LC振蕩器制作方案

1、摘要本題目中，振蕩器采用輸出波形好，頻率穩(wěn)定度高的具有波段切換功能的改進型電容三點式振蕩電路。在每一個波段內(nèi)，頻率的調節(jié)是通過改變壓控振蕩器的變?nèi)荻O管的直流反壓實現(xiàn)的。采用鎖相環(huán)頻率合成電路，以進一步提高輸出頻率的穩(wěn)定度。為了提高輸出功率和效率，功率放大器設計在丙類臨界狀態(tài)。單片機的任務是進行峰-峰值顯示和頻率顯示。一、方案論證與比較1、常見LC振蕩器制作方案方案一、采用互感耦合振蕩器形式。調基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時，振幅比較穩(wěn)定。調發(fā)電路只能解決起始振蕩條件和振蕩頻率的問題，不能決定振幅的大小。調集電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，幅度較大諧波成分較小?；ジ旭詈险袷幤髟谡{整反饋

2、（改變耦合系數(shù)）時，基本上不影響振蕩頻率。但由于分布電容的存在，在頻率較高時，難于做出穩(wěn)定性高的變壓器，而且靈活性較差。方案二、采用電感三點式振蕩。由于兩個電感之間有互感存在，所以很容易起振。另外，改變諧振回路的電容，可方便地調節(jié)振蕩頻率，由于反饋信號取自電感兩端壓降，而電感對高次諧波呈現(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高次諧波成分較大，信號波形較差。方案三、采用電容三點式振蕩器。電容三點式振電路的基極和發(fā)射極之間接有電容 ，反饋信號取自電容兩端，它對諧波的阻抗很小，諧波電壓小，因而使集電路電流中的諧波分量和回路的諧波電壓都較小。反饋信號取自電容兩端，由于電容對高次諧波

3、呈現(xiàn)較小的容抗，因而反饋信號中高次諧波分量小，故振蕩輸出波形好。 考慮到本設計中要求頻帶較寬，輸出波形良好，擬選擇方案三。2、調諧方案方案一、手動調諧。通過手動調節(jié)雙聯(lián)電容來改變輸入回路的諧振和本振頻率，或調節(jié)精密電位器產(chǎn)生一定的偏壓從而改變變?nèi)荻O管的結電容，使諧振頻率發(fā)生變化。其優(yōu)點是調諧簡單，可以根據(jù)實際情況進行精細調節(jié)；缺點是難以實現(xiàn)一些智能功能，而且由于頻率的穩(wěn)定度取決于LC振蕩，而LC振蕩的頻率穩(wěn)定度較低，導致本振頻率漂移嚴重，性能不夠穩(wěn)定。方案二、電壓合成調諧。用D/A轉換或數(shù)字電位器產(chǎn)生一定的電壓改變晶體管或變?nèi)荻O管的結電容，從而改變振蕩頻率。由于D/A轉換器和數(shù)字電位器的位

4、數(shù)一般較低，所以難以得到精細的控制電壓，再加上變?nèi)荻O管的非線性，使得控制電壓與諧振頻率之間一般是非線性的關系，從而使控制電壓的產(chǎn)生和載頻的確定都很困難，并且穩(wěn)定度不好。方案三、鎖相環(huán)頻率合成方式。該方案的顯著優(yōu)點是頻率穩(wěn)定度高，與晶體管振蕩器的穩(wěn)定度相同，可達10-6以上，當壓控振蕩器參數(shù)發(fā)生變化時，可自動跟蹤捕捉，使頻率重新穩(wěn)定。如果采用小數(shù)分頻（如用相位累加脈沖吞除技術），可以在好的環(huán)路性能下實現(xiàn)微小的頻率步進，獲得高穩(wěn)定度的頻率信號。權衡之后，我們采用了方案三。3、測量顯示電路方案一、采用純硬件電路來實現(xiàn)。無論是峰-峰值顯示，還是頻率顯示，其電路都比較復雜，調試困難，而且電路功能的可修

5、改性和可擴充性都比較差，不易滿足題目中的要求。方案二、軟硬件結合來實現(xiàn)。對于峰-峰值顯示，可以直接用A/D轉換器采樣峰值檢波電路輸出的電壓值，再經(jīng)單片機計算處理后進行顯示。對于頻率顯示，通常采用兩種方案： 利用壓控制振蕩器輸出電壓與頻率的線性關系，做成數(shù)據(jù)表，并存入存儲器中，再通過軟件編程進行查表并顯示。 利用硬件電路對輸出的正弦信號進行頻率采樣，再由單片機進行計數(shù)并顯示。方案二的特點：電路功能的可修改性和可擴充性都比較好，但軟件設計工作量較大； 綜合考慮各種因素，擬采用方案二，其中，頻率顯示擬采用單片機查表的方法。信號輸入A/D采樣單片機處理系統(tǒng)LED顯示信號輸入A/D單片機處理系統(tǒng)LED顯

6、示峰值檢波電路二、系統(tǒng)設計1、總體設計（1）系統(tǒng)框圖單片機濾波VCOBU2614放大器功率R顯示A/D轉換AGC2、各模塊設計及計算（1）正弦波振蕩電路的設計與計算為了提高輸出波形的穩(wěn)定性并展寬頻率范圍，我們實際采用的是改進型的電容三點式振蕩電路西勒振蕩電路。我們選用小功率高頻管3DG4E，其fT=200兆赫，選hfe=50至100左右的管子。電路工作于臨界狀態(tài)時，集電極電流2.4mA0.2=0.2×12=2.4V故可計算出射極電阻值1K 我們?nèi)∠缕秒娮?9×1000=9K（實際為9.1 K）那么上偏電阻26.1 K取耦合電容0.047F，諧振時C =100pF，電感可按

7、下列經(jīng)驗公式計算得0.4H集電極電路中扼流圈的電感值應遠大于電感L之值，這里選用1毫亨的扼流圈。取反饋系數(shù)F=1，則C6 = C7=（1+F）C =（1+1）×100 = 200pF由于本題目要求振蕩器的輸出頻率為15MHz35MHz，并且頻率變化范圍要達到20MHz，如果用普通LC型壓控振蕩器（VCO）在滿足相位噪聲以及輸出幅度平穩(wěn)壓控曲線非線性較小的情況下，覆蓋只能做到10MHz的量級，難以再展寬，這是因為寬覆蓋與低相位、噪聲等要求均存在矛盾。為了解決這一矛盾，我們采用波段開關轉換的辦法，以實現(xiàn)頻率覆蓋20MHz的要求。變?nèi)荻O管是一種頻率變化范圍較大的二極管，當變?nèi)荻O管上反向

8、偏壓越大，結電容越小，反之亦然。由于結電容是隨反向偏壓變化的，因此它相當于可變電容器。它的主要優(yōu)點是能夠獲得較大的頻移，線路簡單，并且?guī)缀醪恍枰谜{制功率。當諧振從最高fmax變化到最低值fmin時，諧振回路頻率覆蓋系數(shù) 按上圖中調諧回路覆蓋系數(shù)可寫為接題目要求，fmax=35MHz，fmin=15MHz，所需要的變?nèi)荻O管覆蓋系數(shù)為=5.4我們選用的變?nèi)荻O管覆蓋系數(shù)為 ，超過要求值。 （2）功率放大器由于采用甲類、乙類、甲乙類放大器達不到題目的要求，在這里為了獲得一定的不失真的輸出功率，并工作在大信號狀態(tài)下，我們采用丙類放大器。（如圖電源電壓VCC = +12V,晶體管3DG12的主要參數(shù)

9、為=700mW, =300mA，管子的飽和壓降0.6 V, 30,150MHz, 6dB，主要技術指標：輸出功率100mW ,工作頻率= 30MHz,效率50%,負載=50。確定放大器的工作狀態(tài)為了獲得較高的效率和最大的輸出功率，選取丙類放大器的工作狀態(tài)為臨界狀態(tài)，諧振回路的最佳負載電阻為650集電極基波電流振幅為17.54mA集電極的電流脈沖的最大值44.86 mA 直流分量為9.78 mA直流功率117.36mW功率放大器的總效率為85%計算諧振回路及耦合回路的參數(shù)輸出變壓器線圈匝數(shù)比為 （取N3 = 2,N2 = 6）集電極并聯(lián)諧振回路C=15pF，回路電感為2 H，得出N4

10、= 8，取QL= 2，N1 = N4- N2 =8 6 =2，基極偏置電路當加入后，,取10，則-0.1V,由于，則0.6V, 1.4V取Ce=0.01F, ZL1 =47÷5 = 10F, C4 =0.01F, C5=0.01F, L1L取6個值，RL1=30 RL2 =47 RL3 =51 RL4 =56 RL5 =62 RL6=75，回路電容C=C2 +C3 =15 pF, 則C3 = 5.6pF, C2 = 10 pF（3）壓控振蕩器（VCO）壓控振蕩器曲線圖壓控振蕩器是在振蕩電路中采用壓控元件作為頻率控制器件，壓控元件采用變?nèi)荻O管，它的電容量受到輸入電壓的控制。變化時，即

11、引起振蕩管頻率的變化。壓控振蕩器是一種是一種電壓頻率變換器，它的特性可以用瞬時振蕩頻率與控制電壓之間的曲線來表示，如圖所示，圖上的中心點頻率是在沒有外加控制電壓的固有振蕩頻率，在一定范圍內(nèi)，與之間是線性關系，在線性范圍內(nèi)，這一線性曲線可用下列方程表示： 式中，KV是特性曲線的斜率，也是VCO的增益或靈敏度，它表示單位控制電壓所引起的振角頻率變化的大小。在鎖相環(huán)電路中，VCO的輸出對鑒相器起作用的是它的瞬時相位。這個瞬時相位可由下式表示 壓控蕩器相當于一個積分器，也可稱為環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)。（4）自動增益控制電路當輸入信號電壓變化很大時，保持接收機輸出電壓幾乎不變。具體地說，當輸入信號很弱時，

12、接收的增益大，自動增益電路不起作用，而當輸入信號很強時，接收的增益控制電路進行控制，使增益減小。這樣當信號場強變化時，輸出端的電壓或功率幾乎不變。CR壓控振蕩器直流放大器檢波（5）鎖相頻率合成電路鎖相頻率合成單元是提高輸出頻率穩(wěn)定性的關鍵部分。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MC145151。該芯片是一塊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)的設計要求。輸出單片機并行14位代碼晶體振蕩器參考分頻器壓控振蕩器低通濾波器可編程分頻器鑒相器來自單片機據(jù)題目

13、要求和方案設計，參考頻率fr 設為80KHz，最小最大分頻比按輸出頻率f0在14MHz38MHz這個范圍來確定，可采用直接分頻方式，環(huán)路的可編程分頻器的分頻比N由下式計算得：N= f0 / fr計算得最小分頻比Nmin = 175 ,最大分頻比Nmax = 475在鎖相環(huán)路中，環(huán)路濾波器的設計是十分重要的。本系統(tǒng)采用無源比例積分濾波器，其結構簡單，性能穩(wěn)定，調試方便。各個參數(shù)的計算如下：平均分頻比 N = ( Nmin+Nmax ) / 2=325鑒相器靈敏度 K d = VCC/4（VCC = 5 V）壓控靈敏度 KVCO=2f0 /V C環(huán)路自然諧振角頻率 環(huán)路阻尼系數(shù)取= 0.707,C

14、1 = 0.1uF，根據(jù)上兩式得R1 = 3K，R2 = 1.5K為了使環(huán)路工作在最佳工作狀態(tài)，在電路調試時根據(jù)需要對R1、R2、和C1值作適當?shù)恼{整。（6）穩(wěn)定輸出實現(xiàn)方案為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度，采用高穩(wěn)定度直流穩(wěn)壓電源減小電源電壓的變化，并在負載和振蕩器之間加了一級射極跟隨器作為緩沖可減小負載的變化。A、提高諧振回路的標準性采用參數(shù)穩(wěn)定的回路電感器和電容器，采用溫度補償法，在諧振回路中選用合適的具有不同溫度系數(shù)的電感和電容，從而使因溫度變化引起的電感和電容值的變化互相抵消，使回路諧振頻率的變化減小。B、增加回路總電容量，減小晶體管與諧振回路之間的耦合，均能有效減小晶體管極間電容在總電容中的比

15、重，也有效地減小管子和輸出電阻及它們的變化量，對諧振回路的影響。（7）電源電路的設計由于整個系統(tǒng)既包括模擬電路又包括數(shù)字電路，為了減少相互干擾，本系統(tǒng)采用-24V、+30V、+5V三種電壓，分別對各部分供電，電路圖如下（6）單片機部分本系統(tǒng)主要電路在于LC振蕩電路，單片機電路主要起一個測量、顯示的輔助作用。因此，單片機的主要功能分為：鍵盤、顯示、頻率測量、電壓Vp-p的測量、為變?nèi)荻O管提供電壓以改變震蕩頻率等。為了方便起見我們運用了兩片89c51芯片完成這些功能。一片89c51完成鍵盤、顯示以及頻率的測量。在系統(tǒng)能正常工作的前提下，為了節(jié)約I/O口，我們采用了鍵盤掃描與動態(tài)顯示相結合的方法。

16、電路如下圖 測量頻率的基本方法就是在一定的時間內(nèi)，控制計數(shù)與門啟閉，用計數(shù)器對檢測信號脈沖進行計數(shù)，再把計數(shù)值根據(jù)啟閉與門的定時時間轉換成頻率測量并顯示，考慮到被測的頻率過高，單片機無法測量，我們先將頻率進行了100分頻，采集分頻后的信號進行測量并顯示。另一片單片機完成了測量電壓峰峰值和提供變?nèi)荻O管電壓的功能。測量電壓峰峰值我們采用了A/D轉換電路，使用的芯片為ADC0804，為變?nèi)荻O管提供電壓我們采用了D/A轉換電路，使用的芯片為DAC0832。電路圖如下四、測試方法及數(shù)據(jù)1、測試所用儀器信號發(fā)生器 雙蹤示波器 毫伏表 數(shù)字萬用表 微伏表2、測試方法及數(shù)據(jù)AGC電路的測試，對AGC電路單

17、獨進行測試（斷開前級），AGC輸入端輸入040V峰峰可變電壓，用示波器觀察AGC輸出波形點，調節(jié)輸入信號幅度的線性關系，當輸入超過20V峰峰值時，輸出幅度增長變慢，最后幅度基本穩(wěn)定在一個電平上，而整個過程，波形沒有出現(xiàn)明顯的失真。 輸出范圍測試： 輸出穩(wěn)定度測試： 3聯(lián)機測試：五、測試結果及分析整個振蕩器測試指標均達到題目要求。測量時，因未采取有效的屏蔽措施，受到競賽場地，實際電磁環(huán)境等條件的限制，各項參測試會因外界的影響而產(chǎn)生誤差。說明幾點本振蕩器的進步地方。六、結論我們設計的系統(tǒng)不僅完成了題目的基本功能，基本指標，而且有很大的發(fā)揮，現(xiàn)將題目要求指標及系統(tǒng)實際性能列表如下：基本要求發(fā)揮部分實際性能振蕩器輸出為正弦波，波形