LC压控振荡器

1第四届电子设计与测试竞赛方案设计报告学院：组长姓名：学号：班级：联系电话：指导老师：选题名称：LC压控振荡器2题目名称：LC压控振荡器【C题】2016年5月31日摘要：这个LC振荡电路我们分为以下几部分来设计，首先是利用芯片MC1648通过LC振荡电路自激振荡出频率在20-30MHZ的正弦波，然后通过VCO输出到分频器MC12022进行64分频的前置分频处理,因为鉴相器芯片MC145152没法处理那么大的频率。因此通过两路ФR、ФV鉴相信号输出，送到低通滤波器进行滤波处理，输出一个近似直流电压对压控二极管进行电压控制，得到不同的电容值，从而改变频率。致使ФR、ФV相等，使整个环路锁定。然后输出信号输入到功率放大电路进行放大。同时频率与电压都用液晶实时显示和我们通过51单片机实现对频率1MH的步进。3目录（一）系统方案论证.........................................................................................................41.各部分模块方案选择比较.....................................................................................41.1电压控制振荡电路的方案选择比较..........................................................41.2VCO控制电压产生方案选择比较..............................................................51.3功率放大电路的方案的选择......................................................................5(二)子模块分析及指标计算.............................................................................................61.系统总思路..............................................................................................................62.子模块具体分析和计算.........................................................................................62.1压控LC振荡器电路.....................................................................................62.2PLL频率合成电路.......................................................................................82.3功率放大器模块.........................................................................................122.4测频测幅及显示电路.................................................................................132.5系统程序设计及算法分析.........................................................................16（三）系统调试和结果分析..........................................................................................171.测试仪器.................................................................................................................172.系统电路的调试及解决方案.............................................................................172.1VCO模块测试方法和结果分析................................................................172.2前置分频模块测试方法和结果分析........................................................182.3MC145152鉴相器模块测试方法和结果分析...........................................202.4低通滤波器模块调试................................................................................222.5功率放大电路..............................................................................................233.调试体会及注意事项.........................................................................................24附录：使用单片机控制步近程序源代码.................................错误！未定义书签。4（一）系统方案论证1.各部分模块方案选择比较1.1电压控制振荡电路的方案选择比较方案一：采用电感三点式振荡。其原理是振荡电路由电感L与电容C1组成一个震荡电路，同时也是一个滤波器，将直流信号中的正弦波提取出来。由于信号在电路中会衰减，所以需要将信号进行放大补偿，电路中的三极管就是放大用的，震荡信号从图中3处输入三极管，经过放大作用，再输入到C1与L中，补偿掉损失的部分，这样振荡器就可以维持稳定的振幅和频率了。同时由于两个电感之间有互感存在，所以容易起振。另外改变谐振回路的电容，可方便得调节振荡频率，但是由于反馈信号取自电感俩端压降，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。方案二：电容三点式振荡电路其结构与电感三点式振荡电路相似,只是将电感、电容互换了位置.为了形成集电极回路的直流通路,增设了电阻RC，其结构符合三点式振荡电路射同基反的构成原则,满足自激振荡的相位平衡条件。此外利用电容三点式振荡电路作为VCO，电容三点式振电路的基极和发射极之间接有电容，反馈信号取自电容俩端，他对谐波的阻抗小，谐波电压小，反馈信号取自电容俩端，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的分量小故振荡输出波形好。但谐振回路要通过电容耦合至增益器件，使得回路等效电容受到影响，其有效变比小于变容二极管的变比，减小了频率变化范围。如要实现题目要求，必须采用切换电感的方法分波段实现，电路复杂，且精度较低，稳定性差。方案三：用集成电路振荡器，集成电路振荡器一般采用采用差分对管振荡器，此种振荡器的LC谐振回路直接接入有源放大部分，振荡回路频率只与回路参数有关，而不易受外电路影响，选取大变比的便容二极管和适当的电感值就可以满足题目要求参数。本设计中采用集成的差分对管振荡器（MC1648），MC1648是单片集成的射极耦合振荡器，输出MECL电平。电路工作时，外接电感L和电容C的并联谐振回路即可形成固定频率的振荡器。若外接变容二极管，控制变容管的5直流偏置即可构成LC压控振荡器。MC1648的工作电源为5v或负5.2V。最高工作频率可达225MHz可以方便的实现题目要求，而且集成器件内部参数比较一致，利用差分对管的对称性减少高次谐波。而且该器件内部还集成了AGC，可以提高输出幅度的平坦度,因此我们选用方案三.1.2VCO控制电压产生方案选择比较方案一：直接采用手动电压控制方式。利用可调电位器为变容二极管提供偏压，以手动旋钮的方式来调节电位器，从而改变变容二极管的偏压，来改变频率。此方法操作简单，容易实现，但无法精确控制振荡频率，且不能保证电容随电压呈线性关系变化。也无法达到步进要求。方案二：数字电压合成方式。由单片机系统通过D/A转换将需要频率对应的控制电压加在变容二极管上，改变回路电容值，改变输出频率。由于是开环调节，且变容二极管C～V特性的非线性，使输出频率难以精确控制。方案三：采用锁相环（PLL）频率合成方式进行压控控制。锁相环实际上是一个有恒定相位差的闭环调节系统。典型的分频式锁相环路包括压控振荡器（VCO）、可编程数字分频器（/N）、参考分频器（/R）、鉴相器（PD）和低通滤波器（LF）。此方案为闭环控制，采用石英晶体振荡频率作为基准源，完全满足题目要求。利用单片机改变参考分频比和可编程分频器分频比，实现不同的频率步进和准确的调整输出频率，同时可以实时显示频率值。采用集成锁相环器件可以降低设计制作的复杂程度，提高可靠性。所以我们选择方案三.1.3功率放大电路的方案的选择功率放大器按晶体管导通时间分为甲乙丙三类，通常，导通角越小，放大效率越高。一般甲类功率放大器适合作为中间级和输出功率较小的末极功率放大器。丙类通常作为末级功放以获得较大输出功率和较高效率。分析本试验任务要完成20~30MHZ的高效率放大，设计将甲类和丙类相结合，提高设计的性能和精度。用丙类进行放大，在其前面加一个甲类放大以产生足够的驱动电压。6(二)子模块分析及指标计算1.系统总思路本设计采用压控振荡芯片MC1648和变容二极管，外接一个LC振荡回路构成变容二极管压控振荡电路，只要改变二极管两端的电压，即可改变MC1648的输出频率。并且利用锁相环频率合成技术，采用大规模PLL芯片MC145152和其他芯片构成数字锁相环式频率合成器，另外利用MC145152的分频系数A、N值而改变输出频率，使输出频率稳定度进一步提高。功率放大器由推动级、激励级和末级三部分组成。为了提高效率，末级工作于丙类，晶体管选用高频功率管。总体系统框图如图一所示。图一总体系统框图2.子模块具体分析和计算2.1压控LC振荡器电路对于起振电路我们采用集成芯片----MC1648,同时由于其内部集成了AGC所以为使输出幅度稳定在1.0V，电路引入了交流电压串联负反馈并利用MC1648的自动增益控制来调节振荡器的振荡幅度。单片机锁相环低通滤波器压控振荡器A/D转换器峰值检波D/A转换器可变增益放大器4*4键盘LED显示7图二MC1648内部结构如图②所示，第一部分Q9～Q11组成直流馈电电路；第二部分是振荡器部分，Q6～Q8及外接LC并联回路构成差分振荡器，由于差分放大器的传输特性是双曲正切函数，随着输入电压增加，一管进入截止区，另一管进入限幅区，利用这种非线性特性可以稳定振幅，由于差模传输的奇对称性，使输出波形中不含偶次谐波，奇次谐波成分也比单管振荡器少；第三部分为输出放大部分，Q4对振荡输出电压进行放大，Q2、Q3组成共射共基放大电路，后经射级跟随器Q1输出；第四部分为反馈稳幅，Q5组成直流负反馈电路，当振荡输出电压增大时，Q5集电极直流电压减小，使差分振荡器电流源Q8电流减小，限制输出电压的增大，提高输出幅度的稳定性。电路工作时，外接电感L和电容C的并联谐振回路即可形成固定频率的振荡器。若外接变容二极管控制变容管的直流偏置即可构成LC压控振荡器。在这个设