LC振荡器制作方案

 

 

 

 

摘要

 

本题目中，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。

 

一、方案论证与比较

1、常见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：

① 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。

② 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。

信号 输入

A/D 采样

单片机 处理系统

LED 显示

 

 

 

 

 

信号 输入

A/D

单片机 处理系统

LED 显示

峰值检波 电路

 

 

 

 

 

 

二、系统设计

1、总体设计

（1）系统框图

单片机

滤波

VCO

BU2614

放大器

功率

R

显示

A/D转换

AGC

 

 

 

 

 

 

2、各模块设计及计算

（1）正弦波振荡电路的设计与计算

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f_T=200兆赫，选h_fe=50至100左右的管子。

电路工作于临界状态时，集电极电流 2.4mA

0.2 =0.2×12=2.4V

故可计算出射极电阻值 1KΩ  

我们取下偏置电阻 =9×1000=9KΩ（实际 为9.1 KΩ）

那么上偏电阻 26.1 KΩ

取耦合电容0.047μF，

谐振时C =100pF，电感可按下列经验公式 计算

得 0.4μH

集电极电路中扼流圈的电感值应远大于电感L之值，这里选用1毫亨的扼流圈。

取反馈系数F=1，则C₆ = C₇=（1+F）C =（1+1）×100 = 200pF

由于本题目要求振荡器的输出频率为15MHz~35MHz，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。

当谐振从最高f_max变化到最低值f_min时，谐振回路频率覆盖系数 按上图中调谐回路覆盖系数可写为

接题目要求，f_max=35MHz，f_min=15MHz，所需要的变容二极管覆盖系数为 =5.4

我们选用的变容二极管覆盖系数为  ，超过要求值。

 （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V_CC = +12V,晶体管3DG12的主要参数为 =700mW, =300mA，管子的饱和压降 ≤0.6 V, ≥30, ≥150MHz, ≥ 6dB，

主要技术指标：输出功率 ≥100mW ,工作频率 = 30MHz,效率 ≥50%,负载 =50Ω。

①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， ，谐振回路的最佳负载电阻 为

650Ω

集电极基波电流振幅 为

17.54mA

集电极的电流脉冲的最大值

44.86 mA

 直流分量 为

9.78 mA

直流功率

117.36mW

功率放大器的总效率为 85%

②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    （取N₃ = 2,N₂ = 6）集电极并联谐振回路C=15pF，回路电感为

2 H

，得出N₄ = 8，取Q_L= 2，N₁ = N₄- N₂ =8 –6 =2，

③基极偏置电路

当加入 后， ,取 10Ω，则 -0.1V,

由于 ，则 0.6V,    1.4V

取C_e=0.01μF, ZL₁ =47÷5 = 10μF, C₄ =0.01μF, C₅=0.01μF, L₁=0.48μH.为了观察功率放大器的负载特性，将R_L取6个值，R_L1=30Ω  R_L2 =47Ω  R_L3 =51Ω R_L4 =56Ω R_L5 =62Ω  R_L6=75Ω，回路电容C=C₂ +C₃ =15 pF, 则C₃ = 5.6pF, C₂ = 10 pF

 

（3）压控振荡器（VCO）

压控振荡器曲线图

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 的控制。 变化时，即引起振荡管频率 的变化。压控振荡器是一种是一种电压—频率变换器，它的特性可以用瞬时振荡频率 与控制电压 之间的曲线来表示，如图所示，图上的中心点频率 是在没有外加控制电压的固有振荡频率，在一定范围内， 与 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： 

 

式中，K_V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角频率变化的大小。

在锁相环电路中，VCO的输出对鉴相器起作用的是它的

瞬时相位。

这个瞬时相位可由下式表示       

                                                    

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。具体地说，当输入信号很弱时，接收的增益大，自动增益电路不起作用，而当输入信号很强时，接收的增益控制电路进行控制，使增益减小。这样当信号场强变化时，输出端的电压或功率几乎不变。

C

R

压控振荡器

直流 放大器

检波

 

 

 

（5）锁相频率合成电路

锁相频率合成单元是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。

 

输出

单片机并行14位代码

晶体振荡器

参考分频器

压控振荡器

低通滤波器

可编程分频器

鉴相器

来自单片机

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

据题目要求和方案设计，参考频率f_r 设为80KHz，最小最大分频比按输出频率f₀在14MHz~38MHz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= f₀ / f_r

计算得最小分频比N_min  = 175 ,最大分频比N_max = 475

在锁相环路中，环路滤波器的设计是十分重要的。本系统采用无源比例积分滤波器，其结构简单，性能稳定，调试方便。各个参数的计算如下：

平均分频比    N = ( N_min+N_max ) / 2=325

鉴相器灵敏度 K _d = V_CC/4π（V_CC = 5 V）

压控灵敏度    K_VCO=2πΔf₀ /ΔV _C

环路自然谐振角频率        

环路阻尼系数

取ζ= 0.707,C₁ = 0.1uF，根据上两式得R₁ = 3KΩ，R₂ = 1.5KΩ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R₁、R₂、和C₁值作适当的调整。

 

（6）稳定输出实现方案

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压的变化，并在负载和振荡器之间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

由于整个系统既包括模拟电路又包括数字电路，为了减少相互干扰，本系统采用-24V、+30V、+5V三种电压，分别对各部分供电，电路图如下

（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。

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I/O口，我们采用了键盘扫描与动态显示相结合的方法。电路如下图

测量频率的基本方法就是在一定的时间内，控制计数与门启闭，用计数器对检测信号脉冲进行计数，再把计数值根据启闭与门的定时时间转换成频率测量并显示，考虑到被测的频率过高，单片机无法测量，我们先将频率进行了100分频，采集分频后的信号进行测量并显示。

另一片单片机完成了测量电压峰峰值和提供变容二极管电压的功能。测量电压峰峰值我们采用了A/D转换电路，使用的芯片为ADC0804，为变容二极管提供电压我们采用了D/A转换电路，使用的芯片为DAC0832。电路图如下

 

四、测试方法及数据

1、测试所用仪器

信号发生器                               双踪示波器

        毫伏表                                   数字万用表

          微伏表

2、测试方法及数据

 

AGC电路的测试，对AGC电路单独进行测试（断开前级），AGC输入端输入0~40V峰峰可变电压，用示波器观察AGC输出波形点，调节输入信号幅度的线性关系，当输入超过20V峰峰值时，输出幅度增长变慢，最后幅度基本稳定在一个电平上，而整个过程，波形没有出现明显的失真。

   输出范围测试：

   输出稳定度测试：

  

 

 

3联机测试：

 

五、测试结果及分析

整个振荡器测试指标均达到题目要求。测量时，因未采取有效的屏蔽措施，受到竞赛场地，实际电磁环境等条件的限制，各项参测试会因外界的影响而产生误差。

说明几点本振荡器的进步地方。。。。。。

 

 

 

 

 

 

六、结论

我们设计的系统不仅完成了题目的基本功能，基本指标，而且有很大的发挥，现将题目要求指标及系统实际性能列表如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

基本要求	发挥部分	实际性能
振荡器输出为正弦波，波形无明显失真		实现
频率范围15MHz~35MHz		实现
频率稳定度优于是10-3		稳定于
电压峰_峰值Vp-p=1V±0.1V		实现
实时测量并显示输出电压 峰_峰值，精度优于10%
频率步进间隔为 1MHz±100KHz
	采用锁相环提高输出频率稳定度，频率步进间隔100kHz
	实时测量并显示输出频率
	制作一个功率放大器，放大LC振荡器输出的30MHz正弦信号，用E=12V的单直流电源为功率放大器供电，要求在50Ω纯电阻负载上的输出功率≥20mW
	功率放大器负载改为50Ω电阻与20pF电容串联，在此条件下50Ω电阻上的输出功率，尽可能提高放大效率。
	其它