LC振荡器的研究制作

第1页共9页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；第2页共9页综合考虑各种因素，拟采用方案二，其中，频率显示拟采用单片机查表的方法。二、系统设计1、总体设计（1）系统框图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fT=200兆赫，选hfe=50至100左右的管子。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显示峰值检波电路单片机滤波VCOBU2614放大器功率R显示A/D转换AGC第3页共9页电路工作于临界状态时，集电极电流0cI2.4mA0eV0.2cE=0.2×12=2.4V故可计算出射极电阻值24004.2003ceIVR1KΩ我们取下偏置电阻354RR=9×1000=9KΩ（实际5R为9.1KΩ）那么上偏电阻1.97.04.2)7.04.2(12)(5004RVVVVERbeebeec26.1KΩ取耦合电容0.047μF，谐振时C=100pF，电感可按下列经验公式CfL2025300计算得100252530025300220CfL0.4μH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fmax变化到最低值fmin时，谐振回路频率覆盖系数minmaxffKf按上图中调谐回路覆盖系数可写为minmaxmaxmin2121jjjjfCCLCLCK接题目要求，fmax=35MHz，fmin=15MHz，所需要的变容二极管覆盖系数为2fcKK=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，第4页共9页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cMP=700mW,cMI=300mA，管子的饱和压降CESU≤0.6V,≥30,Tf≥150MHz,pA≥6dB，主要技术指标：输出功率0P≥100mW,工作频率0f=30MHz,效率≥50%,负载LR=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，60c，谐振回路的最佳负载电阻pR为3202101002)6.012(2)(PUVRCESccp650Ω集电极基波电流振幅mcI1为6501010022301pmcRPI17.54mA集电极的电流脉冲的最大值cMI)60(11mccMII44.86mA直流分量0cI为39.054.17)60(00cMcII9.78mA直流功率P301078.912cccIVP117.36mW功率放大器的总效率为PP0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3.06505023PLRRNN（取N3=2,N2=6）集电极并联谐振回路C=15pF，回路电感为第5页共9页1226201015103044.391)2(1）（CfL2H304NQRLNLL，得出N4=8，取QL=2，N1=N4-N2=8–6=2，③基极偏置电路当加入bmU后，)()(00eceebbRIRIV,取eR10Ω，则bbV-0.1V,由于bmbbbzcUVUcos，则bzU0.6V,bmU1.4V取Ce=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RL取6个值，RL1=30ΩRL2=47ΩRL3=51ΩRL4=56ΩRL5=62ΩRL6=75Ω，回路电容C=C2+C3=15pF,则C3=5.6pF,C2=10pF（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)(tC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—频率变换器，它的特性可以用瞬时振荡频率V与控制电压C之间的曲线来表示，如图所示，图上的中心点频率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：)()(0tKtCVV式中，KV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ttCVVdttKtdtt000)()(tCVVdttKt0)()(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。V0C压控振荡器曲线图第6页共9页（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。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/frC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10.24MHzC1110000PFC1CAPC2P2PLUGC10470UFL1D1LEDB1R1POT2R5R2RES2R3RES2F-IN1N011N112PDout4N213N314LD28N415N5160V9N6170R8N718N819Fv10N920N1024RA05N1125RA16N1222RA27N1323OSC-O26Tx/Rx21OSC-IN27GND2VCC3MC145151-1C4CAPC3CAPVCO+5VCC+5VCCVCO控制电压来自单片机R压控振荡器直流放大器检波第7页共9页计算得最小分频比Nmin=175,最大分频比Nmax=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=(Nmin+Nmax)/2=325鉴相器灵敏度Kd=VCC/4π（VCC=5V）压控灵敏度KVCO=2πΔf0/ΔVC环路自然谐振角频率102rnf)(211RRNCKKVCOdn环路阻尼系数)(212VCOdNKKNR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