电压控制 LC 振荡器

电压控制 LC 振荡器内容摘要：

1、 - 1 - 电压控制 荡器 (A 题 ) 作者： 敏、 玉 、王龚亚孙飞军（空 雷达学院）军 赛前辅导教员： 有 、 振 、 振云、刘士平邓训韩铎陈 文稿整理辅导教员： 郭云林 摘 要 该电压控制 荡器以 89 片为核心，采用锁相频率合成技术产生高稳定度的正弦信号，设计了一种 高性能的数模混合自动稳幅电路，包括峰值检波、 A/D 转换、单片机控制等，以满足基本要求部分对输出信号幅度稳定度的要求，同时显示输出正弦信号的峰 峰值和频率。 另外，根据发挥部分要求，制作了具有较高效率的丙类功率放大器。 关 键 词： 控振荡器 ， 稳幅电路， 方案论证与比较 1 振荡器方案的选择与论证 解决本单元电路有 2、多种方法，其中比较典型的有以下几种： 方案一：采用电压合成方式，其组成框图如图一所示。 其原理是用单片机将数字信 号通过 D/A 转换器，变成对应的电压去控制振荡器中的变容二极管，实现电调谐。 这种方案电路实现容易、成本低，但振荡器 的输出信号频率稳定度较低， 另外，由于变容二极管压控特性的非线性，使得变容管各点压 控灵敏度不一致，随着外加电 压的增加，压控特性曲线的斜率逐渐变小，变容管的压控灵敏度将降低，因而要求较高的 D/A 分辨率。 图一 方案二：采用直接数字频率合成器（ ，其原理框图如图二所示。 利用计算机查阅表格上所存储的正弦波取样值 ，再通过数模变换产生模拟正 弦信号。 通过改变查表速度 3、D/A 转换 输出 - 2 - 就可以输出不同频率。 用 储所需波形的量化数据，按照频率控制字要求，以 K 为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地 址码读取存放在存储器内的波形数据，经 D/经滤波即可得所需波形。 有相对带宽很宽、频率转换时间短、频率分辨率很高等优点。 图二 方案三：锁相环（ 率合成方式，其组成框图如图三所示。 锁相环路由鉴相器、 成，它能实现高精度的自动频率跟踪。 在 ，一旦鉴相器两输入信号的频率相同，则 出频率稳定的信号。 通过单片机控制分频器的分频比，当分频比变化时，就能使输出信号的频率变化。 图三 比较三种方案：第一种方案电路实现容易、成本低，但难于达到题目指标要求； 第 4、二种方案频率稳定度很高，但性 价比较低；第三种方案能够实 现题目基本要求，也比较容易实现发挥部分技术要求，性价比也较高，因此我们选择了方案三。 2 稳幅电路的选择与论证 稳幅电路的实现有多种方案，我们比较了以下两种： 方案一：利用结型场效应管实现稳幅，其原理图如图四所示。 当 型场效应管可看成阻值受 过改变场效应管 以改变场效应管阻值大小。 利用场效应管的这种性 质，可以控制同相放大器增益 的变化，达到稳幅的目的。 该方案电路实现容易、电路简单、成本低，但实验表明其稳幅范围不能满足题目要求。 前置分频 程序分频 鉴相参考晶体通参考分频单片机数据 输出参考频率源相位 累加器 波形 存储器 数模 转换器 5、 输出频率控制字 K 滤波 - 3 - 图四 方案二：利用数字电位器实现稳幅 ，其原理框图如图五所示。 在 该稳幅电路中，用数字电位器作为可变电阻接入反馈回路 ，通过单片机改变数字电位器 的阻值大小，来改变同相放大器增益，达到稳幅目的。 该方案 实现容易，但市面上购买的数 字电位器高频特性比较差，因而较难实现有效稳幅。 图五 方案三：数模混合自动稳幅电 路。 鉴于以上两种方案均不能 很好地达到题目要求，我们设计了一种数模混合自动稳幅控制电路，其工作原理如下： 数模混合自动稳幅电路由可控增益放大器、峰值检波器、 A/D 转换器、单片机控制和 D/可控增益 放大器的输入信号发生变化时 ，引起输出信号峰峰 6、值发生变化，此时峰值检波器检出峰值电压，经 A/D 转换送到单片机，单片机经过内部比较，输 - 4 - 出误差数字量，经过 D/A 转换，产生误差电压去调节可控增益放大器的偏置电压，改变放大器的增益，使输出信号幅度发生相应变化，从而使输出信号峰峰值得到稳定。 其原理框图如图六所示。 图六 3 整体方案设计 根据上述关键电路方案选择论证， 设计了总体电路框图如图七所 示。 其中，参考晶振为振荡源提供基准信号，振荡源采用 率合成方式，压控振荡器由变容二极管和场效应管组成电容三点式振荡器，由于振荡 器输出信号的幅度随频率变化 ，经过数模混合自动稳幅电路输出频率稳定、幅度稳定的正弦信号。 该正弦信号一路经 7、过峰值检波 、 A/D 转换后送单片机用于控制和幅度显示；另一路经 过数字测频电路实现实时频率 测量与显示；还有一路提供给丙类功放。 可控增益放大器 峰值检波A/D 转换单片机 D/A 转换 0 - 5 - 图七 二 硬件电路设计及参数计算 1. 振荡源 振荡电路采用 率合成器，其内部包含前置分频器，参考分频器，程序分频器和鉴相器，以及为接收串行输入数据的移位寄存器和锁存电路。 成框图如图八所示。 图八 压控振荡器（ 用变容二极管 场效应管组成电容三点式振荡器，变容前置分频 程序分频 鉴相参考晶体通参考分频单片机数据 自动稳幅电路 峰值检波A/D 转换单片机波段转换丙类功放幅度显示 输出 D/ 8、A 转换数字测频数码显示 前置分频 程序分频 鉴相参考晶体 6 - 二极管采用部分接入电路， 内部鉴相器通过第 5 脚输出误差电压经 波后，加到变容二极管上，改变变容管势垒 电容，从而改变振荡器的振荡 频率，实现电压控制振荡器频率的目的。 压控振荡器的输出信号反馈到 第 8 脚，经过 部分频后与参考频率进行相位比较，产生相应的误差电压送 理，再去控制 到锁定。 当锁相环锁定时，输出频率为： =0， )( = 其中，0f 为输出频率，参考频率， M 为程序分频器总分频比， N 为程序分频比， 我们采用参考晶体频率为 参考频率 ，则参考分频比65412/= 前置分频器采用 64/65 技术模式，则6 9、4)64/2/(,64/2/00= 程序分频器总分频比 = 64。 由于输出频率范围为 1535经计算， A 的取值为 0 28， N 的取值为 117 273，满足 A=0127， N=16 2047 的分频比范围。 因此，在上述范围内，改变 N 和 A 的置数值，即可获得频率为0f 的输出正弦信号。 路如图九所示。 芯片外电路为 振荡频率为+=42422121中，变容二极管的结电容， L 为回路电感。 依题意，输出频率范围为 1535 段覆盖系数为 般三点式振荡器达不到这个指标，因此决定分二波段来实现：设低频段为 1523心频率01f 19定2C 15p，4C 12p， 上述公式计算得： ； 10、高频段为2335心频率02f 29计算得 路参数如图所示， C 15p，4C 12p。 - 7 - 62. 波段转换分析 振荡回路要求变容管电容变化能够覆盖整个频段，即要求：变容管的变容比 2 于振荡器的最高振荡频率（与最低振荡频率（之比，即0= ，0C 为回路固定电容与分布电容总和，变容管的最大结电容，变容管的最小结电容。 变容管的变容比，等于变容管的最大结电容（与最小结电容（之比，即。 本设计课题频率覆盖系数 =即要求变容管的电容比大于 在时间较紧张的竞赛阶段，从市面上购得的变容管难以达到这个要求。 - 8 - 在电感不改变的情况下， 仅仅依靠普通变容管是不能实现本设计指标要求的频率覆盖范 11、围的。 解决的方法是在谐振回路中加入波段转换开关，将振荡器 1535频段一分为二，即： 1523 2335 是， 频率覆盖系数 ,=频率覆盖系数 ,=如上所述， 设置两个电感 则可通过普通变容管实现频率覆盖。 在实际设计中，通过单片机控制继电器，变换 路之电感 L，实现频段之间的自动切换。 3. 数模混合自动稳幅电路 由于振荡源输出信号的幅度随频率改变，特别是在高频段信号幅度有所下降，为了满足 题目要求输出电压峰峰值 =的要求，我们设计了数模混合自动稳幅电路。 其电路如图十所示。 可控增益放大器的工作原理为：由单片机控制的 D/A 转换电路输出的误差电压，作为放大器的可控偏置电压源改变晶体管发射结电阻从而改变放大器的增益达到稳幅的目的。 原理公式描述如下： ()+=+= 1)()1(2)( 为晶体管的电流放大倍数， 别为可控增益放大器的交流负载和发射极静态电流，)(别为晶体管的热电压和导通电压。 - 9 - 图十 4. 峰值检波电路 本电路采用二极管检波电路，对自动稳幅电路的输出正弦信号进行峰。