北理工基于電路的頻率源設計實驗論文

0541120201120121397陳生瓊-24-頻率源設計實驗（論文）題目：基于電路基礎的頻率源設計實驗學院：信息與電子學院專業(yè)：專業(yè)班級：學號：學生姓名：指導教師：起止時間：學號姓名專業(yè)班級設計（論文）題目基于電路基礎的頻率源設計掌握基本三極管的各種參數(shù)意義，大致了解三極管，二極管的各種特性；掌握基本三點式振蕩電路的振蕩原理，可以按照給定的要求設計振蕩電路；掌握選擇三極管的方法，可以根據(jù)所給的參數(shù)要求正確選擇三極管；掌握振蕩電路特性的測量，評估方法。晶體三極管振蕩電路設計要求：輸出頻率在10MHZ-30MHZ之間輸出為正弦振蕩波形，輸出電壓峰峰值Ｖ輸出波形的頻穩(wěn)度要求在１０３目錄第一章摘要 -3-第二章方案選擇、確定及系統(tǒng)框圖方案論證 -3-§2-1：指標分析 -3-§2-2：整體方案選擇及確定 -3-§2-3：系統(tǒng)框圖 -4-第三章電路圖設計、計算及器件清單 -4-§3-1：各個部分的電路設計 -4-§3-2：整體電路設計 -8-§3-3：各部分參數(shù)，管子的選擇 -9-第四章基于鎖相環(huán)的簡易高頻信號發(fā)生器 -9-§4-1：芯片介紹 -9-§4-2：鎖相環(huán)電路大致框圖 -11-§4-3：硬件設計 -12-§4-4：軟件設計 -13-第五章電路圖焊接及數(shù)據(jù)分析 -21-§5-1：電路圖焊接： -21-§5-2：調試： -21-§5-3：正弦波圖形： -22-§5-4：UB-IC關系： -22-§5-5：UCE和VP-P的關系（單位：V，MHZ）： -22-§5-6：f—VP-P的關系： -23-致謝 -24-參考文獻 -24-

第一章摘要在信息大爆炸的現(xiàn)代生活中，大量信息充斥著我們生活的方方面面，如何快速有效的發(fā)現(xiàn)及盡快的學習他們成了我們生活中必須要考慮的一部分。我們已經知道，信息在要在空間中傳的夠遠，這取決于信號的能量，也就是信號的頻率，而大部分的信號是沒有這么大的頻率的，這就需要我們將要傳播的信號調制到一個頻率高的基頻正弦信號上面，從而使其傳播過程中更易于輻射，傳的更遠。在接受過程中，需要將信號解調，從而得到我們需要的那個信號，這同樣也離不開基頻信號。現(xiàn)在，我們就要從電路的角度，自己設計一個頻率源出來。第二章方案選擇、確定及系統(tǒng)框圖方案論證首先，我們需要列出實現(xiàn)系統(tǒng)功能所需要的系統(tǒng)框圖，之后才能一步一步的根據(jù)實驗框圖來設計電路。§2-1：指標分析本設計方案實現(xiàn)的指標為：輸出頻率范圍：60~300MHz輸出電壓幅度范圍：>=2V供電電源：12V對于系統(tǒng)整體的頻率分辨率，單邊帶相位噪聲，非諧波雜散，本實驗沒有做過多的要求，§2-2：整體方案選擇及確定首先，我采用的是模擬電路，而不是數(shù)字電路。原因有很多，一是模擬電路比較熟悉，數(shù)字電路現(xiàn)在還在學，而且還沒怎么學明白；二是數(shù)字電路雖然變化的比較快，對電路的延時較少，但是缺點是諧波太多，出來的信號不純；三是數(shù)字電路其實在電路設計上是比較麻煩的，首先，我們需要把模擬信號取樣、量化變成數(shù)字信號，對數(shù)字信號操作完成后又需要通過D/A轉換器變成模擬信號輸出。其次，考慮過晶體振蕩器，但是晶體振蕩器的fg是一定的，也就是說，當晶體振蕩器一旦選定之后，系統(tǒng)的fg也就確定了。而我想做的是一個頻率可變的信號，所以晶體振蕩器也就被我排除了。要做一個頻率可變的信號源，我的打算是用變容二極管并聯(lián)上一個電位器來控制諧振回路的§2-3：系統(tǒng)框圖1、系統(tǒng)整體框圖放放大網(wǎng)絡正反饋網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡放大網(wǎng)絡穩(wěn)壓網(wǎng)絡圖中的穩(wěn)壓網(wǎng)絡，大家可以看到，我畫的是虛線，也就是說我并沒有畫到整體的框圖里面，這是因為穩(wěn)壓網(wǎng)絡其實是額外的，這是為了避免直流電源中夾雜的高頻交流信號避免在整體電路里面影響最后的輸出頻率的。但是在題目給的條件中，就是一個不含任何雜波的直流源，所以這部分對電路的主體設計沒有任何影響，所以就把這部分沒考慮在主體框圖里面。穩(wěn)壓網(wǎng)絡：上面說了，是為了除去所給的直流電流里面的高頻信號的影響所額外加的一個網(wǎng)絡，也就是說它的作用就是保證流進整個電路的是一個完完全全的直流電，沒有任何頻率分量。放大網(wǎng)絡、正反饋網(wǎng)絡需放在一起講。在電壓剛加在電路兩端的時候，三極管的電流由0突然增大，由于三極管是個非線性原件，所以這個過程中是有無數(shù)個正弦信號產生的，但是幅度很小，而通過放大器的放大作用，這很多個疊加的信號都進行了放大，而這里面有我們所需要的頻率，接下來的步驟就是選出我們需要的頻率。選頻網(wǎng)絡，一般都是并聯(lián)諧振回路，這個諧振回路就是為了選出我們需要的網(wǎng)絡而設計的，當f=12π最后的放大網(wǎng)絡一般是共集組態(tài)，放大倍數(shù)幾乎為1，但是他的輸出阻抗非常大，它的目的就是為了提高電路整體帶負載的能力。第三章電路圖設計、計算及器件清單§3-1：各個部分的電路設計1、穩(wěn)壓網(wǎng)絡穩(wěn)壓網(wǎng)絡的主要目的就是去除直流電源里各種頻率分量，所以穩(wěn)壓網(wǎng)絡的設計如下圖：穩(wěn)壓網(wǎng)絡要濾掉直流電壓中的高頻，低頻，中頻分量，所以我們用了三個大小不一的電容來濾掉這些分量，分別是：1.5PF、15uF、0.1mF，這些在整體的電路中可以不予考慮，因為對整體電路設計沒影響。2、放大網(wǎng)絡、正反饋網(wǎng)絡C2C1Re1Rc1Rb2RC2C1Re1Rc1Rb2RbwRb1當此網(wǎng)絡與后面網(wǎng)絡用電容耦合的時候，此網(wǎng)絡的靜態(tài)工作點不會影響后面的靜態(tài)工作點，因此每個晶體管的工作點可獨立計算，互不影響。對于此網(wǎng)絡，靜態(tài)工作點為：U由于此網(wǎng)絡的設計頻率最大為300MHZ，所以查詢各種三極管的數(shù)據(jù)手冊之后，決定使用的是高頻三極管ss9016，此三極管的輸出特性曲線是：且Ic最大為25mA，VCE最大是20V，根據(jù)這個關系，可以在上圖中畫出一條斜線，橫截距是20V，縱截距是25mA，為了波形不失真，我們取這條直線在上圖中VCE在2V~20VV根據(jù)數(shù)據(jù)手冊ICmax=25mA，因此為了電阻比較好取，我們取ICQ1由于數(shù)據(jù)手冊給的UBCmax=30V遠遠大于所給電壓12V，所以B、C由數(shù)據(jù)手冊上的IC雖然上圖中的VCE=5V，但是對于IC和UBE的關系影響不大。從上圖中看到，當RR不妨取Rb2=3kΩ，為了去掉直流信號中頻率很低的交流電對電路的影響，我們需要在基級和地之間加一個大的隔置電容，如上圖，在這里，加了一個0.22μF的大電容。由電容三點式振蕩電路可知，C13、選頻網(wǎng)絡圖示的振蕩頻率是f0=14、共集組態(tài)網(wǎng)絡共集組態(tài)網(wǎng)絡主要是為了增大電路整體的待負載能力而設計的，共集組態(tài)網(wǎng)絡具有輸入電阻小，輸出電阻大的特點。前級的共集組態(tài)有兩個功能。一是發(fā)射極上的電阻具有調節(jié)后級輸出電壓大小的功能，二是發(fā)射極上的電阻上的電壓是前級晶體管的反饋電壓，同時又影響自身的靜態(tài)工作點大小，這里我們還是拿到整體中去考慮?！?-2：整體電路設計1、整體網(wǎng)絡如上圖，圖中的計算已經大部分完成了。下面來說主要計算：在3-1中已經說明放大部分的各種參數(shù)的來歷，下面，后級參數(shù)的來歷。由振蕩器的：B=C1C又由于C5遠遠大于C（C為總的電容），考慮到市面上有的電容的容值，我取了C5為221PF，C4為50PF。對于電感，是根據(jù)實驗室里有的10uH的電感取得?！?-3：各部分參數(shù)，管子的選擇1、參數(shù)計算對于后面兩個管子的參數(shù)，主要考慮的是靜態(tài)工作點的取值問題。如圖所示，大概的取值和前面的管子的計算過程大致一樣。2、管子選擇三極管已經選好了，如上所示。對于電感的選擇比較重要，應為我們要選擇Q值好的，電路才容易起振，其他管子的選擇只需要根據(jù)圖中所示的參數(shù)來選擇就好。第四章基于鎖相環(huán)的簡易高頻信號發(fā)生器下面來說，我弄的最多的這個基于鎖相環(huán)的簡易高頻信號發(fā)生器，所用芯片為摩托羅拉公司MC145162+MC1648;輸出頻率穩(wěn)定的高頻信號；步進值為12.5KHZ?！?-1：芯片介紹MC145162：MC145162可編程的雙PLL(鎖相環(huán))頻率合成器），最高頻率可達到60MHz和85MHz。通過MCU的串行接口，我們可以非常方便地操作它的完全可編程的接收、發(fā)射、參考、輔助參考計數(shù)器。輔助參考計數(shù)器可以讓我們?yōu)榘l(fā)射環(huán)和接收環(huán)選擇一個額外的參考頻率。參數(shù)范圍工作電壓范圍：2.5到5.5V。工作溫度范圍：–40到+75℃功耗：3.0mA@2.5V最大工作頻率：MC145162-60MHz@200mVp–p,VDD=2.5VMC145162-1-85MHz@250mVp–p,VDD=2.5V可選3線或者4線的串行接口。內置MCU時鐘輸出，值為參考晶體的頻率÷3/÷4可選?？捎蒑CU的MCUCLK腳控制省電模式。內置的參考晶體，支持外置的晶體可達16.0MHz。參考頻率計數(shù)器的分頻范圍：16-4095輔助參考頻率計數(shù)器的分頻范圍：16-16,383發(fā)射計數(shù)器的分頻范圍：16-65,535接收計數(shù)器的分頻范圍：16-65,535管腳定義輸入端：OSCin/OSCout——參考晶體輸入/輸出引腳（第7、8腳）；MCUCLK——系統(tǒng)時鐘腳（第5腳）；ADin,Din,CLK,ENB——輔助數(shù)據(jù)輸入腳、數(shù)據(jù)輸入腳、時鐘腳、使能腳（第2、3、1、4腳）；TxPS/fTx,RxPS/fRx——發(fā)射省電模式、接收省電模式（第13、11腳）；fin-T/fin-R——發(fā)射/接收計數(shù)器輸入引腳（第14、9腳）；輸出端：TxPDout/RxPDout——發(fā)射/接收相位檢測器輸出引腳（第15、10腳）；LD——鎖定檢測腳（第16腳）；電源部分：VDD——電源正極（第12腳），VDD對VSS的范圍為2.5-5.5V。VSS——電源負極（第6腳），VSS為電源負極，通常接地。電平：VH=高電平；VL=低電平；在這一點上，當fR和fV同相時，輸出腳被拉到電源電壓的一半。注意：當失鎖的時候，TxPDout和RxPDout引腳產生錯誤的脈沖。當相位和頻率鎖定時，輸出端為高阻態(tài)、那個腳的電壓取決于低通濾波電容。MCU的編程方法這個就不多說了，用的是STM32F103C8T6單片機實現(xiàn)的。MC1648：由于MC145162里面沒有VCO，所以這部分的功能就是外接一個VCO實現(xiàn)整體電路后面部分的功能。VCO的功能就是根據(jù)輸入電壓的大小來自身振蕩一個頻率。實際電路中用的就是他的典型的正弦波振蕩電路。為了振蕩的頻率可以滿足鎖相環(huán)的鎖相要求，在輸入端我加入了電位器，來調節(jié)輸入的電壓，具體電路后面介紹?！?-2：鎖相環(huán)電路大致框圖在通信電路與系統(tǒng)中我們了解了鎖相環(huán)的大概框圖：先說一下鎖相環(huán)的基本原理。一個簡單的鎖相環(huán)電路由鑒相器（PD）,環(huán)路濾波器（LF）,壓控振蕩器（VCO）三個部分組成。PD的主要功能是比較兩個輸入的信號U1和U4，輸出兩者的相位差函數(shù)U2；LF的功能是濾除U2中的高頻分量及噪聲；VCO的功能是受U3的控制，使U1和U4靠攏，直至f相同，使VCO輸出的信號的相位保持某種特定的關系。由于整個環(huán)路的反饋作用，輸出的頻率可以和輸入頻率保持精確穩(wěn)定的一致。要想實現(xiàn)頻率可變的要求，我們只需在鎖相環(huán)反饋電路中加上一個分頻器，使得分頻之后的頻率和輸入的頻率一樣，鎖相環(huán)依然可以很好的工作?？驁D如下：其中VCO由芯片MC1648實現(xiàn)；而其他部分由MC145162完成，該芯片可以鎖定兩個通道，最高鎖定頻率可達60MHZ。§4-3：硬件設計硬件由三個具體部分組成，MC1648采用數(shù)據(jù)手冊的經典電路實現(xiàn)，外加的電感采用實驗室現(xiàn)有的10uH的線圈電感，由于需要的電感太小只有0.036uH左右，所以把實驗室的16圈電感根據(jù)磁通量的計算拆了最后只剩5圈而成。變容二極管采用BB910，因為它正常工作的時候處于反偏狀態(tài)，所以要很注意它的極性。MC145162可以采用數(shù)據(jù)手冊上的經典電路來實現(xiàn)，我用最簡單的做法，只使用了發(fā)送的通道，因為發(fā)送通道配置有鎖定指示管腳，實驗中可以方便的檢測是否頻率已經鎖定，相比之下，接收通道則沒有了。整個電路用5V供電，注意去耦電容的使用，防止噪聲的干擾。具體電路里的PD，N分頻和M分頻的電路都集成于芯片內部，可以通過編程調節(jié)和控制。整體電路如下圖：圖中的P1、P2、P3、P4、P5都是單片機上對應的模塊。§4-4：軟件設計軟件設計——我覺得是最難的一部分。因為對于MC145162來說，編程必須得考慮到他的內部結構，需要仔細研究它的PDF。要對它實行編程，就得用到單片機，根據(jù)網(wǎng)上查的資料，我用的是STM32F103C8T6單片機。這種系列的單片機有自己獨立的內存，因此寫的代碼大小要求不是很苛刻，可以用類似于C語言的編程語言實現(xiàn)，實際上用的是一個叫keil的軟件編輯，將各個部分運行成一個Jlink可以識別的文件，再拷到Jlink里面用Jlink對單片機進行燒錄，燒錄好之后就可以用了（看起來好像很簡單哈）。最后結合芯片和單片機，我用的是4線SPI模式和4線普通IO口模式。采用4線模式，具體芯片有三個寄存器，第一個是控制寄存器，8位，可以通過編程實現(xiàn)各種功能和應用。第二個寄存器為32位，可以控制實現(xiàn)寫入M分頻。其余為兩個16位寄存器。晶振是6MHZ,基頻是12.5KHZ。最后的程序大概如下：#include"mc145162.h"voidCLK(u8i){GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_2,(BitAction)i);}voidADin(u8i){GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_1,(BitAction)i);}voidDin(u8i){GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_4,(BitAction)i);}voidENB(u8i){GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_5,(BitAction)i);}voidMC145162_Reset(unsignedintCtrl_Data,unsignedlongintRef_Data,unsignedintTx_Count){unsignedinti;unsignedlongintmask;ENB(0);CLK(0);ADin(0);Din(0);ENB(1);mask=0x80;for(i=0;i<8;i++){CLK(0);delay_ms(1);if(Ctrl_Data&mask){Din(1);}else{Din(0);}CLK(1);delay_ms(1);mask=mask>>1;Din(0);}CLK(0);delay_ms(1);ENB(0);mask=0x80000000;ENB(1);for(i=0;i<32;i++){CLK(0);delay_ms(1);if(Ref_Data&mask){Din(1);}else{Din(0);}CLK(1);delay_ms(1);mask=mask>>1;Din(0);}CLK(0);delay_ms(1);ENB(0);mask=0x8000;for(i=0;i<16;i++){CLK(0);delay_ms(1);if(Tx_Count&mask){ADin(1);}else{ADin(0);}CLK(1);delay_ms(1);mask=mask>>1;ADin(0);Din(0);CLK(0);}delay_ms(1);ENB(1);delay_ms(1);ENB(0);}#ifndef__mc145162_h#define__mc145162_h#include"stm32f10x.h"voidCLK(u8i);voidADin(u8i);voidDin(u8i);voidENB(u8i);voidMC145162_Reset(unsignedint,unsignedlongint,unsignedint);externvoiddelay_ms(__IOuint32_tnTime);#endif下面是主程序的一部分：intmain(void){u8temp=0;u16n=2693;RCC_Configuration();GPIO_Configuration();LCD_Init();LCD_Write_cn(24,0,0);LCD_Write_cn(36,0,1);LCD_Write_cn(48,0,2);LCD_Write_cn(12,2,3);LCD_Write_cn(24,2,4);LCD_Write_cn(36,2,5);LCD_Write_cn(48,2,6);LCD_Write_cn(60,2,7);LCD_WriteString_en(0,4,"F:");LCD_WriteChar(12,4,n/1000+0x30);LCD_WriteChar(18,11,n%1000/100+0x30);LCD_WriteChar(24,12,n%100/10+0x30);LCD_WriteChar(30,13,n%10+0x30);MC145162_Reset(0xb2,0x20788000,n);while(1){LCD_WriteChar(12,4,n/1000+0x30);LCD_WriteChar(18,11,n%1000/100+0x30);LCD_WriteChar(24,12,n%100/10+0x30);LCD_WriteChar(30,13,n%10+0x30);temp=key();if(temp==1){n=n+1;MC145162_Reset(0xb0,0x20788000,n);}if(temp==2){n=n-1;MC145162_Reset(0xb0,0x20788000,n);}};}其他程序：voiddelay_ms(uinttime){uintt;for(t=0;t<time;t++){}}bitLCD_Check_Busy(void){ DataPort=0xFF; RS=0; RW=1; EN=0; _nop_(); EN=1; return(bit)(DataPort&0x80);}/*寫入命令函數(shù)*/voidLCD_Write_Cmd(ucharcom){ while(LCD_Check_Busy());//忙則等待 RS=0; RW=0; EN=1; DataPort=com; _nop_(); EN=0;}/*寫入數(shù)據(jù)函數(shù)*/voidLCD_Write_Data(ucharData){ while(LCD_Check_Busy());//忙則等待 RS=1; RW=0; EN=1; DataPort=Data; _nop_(); EN=0;}/*寫入字符串函數(shù)*/voidLCD_Write_String(ucharx,uchary,uchar*s){ if(y==0) { LCD_Write_Cmd(0x80+x); } else { LCD_Write_Cmd(0xc0+x); } while(*s) { LCD_Write_Data(*s); s++; }}/*寫入字符函數(shù)voidLCD_Write_Char(ucharx,uchary,ucharData){ if(y==0) { LCD_Write_Cmd(0x80+x); } else { LCD_Write_Cmd(0xc0+x); } LCD_Write_Data(Data);}*//*設置位置函數(shù)*/voidset_pot(ucharpot){ LCD_Write_Cmd(0x80+pot); //pot=0x00第一行首位，每個字符占0x02 //pot=0x40第二行首位}/*初始化函數(shù)*/voidLCD_Init(void){ RW=0; EN=0; LCD_Write_Cmd(0x38); LCD_Write_Cmd(0x0c); LCD_Write_Cmd(0x06); LCD_Write_Cmd(0x01);//清屏 }ucharKeyScan(void)//鍵盤掃描函數(shù)，使用行列反轉掃描法{ ucharcord_h,cord_l;//行列值中間變量 KeyPort=0x0f;//行線輸出全為0 cord_h=KeyPort&0x0f;//讀入列線值 if(cord_h!=0x0f)//先檢測有無按鍵按下 { DelayMs(20);//去抖 if((KeyPort&0x0f)!=0x0f) { cord_h=KeyPort&0x0f;//讀入列線值 KeyPort=cord_h|0xf0;//輸出當前列線值 cord_l=KeyPort&0xf0;//讀入行線值 while((KeyPort&0xf0)!=0xf0);//等待松開并輸出 return(cord_h+cord_l);//鍵盤最后組合碼值 } } return(0xff);//返回該值}/*按鍵值處理函數(shù)，返回掃鍵值*/ucharKey(void){switch(KeyScan()){case0x7e:return0;break;//0按下相應的鍵顯示相對應的碼值case0xbe:return1;break;//1case0xde:return2;break;//2case0xee:return3;break;//3case0x7d:return4;break;//4case0xbd:return5;break;//5case0xdd:return6;break;//6case0xed:return7;break;//7case0x7b:return8;break;//8case0xbb:return9;break;//9case0xdb:return10;break;//acase0xeb:return11;break;//bcase0xb7:return12;break;//ccase0x77:return13;break;//dcase0xd7:return14;break;//ecase0xe7:return15;break;//fdefault:return0xff;break;}}voidclear(void){ uinti