相位差信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出,環(huán)路濾波器是一種低通濾波器,它在鑒相器的輸出端衰減高頻誤差分量，以提高抗干擾性能。ff/R參考分頻器R鑒頻器/鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器晶振可編程分頻器前置分頻器

45、P/P+1 圖3.4 鎖相環(huán)頻率合成器原理框圖可變分頻器對壓控振蕩器的輸出信號進(jìn)行分頻，分頻之后返回到相位比較器輸入端與參考信號進(jìn)行比較。當(dāng)環(huán)路處于鎖定時有所以有。只要改變可變分頻器的分頻系數(shù)P，就可以輸出不同頻率的信號.鎖相頻率合成單元是提高輸出頻率穩(wěn)定性的關(guān)鍵部分.目前市場上的頻率合成器集成電路很多，我們選用摩托羅拉公司的MC145152。該芯片是摩托羅拉公司生產(chǎn)的鎖相環(huán)頻率合成器專用芯片，是一塊14位并行的碼輸入單模、單片鎖相環(huán)頻率合成器，片內(nèi)含有參考振蕩器，參考分頻器，鑒相器，可編程分頻器等部件，最大可變分頻比為16383，最高工作頻率能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求.MC1451522芯片具有

46、下列主要特征：（1） 它與雙模（P（P1)分頻器同時使用，有一路雙模分頻控制輸出MC。當(dāng)MC為低電平時，雙模分頻器用（P1)去除；當(dāng)MC為高電平時,雙模分頻器用模數(shù)P去除。它有A計數(shù)器和N計數(shù)器兩個計數(shù)器。它們與雙模（P（P1）分頻器提供了總分頻值（NPA）。其中，A、N計數(shù)器可預(yù)置.N的取值范圍為31023，A的取值范圍為063。A計數(shù)器計數(shù)期間，MC為低電平；N計數(shù)器計數(shù)（NA）期間,MC為高電平。 （3）它有一個參考振蕩器，可外接晶體振蕩器。 （4）它有一個R計數(shù)器，用來給參考振蕩器分頻，R計數(shù)器可預(yù)置，R的取值范圍：8，64，128,256，512,1024，1160，2048。 （5

47、）它有兩路鑒相信號輸出，其中,R、V用來輸出鑒相誤差信號,LD用來輸出相位鎖定信號。 MC1451522的供電電壓為3.0V9.0V,采用28腳雙列封裝形式. MC1451522的工作原理：參考振蕩器信號經(jīng)R分頻器分頻后形成fR信號。壓控振蕩器信號經(jīng)雙模(P(P1)）分頻器分頻，再經(jīng)A、N計數(shù)器分頻器后形成fV信號，fVfVCO（NPA）。fR信號和fV信號在鑒相器中鑒相，輸出的誤差信號（R、V）經(jīng)低通濾波器形成直流信號,直流信號再去控制壓控振蕩器的頻率. 當(dāng)整個環(huán)路鎖定后，fVfR且同相,fVCO（NPA）fV(NPA）fR，便可產(chǎn)生和基準(zhǔn)頻率同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的任意頻率。個人收集整理，勿做

48、商業(yè)用途本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途30 MHz頻率合成器的設(shè)計：30 MHz頻率合成器元件的選取:鎖相環(huán)頻率合成器選用芯片MC1451522。晶振選用10。24MHz的晶體，它的頻率穩(wěn)定度較高，可達(dá)106。低通濾波器選用運放芯片MC33171；模數(shù)P64,工作頻率為2.0 GHz；壓控振蕩器選用壓控LC振蕩器。 MC1451522芯片參數(shù)的設(shè)計取fVCO=30MHz，P=64,晶體頻率10。24MHz，R計數(shù)器取次2048分頻，有: fR=10。24MHz/2048=5kHz，NP+A=fVCO/fR=30MHz/5kHz=6000 N+A/P=6000/64=93余48，N=93=（

49、0001011101）2,A=48=(110000)2 R2048，RA2RA0為111， N=93,N9N0為0001011101，A48，A5A0為110000。 R計數(shù)器、N計數(shù)器、A計數(shù)器可預(yù)置，各管腳接地為邏輯0,懸空為邏輯 30MHz頻率合成器電路的設(shè)計 30MHz頻率合成器電路圖，如圖3。5所示. 圖3.5 頻率合成器電路圖 圖3。5中,運放芯片MC33171構(gòu)成了有源比例積分濾波器,在設(shè)計時首先選合適的電容C，然后,再根據(jù)n、N、KV、Kd和計算R1和R2的值。 R=KVK/（NC) （1) R=2/（C） (2） 式(1）和式（2）中，Kv為壓控振蕩器電調(diào)靈敏度（radsV）

50、；Kd為比相器靈敏度，KdVDD2，VDD是運放的工作電壓（VDD5 V），Kd單位取Vrad；N為總分頻次數(shù)；為鎖相環(huán)路的阻尼系數(shù),的合適取值范圍是在0510之間，通常選擇最佳起始點0707;n為環(huán)路自然諧振角頻率，n值的選擇將直接影響環(huán)路濾波特性和捕捉時間，為了保證環(huán)路對噪聲有較好抑制，n應(yīng)該遠(yuǎn)小于鑒相頻率d，通?？砂词?3）選擇 nd（301 000)，(3) 當(dāng)噪聲來源于參考頻率和分頻器時，n可以選擇得小些；當(dāng)噪聲來源于壓控振蕩器時，n可選擇得大些。 具體計算如下： KdVDD（2)5(2）0796 Vrad,文檔為個人收集整理,來源于網(wǎng)絡(luò)本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途 N=30M

51、Hz/5KHz=6000，=0.707,=2fR/50=6.285kHz/50=628rad/s，KV=410rad/sV，選擇C=0.1uF,則R1= KK/(NC）=0.796410/（6000110628)=134.6kR2=2/（C)=20。707/(628110）=22.5k故:R1選用134.6K電阻,R2選用22。5K電阻.在實際調(diào)試過程中我們對電阻值做了微調(diào)，使其性能達(dá)到最好。鎖相環(huán)頻率合成的核心芯片MC145152的實現(xiàn)電路如圖3。6所示。其中頻率控制端可以由單片機(jī)或撥碼開關(guān)控制,實現(xiàn)輸出頻率控制。圖3。6 鎖相環(huán)頻率合成電路3。3 高頻功率放大器電路晶體管作為放大器的核心部件,為使電路發(fā)揮其更高價值，一定要注意，在使用晶體管時，讓其工作在安全工作區(qū)內(nèi)。集電極最大允許電流ICM,當(dāng)IC 超過ICM后,放大器性能降低，若IC 過大也可能燒壞晶體管；集電極最大允許耗散功率PCM, 晶體管在集電極上產(chǎn)生的功耗使集電結(jié)發(fā)熱，超過集電結(jié)的最大耗散功率后,晶體管可能會被燒壞,大功率管中為提高PCM，一般外裝散熱器；二極管擊穿耐量PSB,由于二次擊穿是不可逆的，在使用時必須要求不發(fā)生二次擊穿；發(fā)射極開路,集電極-基極間反向擊穿電壓U(BR)CEO，使用時,集電結(jié)電壓超過U(BR)CEO后,會使晶體管造成永久性損壞或功能下降.在放大器原理上,功率放大