LC振荡器的研究制作DOC

1、设计的相关资料的整理说明：说明： 设计的振荡器采用输出波形好， 频率稳定度高的具有波段切换功能的改进型电容三点式振荡 电路。 在每一个波段内， 频率的调节是通过改变压控振荡器的变容二极管的直流反压实现的。 采用锁相 环频率合成电路， 以进一步提高输出频率的稳定度。 为了提高输出功率和效率， 功率放大器设计在丙类 临界状态。单片机的任务是进行峰 - 峰值显示和频率显示。LC 振荡器制作方案： 方案一、采用互感耦合振荡器形式。 调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较稳定。 调发 电路只能解决起始振荡条件和振荡频率的问题， 不能决定振幅的大小。 调集电路在高频输出方面比其它 两种电路稳定，幅度

2、较大谐波成分较小。互感耦合振荡器在调整反馈（改变耦合系数）时，基本上不影 响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器，而且灵活性较差。方案二、采用电感三点式振荡。由于两个电感之间有互感存在，所以很容易起振。另外，改变谐振 回路的电容， 可方便地调节振荡频率， 由于反馈信号取自电感两端压降， 而电感对高次谐波呈现高阻抗， 故不能抑制高次谐波的反馈，因此振荡器输出信号中的高次谐波成分较大，信号波形较差。方案三、采用电容三点式振荡器。电容三点式振电路的基极和发射极之间接有电容 ，反馈信号取 自电容两端， 它对谐波的阻抗很小， 谐波电压小， 因而使集电路电流中的谐波分量和

3、回路的谐波电压都 较小。反馈信号取自电容两端， 由于电容对高次谐波呈现较小的容抗， 因而反馈信号中高次谐波分量小， 故振荡输出波形好。考虑到本设计中要求频带较宽，输出波形良好，拟选择方案三。2、调谐方案方案一、 手动调谐。 通过手动调节双联电容来改变输入回路的谐振和本振频率， 或调节精密电位器 产生一定的偏压从而改变变容二极管的结电容， 使谐振频率发生变化。 其优点是调谐简单， 可以根据实 际情况进行精细调节；缺点是难以实现一些智能功能，而且由于频率的稳定度取决于 LC 振荡，而 LC 振荡的频率稳定度较低，导致本振频率漂移严重，性能不够稳定。方案二、电压合成调谐。用 D/A 转换或数字电位器

4、产生一定的电压改变晶体管或变容二极管的结 电容，从而改变振荡频率。由于 D/A 转换器和数字电位器的位数一般较低，所以难以得到精细的控制 电压， 再加上变容二极管的非线性， 使得控制电压与谐振频率之间一般是非线性的关系， 从而使控制电 压的产生和载频的确定都很困难，并且稳定度不好。方案三、 锁相环频率合成方式。 该方案的显著优点是频率稳定度高， 与晶体管振荡器的稳定度相同， 可达 10-6 以上，当压控振荡器参数发生变化时，可自动跟踪捕捉，使频率重新稳定。如果采用小数分频 （如用相位累加脉冲吞除技术） ，可以在好的环路性能下实现微小的频率步进，获得高稳定度的频率信 号。权衡之后，我们采用了方案

5、三。3、测量显示电路 方案一、采用纯硬件电路来实现。无论是峰-峰值显示，还是频率显示，其电路都比较复杂，调试困难，而且电路功能的可修改性和可扩充性都比较差，不易满足题目中的要求。 方案二、软硬件结合来实现。对于峰 -峰值显示，可以直接用 A/D 转换器采样峰值检波电路输出的电压值，再经单片机计算处理 后进行显示。对于频率显示，通常采用两种方案： 利用压控制振荡器输出电压与频率的线性关系，做成数据表，并存入存储器中，再通过软件编 程进行查表并显示。 利用硬件电路对输出的正弦信号进行频率采样，再由单片机进行计数并显示。 方案二的特点：电路功能的可修改性和可扩充性都比较好，但软件设计工作量较大；综合

6、考虑各种因素，拟采用方案二，其中，频率显示拟采用单片机查表的方法。二、系统设计1、总体设计(1)系统框图第10页共9页2、各模块设计及计算(1)正弦波振荡电路的设计与计算lOi12C90.04TuFR1IKC5O.OluFJC2T电O二T C624OF-IC7240F3I>54EE3IE12VVI £0KlOK0.047uF为了提高输出波形的稳定性并展宽频率范围，我们实际采用的是改进型的电容三点式振荡电路-西勒振荡电路。我们选用小功率高频管3DG4E，其 2200兆赫，选hfe=50至100左右的管子。电路工作于临界状态时，集电极电流I co = 2.4mAVeo =0.2 E

7、c=0.2X 12=2.4V故可计算出射极电阻值r3 =丫巴I c02.4=1K Q2400我们取下偏置电阻& =4R3=9 X 1000=9KQ （实际 R5 为 9.1 K Q ）那么上偏电阻r4=耳4=3叫9." K .2.4 + 0.7取耦合电容0.047卩F,谐振时C =100pF,电感可按下列经验公式L-25!00 计算f0C得，哼竽0” H25100f02C集电极电路中扼流圈的电感值应远大于电感 取反馈系数F=1,贝U C6 = C7= (1+F) C =L之值，这里选用1毫亨的扼流圈。(1+1)X 100 = 200pF由于本题目要求振荡器的输出频率为15MH

8、z35MHz，并且频率变化范围要达到20MHz，如果用普通LC型压控振荡器(VCO )在满足相位噪声以及输出幅度平稳压控曲线非线性较小的情况下，覆盖只能做到10MHz的量级，难以再展宽，这是因为宽覆盖与低相位、噪声等要求均存在矛盾。为了解决这一矛盾，我们采用波段开关转换的办法，以实现频率覆盖20MHz的要求。变容二极管是一种频率变化范围较大的二极管，当变容二极管上反向偏压越大，结电容越小，反之亦然。由于结电容是随反向偏压变化的，因此它相当于可变电容器。 它的主要优点是能够获得较大的频移，线路简单，并且几乎不需要用调制功率。当谐振从最咼fmax变化到最低值fmin时，谐振回路频率覆盖系数K f

9、= 竺按上图中调谐回路覆fmin盖系数可写为KfJIC j max 厂 j min接题目要求,2兀LC j max2fmax=35MHz , fmin = 15MHz，所需要的变容二极管覆盖系数为KKf =5.4，超过要求值。我们选用的变容二极管覆盖系数为(2)功率放大器由于采用甲类、乙类、甲乙类放大器达不到题目的要求，在这里为了获得一定的不失真的输出功率,并工作在大信号状态下，我们采用丙类放大器。(如图电源电压Vcc = +12V,晶体管3DG12的主要参数为Pcm =700mW, I cm =300mA，管子的饱和压降Uces <0.6 V, P > 30, fT > 1

10、50MHz, Ap > 6dB ,主要技术指标：输出功率P0 > 100mW ,工作频率fo= 30MHz,效率n > 50%，负载RL =50 Q 。确定放大器的工作状态为了获得较高的效率和最大的输出功率,选取丙类放大器的工作状态为临界状态,Qc =60"，谐振回路的最佳负载电阻Rp为32x100x102P0(Vcc -Uces)2 _ (12-0.6)2650Q集电极基波电流振幅Ic1m为I c1 m2X100X10Rp Y 6502P0=17.54mAC3集电极的电流脉冲的最大值IcM1141HlI cM I c1mClkf 3DG.12 44.86 mALI

11、直流分量Ic0为I co = I cMa0(60 ) =17.540.39 =9.78 mA直流功率P=p= =Vcc 4 c0 =12X9.78 咒10° =117.36mW功率放大器的总效率为 n =邑=85%p=计算谐振回路及耦合回路的参数输出变压器线圈匝数比为 NRl = i50_N2 URp V6500.3 (取M = 2,N2 = 6)集电极并联谐振回路 C=15pF,回路电感为L = =(27if0)2C39.44(30咒106)2 15咒10上N4QlN3，得出 N4 = 8,取 Ql= 2 , N1 = N4- N2 =8 - 6 =2, 基极偏置电路当加入 Ubm

12、 后, Vbb = (Ie0 只e) - (Ic0 只e),取 Re = 1° Q ,则心一0.1V,由于COSc =U bz Vbb，则 Ubz =0.6V, Ubm =1.4VU bm取 Ce=0.01 卩 F, ZL 1 =47- 5 = 10 卩 F, C 4 =0.01 卩 F, C 5=0.01 卩 F, L i=0.48 卩 H.为了观察功率放大器的负 载特性，将 Rl取 6 个值，FL1=30Q R L2 =47 Q R l3 =51 Q FU =56 Q Fb =62Q R l6=75 Q，回路电容 C=G +C3 =15 pF,贝U C3 = 5.6pF, C 2

13、 = 10 pF（3）压控振荡器（VCO）压控振荡器是在振荡电路中采用压控元件作为频率控制器件,压控元件采用变容二极管， 它的电容量受到输入电压柑c（t）的控制。'c变化时，即引起振荡管频率«V的变化。压控振荡器是一种是一种电压一频率变换器,它的特性可以用瞬时振荡频率（aV与控制电压VC之间的曲线来表示，如图所示，图上的中心点频率O 0是在没有外加控制电压的固有振荡频率，在一定范围内,©V与U C之间是线性关系，在线性范围内,这一线性曲线可用下列方程表示:V (t)0 + KC(t)式中，K是特性曲线的斜率，也是 VCO的增益或灵敏度, 它表示单位控制电压所引起的振

14、角频率变化的大小。在锁相环电路中，VCC的输出对鉴相器起作用的是它的 瞬时相位。tt这个瞬时相位可由下式表示J©V(t)dt =e0t+ KV ec(t)dt00L/ ,y压控振荡器曲线图t£v(t) =Kv eC(t)dt0压控荡器相当于一个积分器，也可称为环路中的固有积分环节。（4）自动增益控制电路当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出电压几乎不变。 收的增益大，自动增益电路不起作用，而当输入信号很强时， 小。这样当信号场强变化时，输出端的电压或功率几乎不变。具体地说，当输入信号很弱时，接接收的增益控制电路进行控制，使增益减C(5) 锁相频率合成电路锁相频率合成单元是

15、提高输出频率稳定性的关键部分。目前市场上的频率合成器集成电路很多，我们选用摩托罗拉公司的 MC145151。该芯片是一块14位并行的码输入单模、单片锁相环频率合成器， 片内含有参考振荡器，参考分频器，鉴相器，可编程分频器等部件，最大可变分频比为16383,最高工作频率能够满足系统的设计要求。来自单片机VCC1-01070UFP2:PL UG)1234567890 13 xNNNNNNNNNNN N N NrOSC-INVCCt GNDOSC-Ou0 1 2DD V R F A A A1 2 3 4 5 1 1 1 9 04 5 2 312738149 8567:C11'10000PF2

16、26丁 C3CAPC2T%-一一 10.24MHzMC145151-1R3C11 ILJP0T21IIR1CAP/、vco控制电压RES2R2寸aRE S2C4TFpiCAPOV-+5VCC据题目要求和方案设计， 参考频率fr设为80KHZ，最小最大分频比按输出频率f0在14MHz38MHz这个范围来确定，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：N= f。/ fr计算得最小分频比 Nmin = 175 ,最大分频比 在锁相环路中，环路滤波器的设计是十分重要的。 稳定，调试方便。各个参数的计算如下： 平均分频比N = ( Nmin + Nmax ) / 2=325鉴相器灵敏

17、度 K d = V cc/4 n (Vcc = 5 V) 压控灵敏度KVCO=2 n A fo / Vc环路自然谐振角频率2ifrTo"环路阻尼系数匚=丄cn(R22N+Kd + KVcoNmax = 475本系统采用无源比例积分滤波器，其结构简单,K d K VCOV NCi(Ri +R2)性能取Z = 0.707,Ci = O.luF，根据上两式得 Ri = 3K Q , R2 = 1.5K Q为了使环路工作在最佳工作状态，在电 路调试时根据需要对Ri、R2、和Ci值作适当的调整。(6) 稳定输出实现方案并在负载和振荡器之间为了提高系统的稳定度，采用高稳定度直流稳压电源减小电源电

18、压的变化, 加了一级射极跟随器作为缓冲可减小负载的变化。A、提高谐振回路的标准性采用参数稳定的回路电感器和电容器，采用温度补偿法，在谐振回路中选用合适的具有不同温度系数的 电感和电容，从而使因温度变化引起的电感和电容值的变化互相抵消，使回路谐振频率的变化减小。B、增加回路总电容量，减小晶体管与谐振回路之间的耦合，均能有效减小晶体管极间电容在总电容中的比重，也有效地减小管子和输出电阻及它们的变化量，对谐振回路的影响。(7) 电源电路的设计为了减少相互干扰， 本系统采用-24V、+30V、+5V由于整个系统既包括模拟电路又包括数字电路, 三种电压，分另恻各部分供电，电路图如下LEI50Hi：220

19、7：RlinBGl 厂ClC2Ln 0. lun4 7EBG21C5ceL_m *4.|翳I占” =1011 C4 3311 n卩HR4 千EGE/h 审孕ceCZ1 -12BitSBUt-1加曲ESlaBG3 rceCIOLn CZ3 +50 In4.7KCIZ 33aJ-(6)单片机部分本系统主要电路在于LC振荡电路，单片机电路主要起一个测量、显示的辅助作用。因此，单片机的主要功能分为：键盘、显示、频率测量、电压Vp-p的测量、为变容二极管提供电压以改变震荡频率等。为了方便起见我们运用了两片89c51芯片完成这些功能。I/O 口，我们一片89C51完成键盘、显示以及频率的测量。在系统能正常工作的前提下，为了节约 采用了键盘扫描与动态显示相结合的方法。电路如下图VCCD3D1C1:3119EA/VPX1C218P0.0P0.1P0.2P 0.3P 0.4P0.5P0.6P0.739353332AaBbCcDdBteLTfRBTg7D613100X71-n10S/'5 r746nSV7AZkZ43二三LL_D5D4