压控振荡器报告

HefeiUniversity压控振荡器项目名称：压控振荡器作者姓名：高慧敏130502201513通信2班马彪130501102613电子1班徐文山130501102713电子1班指导老师：段惠敏完成时间：2015年7月6日压控振荡器压控振荡器在通信、雷达、测控等方便有广泛的应用，利用锁相环输出的压控振荡信号更为稳定，方便接收端接收稳定的信号。本模块由MC12022和MC145152构成的鉴相器(PD)、LM392和外围电路构成的环路滤波器(LF)、以及MC1648组成的压控振荡器(VCO)构成锁相环。本模块可以实现88~108MHz的频率输出，输出频率稳定度优于，输出电压峰峰值1V±0.1V等其他指标。关键词：鉴相器，环路滤波器，压控振荡器，分频；目录1、系统方案设计.................................................-4-1.1总体方案设计.................................................-4-1.2系统设计方案.................................................-4-1.2.1压控振荡器的设计方案论证与选择........................-4-1.2.2频率合成器的设计方案论证与选择........................-4-2、主要电路设计与分析...........................................-5-2.1前置分频器和锁相频率合成器电路设计..........................-5-2.2环路滤波器设计..............................................-6-2.3压控振荡器电路设计..........................................-7-2.4锁相环分析..................................................-7-3、系统测试与分析...................................................-9-3.1测试方案.....................................................-9-3.2测试结果.....................................................-9-3.3数据分析.....................................................-9-4、总结............................................................-10-参考文献...........................................................-10-附录...............................................................-10-1、系统方案设计1.1总体方案设计根据题目要求设计制作一个压控振荡器，振荡器的输出为无明显失真的正弦波，输出频率在88~108MHz，可实现输出频率步进，步进间隔为1MHz，输出电压峰峰值(10.1)PPVV。综合RC振荡器、LC振荡器和晶体振荡器的输出频率稳定度和调节范围特点，本系统采用LC振荡器，利用锁相环原理，相位负反馈系统使得输出电压相位稳定。使输出电压稳定在一固定频率和电压幅值。本系统锁相环整体框图如图1所示：图1：锁相环框图1.2系统设计方案1.2.1压控振荡器的设计方案论证与选择方案1：采用分立元件构成。利用低噪声场效应管作振荡管，采用变容二极管直接接入振荡回路作为压控器件，电路为电感三点式振荡器。该方法实现简单，调试困哪，现有的技术不能直接测量电感的大小，输出频率不易灵活控制。方案2：采用压控振荡芯片MC1648和变容二极管，外接一个LC谐振回路构成变容二极管压控振荡器。只需要调节变容二极管两端的电压便可以改变MC1648的输出频率。外围电路简单，，内部含有AGC电路，在输入信号电平变化时，用改变增益的方法维持输出信号电平基本不变，系统可靠性高，利用锁相环技术提高输出频率稳定性。综上所述，我们组选择方案2。1.2.2频率合成器的设计方案论证与选择方案1：采用模拟锁相环式频率合成技术，通过环路分频器降频，将VCO的频率降低，与参考频率进行鉴相。优点是：可以得到任意小的频率间隔；鉴相器工作频率不高，频率变化范围不大，带内带外噪声和锁定时间易于处理；不需要昂贵的晶体滤波器；频率稳定度与参考晶振的频率稳定度相同。缺点是：分辨率的提高需要通过增加循环次数来实现，电路超小型化和集成化比较复杂。方案2：采用数字锁相环频率合成技术，由晶振、鉴频/鉴相器、环路滤波器、和压控振荡器组成。利用锁相环，将压控振荡器输出的频率锁定在所需频率上，可以很好的选择所需频率信号。频率合成采用大规模集成PLL芯片MC145152，，前置分频器选用芯片MC12022。MC145152是MOTOROLA公司生产的大规模集成电路，它是一块并行码输入方式置定、由14根并行输入数据编程的双模CMOS-LSI锁相环频率合成器。环路滤波器选用LM392和综上所述，我们选择方案2。2、主要电路设计与分析2.1前置分频器和锁相频率合成器电路设计采用MC12022前置分频器与MC145152中的A和计数器一起构成一个吞咽脉冲可编程分频器。图2为其工作示意图，其中（a）是P/（P+1）前置分频器方框图，（b）是吞咽脉冲计数的示意图。MC12022的分频比为P=63和64。MC12022受控于吞咽计数器的分频比切换信号（即模式选择信号M）。当M为高电平时，分频比为P+1,当M为低电平时，分频比为P。MC145152内的N和A计数器均为减法计数器。当减到零时，A计数器输出由高电平变为低电平；N计数器减到零时，输出一脉冲到鉴相器，并同时将预置的N和A重新置入A和N计数器。利用这种方法可以方便地使总分频比连续数，总分频比D=PN+A。图2：（a）前置分频器方框图图2：（b）吞咽脉冲计数示意图MC145152的应用电路图如图3所示：图3：MC145152应用电路图2.2环路滤波器设计经过鉴相器的分频鉴相作用后，输入到环路滤波器的信号为参考频率和VCO振荡频率的误差信号R和V两个脉冲信号，环路滤波器的电路连接方式如图所示：图5：环路滤波器连接图环路滤波器的带宽为：)(tud2.3压控振荡器电路设计压控LC振荡器电路由压控振荡芯片MC1648、变容二极管以及LC谐振回路组成，原理图如图6所示。3脚位缓冲输出端，一路供前置分频器MC120252，一路锁相环输出；MC1648引脚5端是自动增益控制电路AGC的反馈输入端，将使用在功率放大电路的输出端，此锁相环未作。一对变容二极管背对背地与该谐振电路相连，振荡器的输出频率随着加在变容二极管上的电压大小而改变；MC1648的内部电路与10脚和12脚外接的LC谐振回路组成正反馈的正弦振荡电路，振荡频率由12CLfC计算。现有的电感电感值较高，不适合使用，所以用漆包线绕制，电感值大约为0.256uH,变容二极管的电容值随外加电压信号变化，可以使输出频率在100MHz左右20MHz范围内。2.4锁相环分析锁相环的作用是通过相位比较，使输出信号的相位和输入信号的相位保持一致，进而使其频率保持相同。输入信号和输出信号之间的相位由鉴相器进行比较，鉴相器的输出电压vpd是和相位差的函数，鉴相器的输出经过环路滤波器滤除高频分量和噪声后得到一个较为平稳的电压，该电压连接到压控振荡器的压控端，控制压控振荡器的输出频率，压控振荡器的输出最终反馈到鉴相器的输入端，与输入信号进行相位比较。虽然在环路中鉴相器和环路滤波器两个模块的输出节点上所关注的物理量是电压，但整个环路进行负反馈时在输出端采样和输入端求和的都是)(tuo)(tui)(tui)(tuo)(tui)(tuo)(tuc)(tuo振荡信号的相位，负反馈时在输出端采样和输入端求和的都是振荡信号的相位。假设输入信号vi(t)和输出信号vo(t)分别为：（2-1）（2-2）假设鉴相器是一个简单的模拟乘法器，此时，可以得到：（2-3）是一个传输系数，单位为1/V，将式(2-1)和(2-2)代入上式，可得：vpd经过环路滤波器低通滤波，滤除了上述信号中频率较高的(oi)分量，最终可以得到：模拟乘法鉴相器具有正弦性质的鉴相特性，其鉴相曲线如图4所示。图4：鉴相器模拟乘法器曲线代表压控振荡器的输出信号同时也是锁相环回路的反馈信号；是参考频率源产生的信号；是鉴相器的输出信号；是环路滤波器输出的比较纯粹的控制信)(sin))(sin()(ttttiiiiiiVVv)(sin))(sin()(ttttooooooVVv)()()(tttvvKvoimpdKm)()()(sin)]()()sin[(21)(cos)(sin)()()(tttttttttttoioioioioimoioimoimpdVVKVVKvvKv)(sin)(sin21))(()((sin21)()()(sin21)(00ttttttttttedeoimoiioimoiioimdKVVKVVKVVKv)(tuo)(tui)(tud)(tuc号，也是控制VCO振荡的信号。过程分析如下：首先PD对和之间的相位进行比较，产生和一些非理想的高频分量，经过环路滤波器滤除高频分量后变成控制着VCO的振荡频率，如果VCO的振荡频率与参考频率相差较大，PD就会产生一个幅度较大的控制电压提高VCO的振荡频率，整个过程就是VCO的振荡频率一直不停的追赶参考频率直到二者相等，LPF产生的为一个固定的值。此时我们就可以说锁相环处于锁定状态。3、系统测试与分析3.1测试方案MC145152/MC12022/MC1648的供电电压均为5V，LM392供电电压为12V。测试仪器：SIGLENTSDS2202数字示波器VICTORVC890C+数字外用表EE1642C函数信号发生器3.2测试结果测试项目基本振荡器输出锁相环输出输出图像输出频率范围（:MHz）77~111输出频率稳定度输出电压峰峰值150mV3.3数据分析从表格中的数据可以看出：)(tuo)(tui)(tud)(tud)(tuc)(tuc1、基本振荡器部分可以实现88~108MHz的输出频率范围，稳定度优于，输出电压峰峰值为150mV.2、锁相环振荡输出由于环路滤波器处于非正常工作而无法正常输出。3、环路滤波器的参数设置存在问题，下一步需要调整环路滤波器的参数值选取合适的低通滤波器上限值。4、按照数据手册上的接法分频，得到的分频数据存在误差。5、不明确鉴相器输出的和的信号是否正确，导致环路滤波器的正反相输入端信号不明确是否正确，还需要解决。4、总结通过本次的压控振荡器制作，我们了解了压控振荡器锁相环输出是由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器三部分组成环路系统，参考信号和基本振荡器输出的信号经由鉴相器鉴相，输出误差信号给环路滤波器，形成一个直流电压值给压控振荡器谐振出信号，直到系统的相位差消除，锁相环锁定，输出稳定的信号，方便给接收端接收信号，形成一个收发信号的系统。参考文献[1]吴洪天.锁相环频率合成器设计研究与设计[J].电子科技大学2013年5月[2]郑贤.压控振荡器的研究与设计[J].西安电子科技大学2013年1月[3]康华光、陈大钦、张林.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2011年5月[4]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计（第2版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2