基于电路的频率源设计实验论文

0541120201120121397陈生琼-24-频率源设计实验（论文）题目：基于电路基础的频率源设计实验学院：信息与电子学院专业：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：起止时间：学号姓名专业班级设计（论文）题目基于电路基础的频率源设计掌握基本三极管的各种参数意义，大致了解三极管，二极管的各种特性；掌握基本三点式振荡电路的振荡原理，可以按照给定的要求设计振荡电路；掌握选择三极管的方法，可以根据所给的参数要求正确选择三极管；掌握振荡电路特性的测量，评估方法。晶体三极管振荡电路设计要求：输出频率在10MHZ-30MHZ之间输出为正弦振荡波形，输出电压峰峰值Ｖ输出波形的频稳度要求在１０３目录第一章摘要 -3-第二章方案选择、确定及系统框图方案论证 -3-§2-1：指标分析 -3-§2-2：整体方案选择及确定 -3-§2-3：系统框图 -4-第三章电路图设计、计算及器件清单 -4-§3-1：各个部分的电路设计 -4-§3-2：整体电路设计 -8-§3-3：各部分参数，管子的选择 -9-第四章基于锁相环的简易高频信号发生器 -9-§4-1：芯片介绍 -9-§4-2：锁相环电路大致框图 -11-§4-3：硬件设计 -12-§4-4：软件设计 -13-第五章电路图焊接及数据分析 -21-§5-1：电路图焊接： -21-§5-2：调试： -21-§5-3：正弦波图形： -22-§5-4：UB-IC关系： -22-§5-5：UCE和VP-P的关系（单位：V，MHZ）： -22-§5-6：f—VP-P的关系： -23-致谢 -24-参考文献 -24-

第一章摘要在信息大爆炸的现代生活中，大量信息充斥着我们生活的方方面面，如何快速有效的发现及尽快的学习他们成了我们生活中必须要考虑的一部分。我们已经知道，信息在要在空间中传的够远，这取决于信号的能量，也就是信号的频率，而大部分的信号是没有这么大的频率的，这就需要我们将要传播的信号调制到一个频率高的基频正弦信号上面，从而使其传播过程中更易于辐射，传的更远。在接受过程中，需要将信号解调，从而得到我们需要的那个信号，这同样也离不开基频信号。现在，我们就要从电路的角度，自己设计一个频率源出来。第二章方案选择、确定及系统框图方案论证首先，我们需要列出实现系统功能所需要的系统框图，之后才能一步一步的根据实验框图来设计电路。§2-1：指标分析本设计方案实现的指标为：输出频率范围：60~300MHz输出电压幅度范围：>=2V供电电源：12V对于系统整体的频率分辨率，单边带相位噪声，非谐波杂散，本实验没有做过多的要求，§2-2：整体方案选择及确定首先，我采用的是模拟电路，而不是数字电路。原因有很多，一是模拟电路比较熟悉，数字电路现在还在学，而且还没怎么学明白；二是数字电路虽然变化的比较快，对电路的延时较少，但是缺点是谐波太多，出来的信号不纯；三是数字电路其实在电路设计上是比较麻烦的，首先，我们需要把模拟信号取样、量化变成数字信号，对数字信号操作完成后又需要通过D/A转换器变成模拟信号输出。其次，考虑过晶体振荡器，但是晶体振荡器的fg是一定的，也就是说，当晶体振荡器一旦选定之后，系统的fg也就确定了。而我想做的是一个频率可变的信号，所以晶体振荡器也就被我排除了。要做一个频率可变的信号源，我的打算是用变容二极管并联上一个电位器来控制谐振回路的§2-3：系统框图1、系统整体框图放放大网络正反馈网络选频网络放大网络稳压网络图中的稳压网络，大家可以看到，我画的是虚线，也就是说我并没有画到整体的框图里面，这是因为稳压网络其实是额外的，这是为了避免直流电源中夹杂的高频交流信号避免在整体电路里面影响最后的输出频率的。但是在题目给的条件中，就是一个不含任何杂波的直流源，所以这部分对电路的主体设计没有任何影响，所以就把这部分没考虑在主体框图里面。稳压网络：上面说了，是为了除去所给的直流电流里面的高频信号的影响所额外加的一个网络，也就是说它的作用就是保证流进整个电路的是一个完完全全的直流电，没有任何频率分量。放大网络、正反馈网络需放在一起讲。在电压刚加在电路两端的时候，三极管的电流由0突然增大，由于三极管是个非线性原件，所以这个过程中是有无数个正弦信号产生的，但是幅度很小，而通过放大器的放大作用，这很多个叠加的信号都进行了放大，而这里面有我们所需要的频率，接下来的步骤就是选出我们需要的频率。选频网络，一般都是并联谐振回路，这个谐振回路就是为了选出我们需要的网络而设计的，当f=12π最后的放大网络一般是共集组态，放大倍数几乎为1，但是他的输出阻抗非常大，它的目的就是为了提高电路整体带负载的能力。第三章电路图设计、计算及器件清单§3-1：各个部分的电路设计1、稳压网络稳压网络的主要目的就是去除直流电源里各种频率分量，所以稳压网络的设计如下图：稳压网络要滤掉直流电压中的高频，低频，中频分量，所以我们用了三个大小不一的电容来滤掉这些分量，分别是：1.5PF、15uF、0.1mF，这些在整体的电路中可以不予考虑，因为对整体电路设计没影响。2、放大网络、正反馈网络C2C1Re1Rc1Rb2RC2C1Re1Rc1Rb2RbwRb1当此网络与后面网络用电容耦合的时候，此网络的静态工作点不会影响后面的静态工作点，因此每个晶体管的工作点可独立计算，互不影响。对于此网络，静态工作点为：U由于此网络的设计频率最大为300MHZ，所以查询各种三极管的数据手册之后，决定使用的是高频三极管ss9016，此三极管的输出特性曲线是：且Ic最大为25mA，VCE最大是20V，根据这个关系，可以在上图中画出一条斜线，横截距是20V，纵截距是25mA，为了波形不失真，我们取这条直线在上图中VCE在2V~20VV根据数据手册ICmax=25mA，因此为了电阻比较好取，我们取ICQ1由于数据手册给的UBCmax=30V远远大于所给电压12V，所以B、C由数据手册上的IC虽然上图中的VCE=5V，但是对于IC和UBE的关系影响不大。从上图中看到，当RR不妨取Rb2=3kΩ，为了去掉直流信号中频率很低的交流电对电路的影响，我们需要在基级和地之间加一个大的隔置电容，如上图，在这里，加了一个0.22μF的大电容。由电容三点式振荡电路可知，C13、选频网络图示的振荡频率是f0=14、共集组态网络共集组态网络主要是为了增大电路整体的待负载能力而设计的，共集组态网络具有输入电阻小，输出电阻大的特点。前级的共集组态有两个功能。一是发射极上的电阻具有调节后级输出电压大小的功能，二是发射极上的电阻上的电压是前级晶体管的反馈电压，同时又影响自身的静态工作点大小，这里我们还是拿到整体中去考虑。§3-2：整体电路设计1、整体网络如上图，图中的计算已经大部分完成了。下面来说主要计算：在3-1中已经说明放大部分的各种参数的来历，下面，后级参数的来历。由振荡器的：B=C1C又由于C5远远大于C（C为总的电容），考虑到市面上有的电容的容值，我取了C5为221PF，C4为50PF。对于电感，是根据实验室里有的10uH的电感取得。§3-3：各部分参数，管子的选择1、参数计算对于后面两个管子的参数，主要考虑的是静态工作点的取值问题。如图所示，大概的取值和前面的管子的计算过程大致一样。2、管子选择三极管已经选好了，如上所示。对于电感的选择比较重要，应为我们要选择Q值好的，电路才容易起振，其他管子的选择只需要根据图中所示的参数来选择就好。第四章基于锁相环的简易高频信号发生器下面来说，我弄的最多的这个基于锁相环的简易高频信号发生器，所用芯片为摩托罗拉公司MC145162+MC1648;输出频率稳定的高频信号；步进值为12.5KHZ。§4-1：芯片介绍MC145162：MC145162可编程的双PLL(锁相环)频率合成器），最高频率可达到60MHz和85MHz。通过MCU的串行接口，我们可以非常方便地操作它的完全可编程的接收、发射、参考、辅助参考计数器。辅助参考计数器可以让我们为发射环和接收环选择一个额外的参考频率。参数范围工作电压范围：2.5到5.5V。工作温度范围：–40到+75℃功耗：3.0mA@2.5V最大工作频率：MC145162-60MHz@200mVp–p,VDD=2.5VMC145162-1-85MHz@250mVp–p,VDD=2.5V可选3线或者4线的串行接口。内置MCU时钟输出，值为参考晶体的频率÷3/÷4可选。可由MCU的MCUCLK脚控制省电模式。内置的参考晶体，支持外置的晶体可达16.0MHz。参考频率计数器的分频范围：16-4095辅助参考频率计数器的分频范围：16-16,383发射计数器的分频范围：16-65,535接收计数器的分频范围：16-65,535管脚定义输入端：OSCin/OSCout——参考晶体输入/输出引脚（第7、8脚）；MCUCLK——系统时钟脚（第5脚）；ADin,Din,CLK,ENB——辅助数据输入脚、数据输入脚、时钟脚、使能脚（第2、3、1、4脚）；TxPS/fTx,RxPS/fRx——发射省电模式、接收省电模式（第13、11脚）；fin-T/fin-R——发射/接收计数器输入引脚（第14、9脚）；输出端：TxPDout/RxPDout——发射/接收相位检测器输出引脚（第15、10脚）；LD——锁定检测脚（第16脚）；电源部分：VDD——电源正极（第12脚），VDD对VSS的范围为2.5-5.5V。VSS——电源负极（第6脚），VSS为电源负极，通常接地。电平：VH=高电平；VL=低电平；在这一点上，当fR和fV同相时，输出脚被拉到电源电压的一半。注意：当失锁的时候，TxPDout和RxPDout引脚产生错误的脉冲。当相位和频率锁定时，输出端为高阻态、那个脚的电压取决于低通滤波电容。MCU的编程方法这个就不多说了，用的是STM32F103C8T6单片机实现的。MC1648：由于MC145162里面没有VCO，所以这部分的功能就是外接一个VCO实现整体电路后面部分的功能。VCO的功能就是根据输入电压的大小来自身振荡一个频率。实际电路中用的就是他的典型的正弦波振荡电路。为了振荡的频率可以满足锁相环的锁相要求，在输入端我加入了电位器，来调节输入的电压，具体电路后面介绍。§4-2：锁相环电路大致框图在通信电路与系统中我们了解了锁相环的大概框图：先说一下锁相环的基本原理。一个简单的锁相环电路由鉴相器（PD）,环路滤波器（LF）,压控振荡器（VCO）三个部分组成。PD的主要功能是比较两个输入的信号U1和U4，输出两者的相位差函数U2；LF的功能是滤除U2中的高频分量及噪声；VCO的功能是受U3的控制，使U1和U4靠拢，直至f相同，使VCO输出的信号的相位保持某种特定的关系。由于整个环路的反馈作用，输出的频率可以和输入频率保持精确稳定的一致。要想实现频率可变的要求，我们只需在锁相环反馈电路中加上一个分频器，使得分频之后的频率和输入的频率一样，锁相环依然可以很好的工作。框图如下：其中VCO由芯片MC1648实现；而其他部分由MC145162完成，该芯片可以锁定两个通道，最高锁定频率可达60MHZ。§4-3：硬件设计硬件由三个具体部分组成，MC1648采用数据手册的经典电路实现，外加的电感采用实验室现有的10uH的线圈电感，由于需要的电感太小只有0.036uH左右，所以把实验室的16圈电感根据磁通量的计算拆了最后只剩5圈而成。变容二极管采用BB910，因为它正常工作的时候处于反偏状态，所以要很注意它的极性。MC145162可以采用数据手册上的经典电路来实现，我用最简单的做法，只使用了发送的通道，因为发送通道配置有锁定指示管脚，实验中可以方便的检测是否频率已经锁定，相比之下，接收通道则没有了。整个电路用5V供电，注意去耦电容的使用，防止噪声的干扰。具体电路里的PD，N分频和M分频的电路都集成于芯片内部，可以通过编程调节和控制。整体电路如下图：图中的P1、P2、P3、P4、P5都是单片机上对应的模块。§4-4：软件设计软件设计——我觉得是最难的一部分。因为对于MC145162来说，编程必须得考虑到他的内部结构，需要仔细研究它的PDF。要对它实行编程，就得用到单片机，根据网上查的资料，我用的是STM32F103C8T6单片机。这种系列的单片机有自己独立的内存，因此写的代码大小要求不是很苛刻，可以用类似于C语言的编程语言实现，实际上用的是一个叫keil的软件编辑，将各个部分运行成一个Jlink可以识别的文件，再拷到Jlink里面用Jlink对单片机进行烧录，烧录好之后就可以用了（看起来好像很简单哈）。最后结合芯片和单片机，我用的是4线SPI模式和4线普通IO口模式。采用4线模式，具体芯片有三个寄存器，第一个是控制寄存器，8位，可以通过编程实现各种功能和应用。第二个寄存器为32位，可以控制实现写入M分频。其余为两个16位寄存器。晶振是6MHZ,基频是12.5KHZ。最后的程序大概如下：#include"mc145162.h"voidCLK(u8i){GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_2,(BitAction)i);}voidADin(u8i){GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_1,(BitAction)i);}voidDin(u8i){GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_4,(BitAction)i);}voidENB(u8i){GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_5,(BitAction)i);}voidMC145162_Reset(unsignedintCtrl_Data,unsignedlongintRef_Data,unsignedintTx_Count){unsignedinti;unsignedlongintmask;ENB(0);CLK(0);ADin(0);Din(0);ENB(1);mask=0x80;for(i=0;i<8;i++){CLK(0);delay_ms(1);if(Ctrl_Data&mask){Din(1);}else{Din(0);}CLK(1);delay_ms(1);mask=mask>>1;Din(0);}CLK(0);delay_ms(1);ENB(0);mask=0x80000000;ENB(1);for(i=0;i<32;i++){CLK(0);delay_ms(1);if(Ref_Data&mask){Din(1);}else{Din(0);}CLK(1);delay_ms(1);mask=mask>>1;Din(0);}CLK(0);delay_ms(1);ENB(0);mask=0x8000;for(i=0;i<16;i++){CLK(0);delay_ms(1);if(Tx_Count&mask){ADin(1);}else{ADin(0);}CLK(1);delay_ms(1);mask=mask>>1;ADin(0);Din(0);CLK(0);}delay_ms(1);ENB(1);delay_ms(1);ENB(0);}#ifndef__mc145162_h#define__mc145162_h#include"stm32f10x.h"voidCLK(u8i);voidADin(u8i);voidDin(u8i);voidENB(u8i);voidMC145162_Reset(unsignedint,unsignedlongint,unsignedint);externvoiddelay_ms(__IOuint32_tnTime);#endif下面是主程序的一部分：intmain(void){u8temp=0;u16n=2693;RCC_Configuration();GPIO_Configuration();LCD_Init();LCD_Write_cn(24,0,0);LCD_Write_cn(36,0,1);LCD_Write_cn(48,0,2);LCD_Write_cn(12,2,3);LCD_Write_cn(24,2,4);LCD_Write_cn(36,2,5);LCD_Write_cn(48,2,6);LCD_Write_cn(60,2,7);LCD_WriteString_en(0,4,"F:");LCD_WriteChar(12,4,n/1000+0x30);LCD_WriteChar(18,11,n%1000/100+0x30);LCD_WriteChar(24,12,n%100/10+0x30);LCD_WriteChar(30,13,n%10+0x30);MC145162_Reset(0xb2,0x20788000,n);while(1){LCD_WriteChar(12,4,n/1000+0x30);LCD_WriteChar(18,11,n%1000/100+0x30);LCD_WriteChar(24,12,n%100/10+0x30);LCD_WriteChar(30,13,n%10+0x30);temp=key();if(temp==1){n=n+1;MC145162_Reset(0xb0,0x20788000,n);}if(temp==2){n=n-1;MC145162_Reset(0xb0,0x20788000,n);}};}其他程序：voiddelay_ms(uinttime){uintt;for(t=0;t<time;t++){}}bitLCD_Check_Busy(void){ DataPort=0xFF; RS=0; RW=1; EN=0; _nop_(); EN=1; return(bit)(DataPort&0x80);}/*写入命令函数*/voidLCD_Write_Cmd(ucharcom){ while(LCD_Check_Busy());//忙则等待 RS=0; RW=0; EN=1; DataPort=com; _nop_(); EN=0;}/*写入数据函数*/voidLCD_Write_Data(ucharData){ while(LCD_Check_Busy());//忙则等待 RS=1; RW=0; EN=1; DataPort=Data; _nop_(); EN=0;}/*写入字符串函数*/voidLCD_Write_String(ucharx,uchary,uchar*s){ if(y==0) { LCD_Write_Cmd(0x80+x); } else { LCD_Write_Cmd(0xc0+x); } while(*s) { LCD_Write_Data(*s); s++; }}/*写入字符函数voidLCD_Write_Char(ucharx,uchary,ucharData){ if(y==0) { LCD_Write_Cmd(0x80+x); } else { LCD_Write_Cmd(0xc0+x); } LCD_Write_Data(Data);}*//*设置位置函数*/voidset_pot(ucharpot){ LCD_Write_Cmd(0x80+pot); //pot=0x00第一行首位，每个字符占0x02 //pot=0x40第二行首位}/*初始化函数*/voidLCD_Init(void){ RW=0; EN=0; LCD_Write_Cmd(0x38); LCD_Write_Cmd(0x0c); LCD_Write_Cmd(0x06); LCD_Write_Cmd(0x01);//清屏 }ucharKeyScan(void)//键盘扫描函数，使用行列反转扫描法{ ucharcord_h,cord_l;//行列值中间变量 KeyPort=0x0f;//行线输出全为0 cord_h=KeyPort&0x0f;//读入列线值 if(cord_h!=0x0f)//先检测有无按键按下 { DelayMs(20);//去抖 if((KeyPort&0x0f)!=0x0f) { cord_h=KeyPort&0x0f;//读入列线值 KeyPort=cord_h|0xf0;//输出当前列线值 cord_l=KeyPort&0xf0;//读入行线值 while((KeyPort&0xf0)!=0xf0);//等待松开并输出 return(cord_h+cord_l);//键盘最后组合码值 } } return(0xff);//返回该值}/*按键值处理函数，返回扫键值*/ucharKey(void){switch(KeyScan()){case0x7e:return0;break;//0按下相应的键显示相对应的码值case0xbe:return1;break;//1case0xde:return2;break;//2case0xee:return3;break;//3case0x7d:return4;break;//4case0xbd:return5;break;//5case0xdd:return6;break;//6case0xed:return7;break;//7case0x7b:return8;break;//8case0xbb:return9;break;//9case0xdb:return10;break;//acase0xeb:return11;break;//bcase0xb7:return12;break;//ccase0x77:return13;break;//dcase0xd7:return14;break;//ecase0xe7:return15;break;//fdefault:return0xff;break;}}voidclear(void){ uinti; for(i=0;i<4;i++) freq[i]=0;}大概就是这些了。第五章电路图焊接及数据分析§5-1：电路图焊接：首先焊接稳压模块，用万用表测试稳压模块输出，输出检查无误后按照电路图焊接后面的主电路；没有对应的元件时就近取值；焊接时，要注意电路的整体布局，不能将电路拉得太远，避免高频时电路分布参数的影响；注意防止短接；电路焊接完成后，认真检查电路是否连接正确，确定无误后，在进行调试。§5-2：调试：接入12V电压，注意此时一定要使Rb1上面的电位器在最大，防止一接电就将三极管烧坏（我就烧坏了一个）；测试电路的静态工