辽宁工业大学电压控制LC振荡器

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电子综合设计与制作电子综合设计与制作 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：电压控制电压控制LCLC振荡器振荡器 院（系）：院（系）： 电子与信息工程学院电子与信息工程学院专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间： 本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息教研室注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号学生姓名专业班级课程设计题目电压控制LC振荡器设计（论文）任务和要求任务和要求：设计并

2、制作一个电压控制 LC 振荡器。（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=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。进度计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握设计任务及要求。（1 天）2、方案对比，确定设计方案。（2 天）3、各单元电路及总体电路设计。（4 天）4、软件流程图及程序设计。（3 天）5、对系统进行仿真，参数计算与选择，分析系统性能。（3 天）6、撰写、打印设计说明书（2 天）指导

3、教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 学生签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）II摘 要在 LC 振荡器的 LC 回路中，使用电压控制电容器（变容器），就可以在一定频率范围内构成电调谐振荡器。即电压控制 LC 振荡器。压控振荡器可广泛使用于频率调制器，锁相环路，以及无线电发射机和接收机中。 在压控振荡器中实际电路中，振荡频率除了随变容管两端的控制电压的变化，还受其两端振荡电压的影响, 这使得振荡频率在一定程度上也随振荡幅度而变化, 因此在实际的应用中很难使用变容二极管得到较高较准的振荡电压。 为了解决这个问题，采用西勒振荡器作为振荡器的主题部分，解决了基本三点

4、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。关键词：LC 振荡器；放大电路；西勒振荡器；功率放大器本科生课程设计（论文）III目 录第 1 章 绪论 .11.1 电压控制 LC 振荡器设计意义 .11.2 功能要求 .11.3 方案论证 .11.4 总体框图设计 .2第 2 章 个单元电路设计 .32.1 西勒振荡器 .32.2 变容二极管设计 .32.3 电压控制 LC 振荡电路设计 .42.4 功率放大电路设计

5、.5第 3 章 整体电路设计 .73.1 电压控制 LC 振荡器整体电路设计 .73.2 整体电路概述 .83.3 部分电路仿真 .8第 4 章 课程设计总结 .9参考文献 .10附录 .11本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 电压控制 LC 振荡器设计意义随着人们生活水平的随着人们生活水平的不断提高和电子科技的飞速发展，特别是近年来物质生活水平的提高，人们相互之间交往所利用的通信手段也越来越多，人们不断追求生活方式的多样化和个性化；电子科学的发展尤其是无线通信的快速发展给人们工作和生活注入了新的色彩；人们可以随心所欲地享受着无线通信工具所带来的乐趣。在通信技术、测量技术、计算机技

6、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，为电光转换电路、移动式手持设备等提供了很好的解决方案。1.2 功能要求（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=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。1.3 方案论证方案一：为提高输出波形的稳定性和精确度，采用 MAX038 集成电路做成压控振荡电路，对电阻电感电容的值作

7、适当调整，可以输出 1M-37MHZ 不等的频率。 方案二：采用了改进型电容三点式西勒振荡器电路作为本设计的主要组成部分,通过调节压控变容二极管两端电压来改变振荡器的输出频率，采用了变容二极管来实现电压控制的功能。本科生课程设计（论文）2以上两种方案军都能够满足题目所要求的输出频率范围，但是方案一中要得到 37MHZ 的频率需要大约 15PF 的电容，而一般这样容值较小的电容在高频范围内工作时的稳定性很差，不能够满足题目要求的 10-3 数量级的稳定度。而方案二主要通过振荡器电路产生一定的振荡频率，选用西勒振荡器达到输出为不失真的正弦波，其稳定度优于 10-3。电路通过输入电压控制振荡频率，通

8、过改变输入电压来控制变容二极管两端的电压，使频率随着电压的变化而变化。振荡电路输出的电压经过耦合电容连接到放大电路中，放大后的电压使其输出值控制在 1V左右，从而达到本设计的设计指标。所以选择方案二。1.4 总体框图设计本设计主要通过振荡器电路产生一定的振荡频率，选用西勒振荡器达到输出为不失真的正弦波，其稳定度优于 10-3。电路通过输入电压控制振荡频率，通过改变输入电压来控制变容二极管两端的电压，使频率随着电压的变化而变化。振荡电路输出的电压经过耦合电容连接到放大电路中，放大后的电压使其输出值控制在 1V 左右，从而达到本设计的设计指标。变容二极管振荡电路耦合电容放大电路输出图 1.1 总体

9、框图设计输入本科生课程设计（论文）3第 2 章 个单元电路设计2.1 西勒振荡器西勒振荡电路，克服了克拉波振荡器的缺点在电感上并接一个可调电容调节振荡频率，电路较易起振，振荡频率也较为稳定，当参数设计得当时，覆盖范围可达 1.41.6，因此只需 23 段即可覆盖设计要求的 1535MHz 的频率范围。故采纳方案二的设计。如下图所示，即为西勒振荡电路。2.2 变容二极管设计变容二极管是利用 PN 结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成的。反偏电压增大时结电容减小，反之结电容增大。它在本设计中起到了使电路自动调谐、调频和调相的作用，在谐振回路中也可作为可变电容使 用。本设计中 VCO 压控振

10、荡器产生的振荡频率范围与变容二极管的压容特性有关。下图为变容二极管的电容特性测试电路图。从图中可见，变容二极管的反偏电压由最小到最大的变化即 VminVmax；对应的输出频率变化范围是 FminC4C2C1C2LReRb2CbVRb1RcV CC图 2.1 西勒振荡电路本科生课程设计（论文）4Fmax.在预先给定 L 的情况下，对变容二极管加不同的电压，测得对应的谐振频率，从而可计算出 Cd 的值。减小谐振回路电感的电感量，调节电容的容量，不需要并联或者改变变容二极管，即可很容易地实现频率扩展。在实验中利用该方法用单管电感，调节电容使 VCO 输出频率达到设计要求。2.3 电压控制 LC 振荡

11、电路设计在本设计中 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10-5 10-4 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。电路原理电路图如下图所示。R250kV CCRR1100kC53.3pFC61000pFC43.3pF二二二二二L110uHC71000pF二二二二二二二二图 2.2 变容二极管C10.68uFR115KR25.1KQ 1R32KC20.68uFC40.033uFC31000pFC547pFL21mHL110mHR?RES4C60.65uFR42KR550KV CC +

12、12DOUT图 2.3 电压控制 LC 振荡电路本科生课程设计（论文）5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。电路原理说明：该压控振荡器由西勒振荡器组成，其中由 R1、R2、R3 及晶体三极管 Q1 等组成振荡电路，由 C3、C4、C5、Rp1、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。通过调节可变电阻 Rp1 来改变电压的大小，从而改变变容二极管两

13、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 C6 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，工作在放大状态。2.4 功率放大电路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。电路图如下图所示。C7104uFC810uFC6104pFC12100pFC1

14、0104pFC1110uFC13102pFC1520pFC14104pFR72KR?RES2R610KR810KR102KR1150KR1250KL6100mHL310mHL5L4T1TRANS3CpVCC -12VCC +12Q29018Q33DA5109二二 二二L710mH图 2.4 功率放大电路本科生课程设计（论文）6设计中电路采用两级放大实现，利用三极管 9018 将压控振荡器输出的电压进行放大，前一级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 1V0.1V。后一级电路可以进一步提高放大器的工作效率。后级的三极管 3DA5109 工作在丙类状态，可以提高功率放

15、大器的功率。T1 为中介耦合变压器，能把 Q1 的功率完全的传输到工作在丙类的 Q2 上。为了防止失真过大，输出端采用并联谐振电路。当负载为容性时，采用串联谐振回路。这样可以使输出功率和效率都到达最大值。在该电路中，可以保持输出电压稳定在1V0.1V。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，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

16、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。本科生课程设计（论文）7第 3 章 整体电路设计3.1 电压控制 LC 振荡器整体电路设计C10.68uFR115KR25.1KQ1R32KC20.68uFC40.033uFC31000pFC547pFL21mHL110mHR?RES4C60.65uFR42KR

17、550KVCC +12DC7104uFC810uFC6104pFC12100pFC10104pFC1110uFC13102pFC1520pFC14104pFR72KR?RES2R610KR810KR102KR1150KR1250KL6100mHL310mHL5L4T1TRANS3CpVCC -12VCC +12Q29018Q33DA5109L710mH图 3.1 整体电路本科生课程设计（论文）83.2 整体电路概述设计电压控制 LC 振荡器中压控电路包括了振荡器和放大器。在压控振荡器中主要是调整 LC 回路中的电感值以使得输出频率的范围来满足设计要求。宽带放大器的调试比较困难，首先是调整两极放

18、大器的晶体管的静态工作点，由于简化电源设计，放大器的电源采用5V ，比较容易出现饱和和截止失真，因而调整较为困难。我们主要是从示波器上观察失真，以便从最低频率到最高频率以不出现明显的波形失真为标准。随后的调试是调整末级放大器的旁路电容，以使得在整个频段中输出电压大致为 1V 。3.3 部分电路仿真用示波器测试电路观察产生的波形是否符合设计的要求。通过调节示波器，使得波形的产生更加符合设计标准。在测量波形的时候，要注意的是波形的产生，若测得波形的图像不符合我们所要的标准，可通过调节示波器或者调节电阻电容值来改变波形输出的大小及波形的变化范围。如图所示是本设计的仿真波形图，输出为无失真正弦波波形。

19、图 3.2 波形仿真本科生课程设计（论文）9第 4 章 课程设计总结本课设的题目要求是设计一种电压控制 LC 振荡器。振荡器输出为正弦波，波形无明显失真，输出频率范围为 15MHz35MHz，输出频率稳定度优于 10-3，输出电压峰-峰值 Vp-p=1V0.1V，实时测量并显示振荡器输出电压峰-峰值，精度优于 10，可实现输出频率步进，步进间隔为 1MHz100kHz。该论文设计的电路包括了振荡器和放大器。在压控振荡器中主要是调整 LC回路中的电感值以使得输出频率的范围来满足设计要求。宽带放大器的调试比较困难，首先是调整两极放大器的晶体管的静态工作点，从示波器上观察失真，以便从最低频率到最高频率以不出现明显的波形失真为标准。随后的调试是调整末级放大器的旁路电容，以使得在整