电压控制LC振荡器报告

1、武汉理工大学学科基础课群综合训练与设计课程设计说明书目 录摘 要IAbstractII1. 系统设计11.1设计要求11.2设计思路11.3方案比较与论证11.3.1振荡电路方案选择11.3.2 控制电路设计方案21.4 系统整体设计32 单元电路设计42.1 压控振荡器的设计42.1.1 振荡电路原理42.1.2 西勒振荡器电路52.1.3 电压控制LC振荡电路52.2功率放大器设计72.3 峰-峰值检测显示电路的设计82.4单片机控制模块设计93.软件设计114总体电路图145 仿真结果155.1 VCO振荡电路仿真结果155.2 峰峰值检测电路仿真结果155.3 频率步进波形仿真165.

2、4 功率放大仿真结果175.5 峰峰值显示176 心得体会18参考文献19附录一20摘 要本设计描述了电压控制LC振荡器的设计思路，实现的方法及测试方法和测试结果。本设计采用西勒振荡器作为振荡器的主体部分，解决了基本三点式振荡设计改变振荡频率必改变反馈系数的矛盾，通过改变变容二极管两端的电压来调节振荡器输出频率实现输出在15MHz-35MHz范围内可变，通过VCO改变频率实现频率合成并稳定频率，通过功率放大器使电路输出电压控制在1V。设计以单片机为控制核心，实现频率和电压值的实时测量及显示并控制频率步进。本电路在调频部分为提高输出频率精度，采用单片机控制主振器参数，根据产生不同的频率范围控制不

3、同的主振器参数而达到提高精度和稳定度的目的。关键词: VCO 单片机 变容二极管IAbstractThis design describes the voltage control oscillator design idea of LC, the realization method and the test method and test results. This design uses the Seiler oscillator as the main part of the oscillator, the basic three point type oscillating desi

4、gn changes the oscillation frequency will change the contradiction of feedback coefficient, voltage by changing the variable capacitance diode ends to adjust the output frequency oscillator output in the range of 15MHz-35MHz variable, through VCO realize the frequency synthesis and frequency stabili

5、ty, control in 1V through the power amplifier circuit to make the output voltage. The design of single-chip microcomputer as the control core, real-time measurement and display to realize the frequency and voltage value and frequency step. The circuit in the FM part in order to improve the precision

6、 of output frequency, using single-chip control of the main isolator parameters, according to the different frequency control master oscillator with different parameters and to improve the accuracy and the stability of.Key words: VCO MCU DIODE II1. 系统设计1.1设计要求（1）任务 :设计并制作一个电压控制LC振荡器。 （2）要求: 1 振荡器输出为

7、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。 4 输出电压峰-峰值：Vp-p=1V±0.1V。 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1MHz±100kHz。 1.2设计思路根据系统的设计要求，拟采用基于单片机控制的系统结构。本系统可分为三大部分：电压控制LC振荡源电路、锁相环稳频步进电路和单片机控制的测控和显示电路。首先VCO振荡器采用分立元件构成的电容三点式西勒振荡电路，控制部分采用单片机来完成，结合AD测量出电压的峰峰值，DA来提供对VCO的控制电压并利用液晶显示模

8、块显示输出电压峰-峰值，另利用键盘模块来完成对频率的步增步减功能。1.3方案比较与论证1.3.1振荡电路方案选择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：采用分离元件构成压控振荡器电路，主要由变容二极管MV209构成西勒振荡电路。其结构简单，但由于使用分立元件组成，电感量及其它阻容元件的参数计算复杂，调试较困难。方案二：采用集成的压控振荡器电路，如图1.2所示，选用压控振荡器芯片MC1648，其工作电压5V，工作频率可从1.0MHz150MHz，

9、需要外接一个并行的LC槽路，另外，MC1648内部有放大电路和自动增益控制，可以实现输出频率稳幅，射极跟随器有隔离作用，可减小负载对振荡器工作状态的影响。图1.2 方案二压控振电路综上所述,虽然采用压控振荡器芯片调试简单,但是这次课程设计是基于multisim仿真软件的仿真设计，multisim中没有MC1648这个芯片，因此选择方案一。1.3.2 控制电路设计方案系统的控制电路完成输出频率控制，显示控制，键盘控制等。方案一：采用单片机控制，灵活方便，能较大限度的开发其资源，价格低廉，软件编程简单。方案二：采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心。由于FPGA具有强大的资源，使用

10、方便灵活，易于进行功能扩展，特别是结合EDA（电子设计自动化），可以达到很高的效率。综上所述，虽然FPGA控制灵活方便，但我们对单片机知识掌握的更充分，因此选择方案一。1.4 系统整体设计综合以上选定的方案，得到系统总体框图如图1.4所示。图1.4 系统方框图2 单元电路设计2.1 压控振荡器的设计2.1.1 振荡电路原理采用LC谐振回路作为相移网络的反馈振荡器统称为LC正弦波振荡器. 目前应用最广的是三点式振荡和电路和差分对管振荡电路，后一种电路主要应用在集成电路中，此处只对三点式振荡电路进行讨论分析.忽略回路中元件的阻抗，LC 三点式振荡器的原理性电路如图2-1中图1所示，为纯电抗X1、X

11、2和X3 . 考虑负载电阻接发射极和集电极之间，LC 振荡电路的等效模型如图2-1中图2 所示. 由图知，要想产生振荡，需满足以下条件。（1）相位平衡条件：X1+X2+X3=0，同时X1、X2必须为同性质的电抗，即同为电感元件（例如哈特莱振荡器），或者同为电容元件（例如考毕兹振荡器）， X3为另一性质电抗。（2）起振条件：其精确表达式为， 式（2-1）式中. 对于电感三点式振荡器，式2-1可以写成： 式（2-2）对于电容三点式振荡器，式2-1可以写成： 式（2-3）图2-1 振荡电路原理图2.1.2 西勒振荡器电路图2-2西勒振荡电路如上图2-2所示是西勒振荡器的原理图电路图。C4电容调整振荡

12、器的频率，而C3用固定电容，在一般情况下，C1和C2电容都远大于C3，其振荡频率近似为： 式（2-4） 式2-4是振荡频率计算式。调节C4电容改变振荡器频率，由于C3电容不变，所以谐振回路反映到晶体管输出端的等效负载变换很缓慢，故调节C4对放大器增益的影响不大，从而保证振荡幅度的稳定。2.1.3 电压控制LC振荡电路在本设计中LC振荡器电路采用了改进型电容三点式振荡器中的经典的西勒振荡电路，减弱了晶体管与振荡电路中谐振回路的耦合，使其频率稳定度可达到 数量级。该电路频率稳定性高，输出幅度均匀，调谐范围也比较宽。电路原理电路图如图2-2所示。压控振荡器的作用是产生频率控制电压变化的振荡电压。其特

13、性可用调频特性即瞬时振荡角频率相对于输入控制电压的关系来表示，在一定范围内瞬时振荡角频率和输入控制电压是成线性关系的。因此可得出瞬时振荡角频率是压控振荡器的中心频率和压控电压为零时的振荡频率和压控灵敏度积的总和。图2-2 压控LC振荡器电路原理图电路原理说明：该压控振荡器由西勒振荡器组成，其中由R6、R7、R9及晶体三极管Q2等组成振荡电路，由C8、C9、C10、L2及变容二极管等元器件组成振荡器的选频网络，完成频率选择。通过改变变容二极管两端的电压，使输出频率发生改变，达到设计目标中电压控制LC振荡器的指标。耦合电容C11隔离前后极电路，使晶体三极管的静态工作点不受后极电路的影响，工作在放大

14、状态。VCO产生的振荡频率范围和变容二极管的压容特性有关。图2.3为变容二极管MV209的测试图。可利用图中(a)所示的测量电路来测变容二极管的压容特性。(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VdminVdmax变化，对应的输出频率范围是fminfmax。在预先给定L的情况下，给变容二极管加不同的电压，测得对应的谐振频率，从而可以计算出Cd的值。减小谐振回路的电感感抗，改变电容容量，不需要并联二极管即可很容易地实现频率扩展。在本设计中通过该方法使输出频率的范围扩展到1535MHz。 (a)电容特性测量电路 （b）变容二极管压容特性及压控振荡器的压控性图

15、2-3 变容二极管特性测试图变容二极管电容值与电压的关系可表达为: 式（2-5）其中，是零电压偏置下的结电容值，是反偏电压，是PN结的内建电势，m值与PN结的结构和杂质分布有关。2.2功率放大器设计本设计采用高频功率放大器，在其设计中首先要考虑的是晶体三极管的选择。通常在选择过程中晶体管的极限参数将是选择的主要依据。这些参数包括：集电极最大允许电流，反向击穿电压，二次击穿，集电极最大允许损耗功率，晶体管的安全工作区等等。根据本设计的工作频率和输出电压的要求，本设计选用共发射极电路作为放大电路，设计中晶体三极管工作在放大状态。电路图如图2.6所示。图2-6 功率放大电路的设计设计中电路采用甲类放

16、大实现，利用三极管2N5551将压控振荡器输出的电压进行放大，电路工作在甲类状态，在频率改变的情况下，电压负反馈使输出电压稳定在1V±0.1V。为了稳定静态工作点，设计中射极放大电路采用分压式偏置电路，如图2-7所示。图2-7 分压式射极偏置电路分压式射极偏置电路是常用的一偏置稳压电路，图中Rb1为上偏置电阻，Rb2为下偏置电阻，Rc为集电极电阻，Re为发射极电阻，Ce为电路的射极旁路电容，在电路中起到了使电路的交流信号放大能力不因Re的存在而降低，使电路的放大倍数不受影响的作用。电路中Rb1、Rb2为基极偏置电阻为三极管建立了合适的基极电压；Rc电阻起到了使放大电路的电流信号转换为

17、以电压形式输出信号的作用。放大电路中放大的本质是实现能量的控制和转换，即能量的转换：把输入的微弱信号放大到所需要的幅度值且与原输入信号变化规律一致的信号，对信号进行不失真放大。信号由三极管的基极输入，由三极管的集电极输出，基极与发射极之间形成了回路，构成了反馈。2.3 峰-峰值检测显示电路的设计该电路由二极管和电容构成。其原理图如2-8所示。输入电压加到该电路中，正半周时二极管导通，对电容充电，对应一个电压值；负半周时二极管截止，电容放电。在电路中需要选取适用于高频的快速回复二极管，在multisim中，这种类型的二极管并不多见，经过对大量资料的查询，最终选定RGP10M作为检波二极管进行峰峰

18、值检测。图2-8 峰-峰值测量原理峰值检测电路图如图2-9所示：图2-9 峰值检测电路2.4单片机控制模块设计本系统采用单片机AT89C52，包括键盘模块、显示模块、AD模块等。负责键盘处理、控制D/A转换模块，以达到实现频率步进的目的，以及对峰峰值检测电路的A/D输入的数据进行处理。键盘模块是用于控制系统工作的，设计两个个按键，一个频率上调键，接单片机的P3.1口，一个频率下调键，接单片机的P3.2口。显示模块用1602LCD液晶显示屏，显示所测的电压峰峰值。单片机IO口资源分配如图2-10所示： 图2-10单片机资源分配单片机模块仿真电路图如图2-11所示：图2-11 单片机模块仿真电路3

19、.软件设计本设计软件分为电压测量显示，步进控制两部分。其中，主程序流程图如图3-1所示：当程序开始执行时，首先对系统进行初始化，然后对AD采回来的数据进行显示。若此时出现外部中断，则进入中断处理程序，执行完后继续执行显示程序。图3-1 主程序流程图 幅值测量程序流程图如图3-2所示：初始化后，首先判断AD转换是否结束，若结束则读取8位AD的值，将其存储之后显示到LCD上。图3-2 子程序流程图频率步进程序流程图如图3-3所示：频率步进程序流程是：判断是否有键按下，若为递增键，则进入外部中断一处理子程序中，对输出电压进行加操作，若为递减键，则进入外部中断二处理子程序中，对输出电压进行减操作。图3

20、-3 频率步进流程图按照以上三幅流程图对程序进行编写，即可达到对电路峰峰值进行显示，对振荡器输出频率进行步进控制的目的。4总体电路图综上所诉可连接出整体电路图，如图4-1所示：图4-1 总体电路图整体电路由LC振荡器模块，功率放大器模块，峰峰值检测模块和单片机控制模块组成。为节省空间，我利用的multisim软件的子电路功能，将模块电路绘制在子电路中，总体电路图中只进行必要的外部连接。也使整个电路界面显得简洁，方便阅读。5 仿真结果5.1 VCO振荡电路仿真结果所产生的仿真波形如图5-1所示：图5-1 VCO振荡波形由上图可知，振荡器可以输出不失真的正弦波。其频率如图5-2所示：图5-2 振荡

21、器输出频率5.2 峰峰值检测电路仿真结果正弦波信号经过设计的峰值转换电路，输入输出信号波形如图5-3所示： 图5-3 峰峰值检测电路仿真波形可见，经转换后，电压不断变化的正弦波变成了与其幅值相等的稳定的直流信号，这样通过AD采样后，即可求得信号的峰峰值。5.3 频率步进波形仿真通过按键，对频率进行递增或递减，观察递进频率值。初始时，输出波形如图5-4所示：图5-4 初始时输出波形可发现，波形周期约为67ns，即14.92MHz，按递增键，得输出波形如图5-5所示： 图5-5 按下递增键后的输出波形观察得，输出波形的周期变为63.43ns，即15.8MHz，步进0.8MHz，与设计要求有一定的误

22、差。5.4 功率放大仿真结果震荡器输出波形经功率放大电路放大后，峰峰值能达到1V左右，符合要求。其仿真结果如图5-6所示：图5-6 功率放大仿真5.5 峰峰值显示电压测量为109mV，如图5-7所示：图5-7 峰峰值LCD显示6 心得体会本次课程设计至此已经接近尾声，设计的时间虽然不是很长，但在整个设计过程中收获颇丰。通过这次课设让我明白了理论和实际操作之间差距，而且也让我很明确得意识到自己在知识上上有很多的漏洞，以后应该多钻研一下。 通过这次课设，我也深刻体会到了自己知识的匮乏。意识到自己所学的知识的肤浅，只是一个表面性的，理论性的，根本不能够解决在现实中还存在的很多问题。因此，学习中应多与

23、实际应用相联系。因为此次课设大多涉及到的是高频里面的内容，以前在模电中所学的知识在此次课设中会出现偏差，许多问题都无法用低频的思维来解决。所以，此次学科基础课群课设对于我的锻炼是非常大的，除了对高频有了更加深入的了解之外，还学会了对所学知识的融会贯通，并不是生搬硬套书本上的知识或者网络上的电路。许多事情是需要自己一一试验过之后才知道今后该如何解决这一类的问题。虽说，这次课设做的比以前都要艰难，但是，当我看到自己所做出的成果的时候，心中的开心感是以前从来没有过的。参考文献1高吉祥，黄智伟，陈和.高频电子线路M. 北京：电子工业出版社，2003年第一版2黄智伟.无线数字收发电路设计M. 北京：电子

24、工业出版社，2003年，第1版3邹其洪 黄智伟 高嵩.电工电子实验与计算机仿真M.北京：电子工业出版社，2003年，第1版4吴运昌.模拟集成电路原理与应用M.广州：华南理工大学出版社，2001年第一版5全国大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M.北京：北京理工大学出版社.2003年1月第一版6甘历.VHDL应用与开发实践M北京：科技出版社.2003年 第一版7赵俊超.集成电路设计VHDL教程M.北京：北京希望电子出版社，2002年第一版8童诗白.华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2001年第三版 附录一单片机控制程序如下所示：#include<

25、;reg52.h>#define uchar unsigned char#define IO_data P2uchar DA_output=0xdd;sbit lcdrs=P35;sbit lcdrw=P36;sbit lcden=P34;void delay(uchar ms) /毫秒延时uchar i,j;for(i=0;i<ms;i+)for(j=0;j<110;j+);void write_cmd(uchar _data)lcdrs=0;lcdrw=0;lcden=0;IO_data=_data;delay(1);lcden=1;delay(1);lcden=0;void write_data(uchar _data)lcdrs=1;lcdrw=0;lcden=0;IO_data=_data;delay(1);