數(shù)顯壓控LC振蕩器的設(shè)計(jì)

1、-數(shù)顯壓控LC振蕩器的設(shè)計(jì) 山東理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 學(xué) 院：電氣與電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程專業(yè) 學(xué)生姓名： 潘 付 文 指導(dǎo)教師： 栗 慶 田 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：二九年 2月23日6月20日 共 17周 摘要 摘 要 近年來，隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使市場(chǎng)對(duì)射頻集成電路產(chǎn)生了巨大的需求。在射頻電路中，壓控振蕩器(VCO)占有非常重要的地位，它是鎖相環(huán)、時(shí)鐘恢復(fù)電路以及頻率綜合器的重要組成電路，所以設(shè)計(jì)高性能的壓控振蕩器對(duì)通信系統(tǒng)性能的提高具有十分重要的意義。 本文首先介紹了振蕩器的理論知識(shí)，接著介紹了振蕩器的分類，并比較了幾種振蕩器的優(yōu)劣。重點(diǎn)介紹了電感電容壓控振蕩

2、器的理論和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，比較了不同類型負(fù)阻振蕩器的性能特點(diǎn)，介紹了相位噪聲的概念以及當(dāng)前主要的幾種相位噪聲理論。設(shè)計(jì)高性能的電感電容振蕩器的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)高品質(zhì)因數(shù)的片上電感，以及高品質(zhì)因數(shù)電容的實(shí)現(xiàn)。在本論文中完整的分析和介紹了一個(gè)具有寬調(diào)諧范圍的電感電容壓控振蕩器的設(shè)計(jì)方法及流程。通過折衷考慮設(shè)計(jì)中相位噪聲、功耗、調(diào)諧范圍相互之間的關(guān)系，完成了整個(gè)設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的要求，具有良好的性能。在原電路中為了達(dá)到寬調(diào)諧范圍的要求，采用了多個(gè)可變電容的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅增加了電路的面積，而且還會(huì)使電路的性能受到影響。改進(jìn)后的電路通過開關(guān)來控制接入電路中的電容值，進(jìn)

3、而控制輸出的中心頻率。使該電路與原來的電路相比調(diào)諧范圍帶寬沒有減小，但更加靈活，而且該VCO電路的實(shí)用性得到增強(qiáng)。本電壓控制LC振蕩器系統(tǒng)包括壓控振蕩器（VCO），高頻功率放大器（RFAMP），單片機(jī)測(cè)頻系統(tǒng)。本系統(tǒng)的VCO部分采用了大變化范圍的變?nèi)荻O管做振蕩電容，頻率調(diào)節(jié)范圍寬，在輸入電壓從0.5V變化到8V時(shí)，輸出頻率可以從14MHz變化到39MHz，且能保持良好的線性度，振蕩環(huán)路加入了防振措施，高次諧波能得到很好的抑制，輸出的正弦波波形良好，純度高，失真低，幅度高且穩(wěn)定。本系統(tǒng)使用單片機(jī)控制，從操作的靈活性和可靠性方面考慮，（RFAMP）只設(shè)計(jì)兩級(jí)，輸入級(jí)是選頻電壓放大，諧振在30MH

4、z；輸出級(jí)由于接成E類開關(guān)型放大器，搭接50歐負(fù)載時(shí)輸出大功率和高效率的30MHz高頻信號(hào)毫不費(fèi)力。 關(guān)鍵詞：電感電容壓控振蕩器，壓控振蕩器，鎖相環(huán)路，自動(dòng)增益控制 I Abstract Abstract In recent years, with wireless communication technology rapid development of the market for radio frequency integrated circuit produced a huge demand. In the RF circuit, the voltage-controlled osci

5、llator (VCO) occupies a very important position, which is phase-locked loop, clock recovery circuit and the frequency of an important component of an integrated circuit device, so the design of high-performance voltage-controlled oscillator for communication system performance the improvement of gre

6、at significance. This paper first introduces the theoretical knowledge of the oscillator, and then introduced the classification of the oscillator, and compare the advantages and disadvantages of several types of oscillator. Focuses on the VCO inductor capacitor design theory and methods, comparison

7、 of different types of negative resistance oscillator performance characteristics, introduced the concept of phase noise and the current number of major theoretical phase noise. The design of high-performance capacitance oscillator inductor key factor is to design high-quality on-chip inductance, ca

8、pacitance, and high quality factor of the achievement. In this paper a complete analysis and presentation of a wide tuning range VCO inductor capacitor design methods and processes. Through the design trade-off phase noise, power consumption, tuning range of the relationship between the completion o

9、f the entire design, simulation and design, simulation results show that the design met the expectations, with good performance. In the original circuit in order to achieve wide tuning range requirements, the use of a number of variable capacitor in parallel structures that not only increase the siz

10、e of the circuit, but also the performance of the circuit be affected. The improved circuit to control access through the switch circuit in the capacitance value then control the output of the center frequency. Of the circuit compared with the original circuit does not reduce the bandwidth tuning ra

11、nge, but II Abstract more flexible, but also the practicality of the VCO circuit is enhanced. Completed the final circuit layout. The voltage-controlled LC oscillator system, including voltage-controlled oscillator (VCO), high-frequency power amplifier (RFAMP), single-chip frequency measurement syst

12、em. VCO part of the system using a large range of oscillation do Varactor capacitance, wide frequency range, the input voltage changes from 0.5V to 8V, the output frequency can be changed from 14MHz to 39MHz, and can maintain a good linear , the oscillation loop joined the anti-vibration measures, h

13、igh-order harmonic suppression can be very good, good output waveform of the sine wave, high purity, low distortion, high and stable rate. Single-chip microcomputer to control the use of the system, from the operating flexibility and reliability considerations, (RFAMP) only the design of levels, inp

14、ut stage voltage amplification is frequency-selective, resonant at 30MHz; output stage as a result of access into E-type switch-type amplifier, Lap 50 when the output load-European high-power and high-efficiency high-frequency signal of 30MHz easily. Keywords: Inductance Capacitor Voltage-controlled

15、 Oscillator, VCO, PLL, AGC III 第一章 引言 目 錄 摘 要 . I Abstract . II 目 錄 . IV 第一章 引言 . 1 1.1 課題的目的和意義 . 1 1.2近幾年來研究狀況 . 2 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 4 2.1設(shè)計(jì)任務(wù)與基本要求 . 4 2.2方案比較與論證 . 4 2.2.1壓控振蕩器的原理 . 4 2.2.3LC振蕩器的選擇與論證 . 10 2.3 整體方案設(shè)計(jì) . 13 第三章 單元電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) . 15 3.1.單片機(jī)小系統(tǒng)電路 . 15 3.2.壓控LC振蕩器電路 . 16 3.3 PLL頻率合成電路 . 18 3.4.高頻

16、功率放大器電路 . 23 3.5.自動(dòng)增益控制電路 . 25 3.6.測(cè)頻測(cè)幅及顯示電路 . 26 第四章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 29 MC145152的控制和顯示部分的程序設(shè)計(jì) . 30 第五章 測(cè)試方法與測(cè)試數(shù)據(jù) . 32 5.1 測(cè)試儀器： . 32 5.2 整機(jī)測(cè)試指標(biāo)： . 32 5.2.1.輸出正弦波頻率范圍測(cè)試 . 32 5.2.2.輸出波形幅度的測(cè)試 . 33 5.2.3.功率放大器輸出功率的測(cè)試 . 33 第六章 測(cè)試結(jié)果與分析 . 34 6.1.輸出頻率范圍及穩(wěn)定度 . 34 6.2輸出頻率幅度及輸出功率 . 34 參考文獻(xiàn) . 35 主要硬件清單 . 36 致 謝 . 37

17、 附錄一：整體電路圖 . 38 附錄二：頻率測(cè)量與顯示程序 . 39 IV 第一章 引言 第一章 引言 1.1 課題的目的和意義 目前壓控振蕩器被廣泛應(yīng)用與通信系統(tǒng)電路中，例如鎖相環(huán)、頻率綜合器以及時(shí)鐘產(chǎn)生和時(shí)鐘恢復(fù)電路。而且VCO壓控LC器在現(xiàn)實(shí)通信領(lǐng)域也有很廣泛的應(yīng)用，其性能優(yōu)于環(huán)形振蕩器。振蕩器自其誕生以來就一直在通信、電子、航海航空航天及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域扮演重要的角色，具有廣泛的用途。在無線電技術(shù)發(fā)展的初期，它就在發(fā)射機(jī)中用來產(chǎn)生高頻載波電壓，在超外差接收機(jī)中用作本機(jī)振蕩器，成為發(fā)射和接收設(shè)備的基本部件。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，振蕩器的用途也越來越廣泛，例如在無線電測(cè)量?jī)x器中，它產(chǎn)生各種頻段

18、的正弦信號(hào)電壓:在熱加工、熱處理、超聲波加工和某些醫(yī)療設(shè)備中，它產(chǎn)生大功率的高頻電能對(duì)負(fù)載加熱;某些電氣設(shè)備用振蕩器做成的無觸點(diǎn)開關(guān)進(jìn)行控制;電子鐘和電子手表中采用頻率穩(wěn)定度很高的振蕩電路作為定時(shí)部件等。尤其在通信系統(tǒng)電路中，壓控振蕩器(VCO)是其關(guān)鍵部件，特別是在鎖相環(huán)電路、時(shí)鐘恢復(fù)電路和頻率綜合器電路等更是重中之重，可以毫不夸張地說在電子通信技術(shù)領(lǐng)域，VCO幾乎與電流源和運(yùn)放具有同等重要地位。 在通信技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等各種領(lǐng)域中，常常要用到精度比較高，頻率穩(wěn)定度高且方便可調(diào)的信號(hào)源，電壓控制振蕩器是如今使用非常廣泛的一類電子器件，為電一光轉(zhuǎn)換電路、移動(dòng)式手持設(shè)備等提供了很好的解

19、決方案。本文設(shè)計(jì)了一款電壓控制LC振蕩器，采用西勒振蕩器作為本系統(tǒng)的主要部分，解決了基本三點(diǎn)式振蕩設(shè)計(jì)中存在的改變振蕩頻率必改變反饋系數(shù)的矛盾，通過調(diào)節(jié)壓控變?nèi)荻O管兩端電壓，改變振蕩器的輸出頻率，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)15MHz35MHz輸出頻率可變。在通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和石英鐘表制作技術(shù)等領(lǐng)域，用常規(guī)的信號(hào)發(fā)生器無法滿足這種要求，因此，人們提出了頻率合成器的方案，使用鎖相環(huán)芯片MC145152，使VCO頻率實(shí)現(xiàn)頻率合成，并穩(wěn)定頻率，通過鎖相環(huán)來控制壓控振蕩器，使其能夠產(chǎn)生高精度的頻率可調(diào)的多個(gè)頻率點(diǎn)，為電子很多領(lǐng)域器件的各種功能的精確實(shí)施提供方便。頻率合成是利用一個(gè)或多個(gè)高穩(wěn)定晶體振蕩器產(chǎn)生一系列等

20、間隔的離散頻率信號(hào)的一種技術(shù)，這些離散頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度與晶體振蕩器相同。這樣，就克服晶體振蕩器 1 第一章 引言 只能產(chǎn)生單一頻率信號(hào)的缺點(diǎn)。頻率合成器是近代通信系統(tǒng)的重要組成部分。早期的通信系統(tǒng)都是采用調(diào)諧的方法實(shí)現(xiàn)特定頻率上的通信或者從一個(gè)頻道轉(zhuǎn)換到另一頻道，這種方法嚴(yán)重地限制了通信質(zhì)量的提高。采用頻率合成器后，可以用數(shù)字預(yù)置的方法提供大量精確且能迅速轉(zhuǎn)換的載波信號(hào)和本振信號(hào)，從而大大地提高了通信質(zhì)量，而且許多新的通信體制也就有可能得到實(shí)現(xiàn)。目前，頻率合成器的應(yīng)用已經(jīng)超出了通信領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于各種近代電子系統(tǒng)中。正弦波振蕩器在各種電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。它是一種能自動(dòng)地將直流電源能量

21、轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換電路。它與放大器的區(qū)別在于，無需外加激勵(lì)信號(hào)，就能產(chǎn)生具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交流信號(hào)。常用正弦波振蕩器主要由決定振蕩率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反饋放大器組成。正弦波振蕩器在各種電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。例如，無線發(fā)射機(jī)中的載波信號(hào)源，接收設(shè)備中的本地振蕩信號(hào)源，各種測(cè)量?jī)x器如信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)、FT測(cè)試儀中的核心部分以及自動(dòng)控制環(huán)節(jié)，都離不開正弦波振蕩器。 本設(shè)計(jì)涉及的模擬硬件電路較多。VCO和功率放大模塊屬純硬件部分，又屬于高頻部分。所用的電容值多在十幾pF數(shù)量級(jí)，晶體管的特性參數(shù)存在較大差別，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論值存在較大的誤差，所以在測(cè)試時(shí)

22、需要反復(fù)調(diào)整電感和電容的具體數(shù)值，才能有理想的結(jié)果。因此，采用低成本、低損耗、易集成電路，既是市場(chǎng)的需要，也是研究的需要，也是研究的重點(diǎn)。 1.2近幾年來研究狀況 壓控振蕩器的類型有LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。根據(jù)所產(chǎn)生的波形不同，可將振蕩器分成正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩大類。前者能產(chǎn)生正弦波，后者能產(chǎn)生矩形波、三角波、鋸齒波等。常用正弦波振蕩器主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反饋放大器組成，這就是反饋振蕩器。按照選頻網(wǎng)絡(luò)所采用元件的不同，正弦波振蕩器可分為L(zhǎng)C振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型。其中LC振蕩器和晶體振蕩器用于產(chǎn)生高頻正弦波，正反饋放大器既可

23、以由晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管等分立器件組成，也可以由集成電路組成，但前者的性能可以比后者做得好些，且工作頻率也可以做得更高。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頻率輸出的方法是利用鎖相環(huán)的頻率無誤差跟蹤的特性，由 2 第一章 引言 VCO產(chǎn)生一系列與晶體振蕩器相同準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的離散頻率信號(hào)。對(duì)壓控振蕩器的技術(shù)要求主要有：頻率穩(wěn)定度好，控制靈敏度高，調(diào)頻范圍寬，頻偏與控制電壓成線性關(guān)系并宜于集成等。晶體壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，但調(diào)頻范圍窄，RC壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度低而調(diào)頻范圍寬，LC壓控振蕩器居二者之間。隨著高頻電子電路以及相關(guān)領(lǐng)域的研究的日益深入和設(shè)備使用的不斷擴(kuò)大，在通信技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等各種領(lǐng)域中，常常要用

24、到精度比較高，頻率穩(wěn)定度高且方便可調(diào)的信號(hào)源，電壓控制振蕩器是如今使用非常廣泛的一類電子器件，為電一光轉(zhuǎn)換電路、移動(dòng)式手持設(shè)備等提供了很好的解決方案。而且當(dāng)今社會(huì)已進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，電子產(chǎn)品基本上全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示，因此數(shù)顯壓控LC振蕩器的研究與實(shí)現(xiàn)這一課題的設(shè)計(jì)對(duì)通信技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等各種領(lǐng)域的研究有非常重大的意義！ 3 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)任務(wù)與基本要求 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)電壓控制LC振蕩器。 基本要求： （1）振蕩器輸出為正弦波，波形無明顯失真。 （2）輸出頻率范圍：15MHz35MHz。 （3）輸出頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10-3。 （4）輸出電壓峰-峰值：Vp-p=

25、1V0.1V。 （5）實(shí)時(shí)測(cè)量并顯示振蕩器輸出電壓峰-峰值，精度優(yōu)于 10。 （6）可實(shí)現(xiàn)輸出頻率步進(jìn)，步進(jìn)間隔為1MHz100kHz。 2.2方案比較與論證 2.2.1壓控振蕩器的原理 壓控振蕩器指輸出頻率與輸入控制電壓有對(duì)應(yīng)關(guān)系的振蕩電路(VCO)。其特性用輸出角頻率?0與輸入控制電壓Uc之間的關(guān)系曲線(圖2-1)來表示。圖中,Uc為零時(shí)的角頻率?0,0稱為自由振蕩角頻率；曲線在?0,0處的斜率K0稱為控制靈敏度。使振蕩器的工作狀態(tài)或振蕩回路的元件參數(shù)受輸入控制電壓的控制，就可構(gòu)成一個(gè)壓控振蕩器。在通信或測(cè)量?jī)x器中，輸入控制電壓是欲傳輸或欲測(cè)量的信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）。人們通常把壓控振蕩器稱為調(diào)

26、頻器，用以產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)。在自動(dòng)頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號(hào)電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個(gè)受控部件。 4 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖2-1 壓控振蕩器的控制特性 壓控振蕩器的類型有LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。對(duì)壓控振蕩器的技術(shù)要求主要有：頻率穩(wěn)定度好，控制靈敏度高，調(diào)頻范圍寬，頻偏與控制電壓成線性關(guān)系并宜于集成等。晶體壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，但調(diào)頻范圍窄，RC壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度低而調(diào)頻范圍寬，LC壓控振蕩器居二者之間。 LC壓控振蕩器 在任何一種LC振蕩器中，將壓控可變電抗元件插入振蕩回路就可形成LC壓控振蕩器。早期的壓控可變電抗元件是電抗管，后來大都使

27、用變?nèi)荻O管。圖 2-2是克拉潑型LC壓控振蕩器的原理電路。 圖2-2 克拉潑型LC壓控振蕩器的原理電路圖 圖中，T為晶體管，L為回路電感，C1、C2、Cv為回路電容,Cv為變?nèi)荻O管反向偏置時(shí)呈現(xiàn)出的容量;C1、C2通常比Cv大得多。當(dāng)輸入控制電壓Uc改變時(shí)，Cv隨之變化，因而改變振蕩頻率。這種壓控振蕩器的輸出頻率與輸入控制電壓之間的關(guān)系為 式2-1 式中C0是零反向偏壓時(shí)變?nèi)荻O管的電容量； 是變?nèi)荻O管的結(jié)電壓； 5 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 是結(jié)電容變化指數(shù)。為了得到線性控制特性，可以采取各種補(bǔ)償措施。 振蕩器是無線通信系統(tǒng)中的一個(gè)核心模塊，通常應(yīng)用于鎖相環(huán)系統(tǒng)中，為收發(fā)機(jī)提供穩(wěn)定的本地載波信

28、號(hào)。相位噪聲和功耗是衡量振蕩器性能的主要參數(shù)，在某些應(yīng)用中，頻率調(diào)諧范圍也是一個(gè)很重要的參數(shù)。 振蕩器是不需要外部信號(hào)激勵(lì)，自身能將直流電能轉(zhuǎn)換為周期性交流輸出信號(hào)(通常為電壓信號(hào))的電路。振蕩器的核心是一個(gè)在振蕩頻率處呈現(xiàn)正反饋的電路。圖2-3給出了一個(gè)反饋系統(tǒng)的通用模型。其中HA（?）為前向電路的傳 輸函數(shù)。 圖2-3 振蕩器的反饋模型 而HF(?)是反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)。該反饋系統(tǒng)的閉環(huán)傳輸函數(shù)為 VoutHA（?）HA(?) =HCL(?) = 1?HF(?)HA(?)1?T(?)Vin 其中，T（?）= HF(?)HA（?）是該系統(tǒng)的環(huán)路增益。如果在所有的頻率上 T（?）<1，則

29、該系統(tǒng)是一個(gè)穩(wěn)定的反饋系統(tǒng)，在各種低頻模擬電路中，這種系統(tǒng) 得到了廣泛的應(yīng)用。如果在某種頻率上T（?）=1，則該系統(tǒng)在頻率為?處的閉環(huán) 傳輸函數(shù)為無窮大，因此，只要該系統(tǒng)的輸入引入一點(diǎn)微弱的噪聲，該噪聲就會(huì)被無限放大，產(chǎn)生無窮大的輸出，即產(chǎn)生了振蕩。而如果在某頻率上T（?）>1，則該系統(tǒng)在頻率為?處的環(huán)路增益大于1，因此只要環(huán)路中引入一點(diǎn)噪聲，該噪聲就會(huì)被無限放大，產(chǎn)生無窮的輸出，亦即產(chǎn)生了震蕩。因此振蕩器的震蕩條件為 6 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) T（?）= HF(?)HA（?）?1 式2-2 該判據(jù)可分解為幅度判據(jù)和相位判據(jù)， |T（?）|?1 式2-3 ?T(?)=360? 式2-4 即在

30、環(huán)路增益的相移為360?，增益的幅度必須不小于l，該反饋系統(tǒng)才能產(chǎn)生振蕩，這是振蕩器能夠產(chǎn)生振蕩的基本條件，稱為Barkhausen判據(jù)。對(duì)于實(shí)用的振蕩器來說，它的振蕩頻率(振蕩周期)和振蕩幅度都必須是穩(wěn)定的，因此振蕩器在穩(wěn)定工作時(shí)(達(dá)到平衡狀態(tài))，需要滿足如下穩(wěn)定性條件 T（?）=1 式2-5 ?T(?)=360? 式2-6 它們分別稱為振蕩器的振幅穩(wěn)定性條件和相位穩(wěn)定性條件。但是在振蕩器的起始階段，環(huán)路增益T（?）>1(振蕩的起始條件)，保證振蕩器能將微小的噪聲 放大為穩(wěn)定的周期性輸出信號(hào)?？紤]到溫度和工藝的變化，在振蕩頻率處的環(huán)路增益通常設(shè)計(jì)為必須值的23倍。當(dāng)環(huán)路中的信號(hào)振幅增加

31、到一定程度后，振蕩器中有源器件存在的非線性會(huì)限制振幅的繼續(xù)增加，使得振蕩器的輸出達(dá)到穩(wěn)定，這是一個(gè)非線性的過程。要使?jié)M足Barkhausen判據(jù)的反饋系統(tǒng)成為一個(gè)實(shí)用的振蕩器，反饋系統(tǒng)必須包含有某種頻率選擇功能，使得該振蕩器僅在我們所需要的頻率處振蕩。這種頻率選擇功能通?？梢圆捎脙煞N方式實(shí)現(xiàn)：一種方式是反饋網(wǎng)絡(luò)采用LC諧振電路，這種振蕩器稱為L(zhǎng)C振蕩器，它是射頻振蕩器中最常采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；另一種方式是使反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益僅在一個(gè)頻率點(diǎn)上滿足Barkhausen判據(jù)，這種方式以環(huán)型振蕩器(Ring Oscillator)最為常見。需要指出的是，Barkhausen判據(jù)僅是實(shí)現(xiàn)振蕩器的必要條件，而

32、不是充分條件。例如一個(gè)反饋系統(tǒng)在頻率為0時(shí)的環(huán)路增益不而且相移等于360?，那么該系統(tǒng)僅處于鎖定狀態(tài)，而不是振蕩狀態(tài)。如前所說，實(shí)用振蕩器的輸出信號(hào)應(yīng)該是穩(wěn)定的周期信號(hào)，因此振蕩器需要滿足穩(wěn)定性條件。所謂穩(wěn)定性條件是指在外因作用下，振蕩器的平衡條件受到破壞時(shí)，振蕩器本身能重新建立起平衡點(diǎn)的 7 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 條件。穩(wěn)定性條件可以分為振幅穩(wěn)定性條件和相位穩(wěn)定性條件。振幅穩(wěn)定性條件是指振幅平衡條件受到破壞時(shí)，振蕩器本身能重新建立起振幅平衡條件。若能建立，則振蕩器仍能保持穩(wěn)定的振蕩。振幅穩(wěn)定性條件的關(guān)鍵是在平衡點(diǎn)附近，環(huán)路增益幅度隨振幅的變化特性具有負(fù)的斜率，即 ?T| ?out|VOUT|?V

33、Q<0 式2-7 其中，VQ振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)的振蕩幅度?？梢越柚趫D2-4來說明振蕩器的振幅穩(wěn)定性條件。該圖表示，環(huán)路增益的幅度隨著振蕩幅度的增強(qiáng)而下降。當(dāng)在某種外因作用下，振蕩器的振蕩幅度減小時(shí)，環(huán)路增益的幅度將大于1，使得振蕩幅度逐漸增加，只有當(dāng)振蕩幅度重新達(dá)到VQ,路增益才下降為1，振蕩器達(dá)到穩(wěn)定；而在外因作用下，振蕩幅度增加時(shí)，環(huán)路增益的幅度將小于1，使得振蕩幅度逐漸減小，只有當(dāng)振蕩幅度重新達(dá)到VQ，環(huán)路增益才上升為l，振蕩器重新達(dá)到穩(wěn)定。因此，振蕩器的振蕩幅度達(dá)到穩(wěn)定的條件是環(huán)路增益幅度隨振幅的變化特性具有負(fù)的斜率。由于前向網(wǎng)絡(luò)一般是由有源器件構(gòu)成的放大器，而有源器件存在的非線

34、性正好使得環(huán)路增益的幅度具有這一特性，因此有源器件具有穩(wěn)定振蕩幅度的作用。 圖2-4穩(wěn)定振蕩器的環(huán)路增益幅度與振蕩幅度之間的關(guān)系曲線 一般只要偏置電路和反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)正確，則|T(?)|作為振蕩幅度的函數(shù)是一 8 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 條單調(diào)下降的曲線，僅在一個(gè)振蕩幅度下, |T(?)|=1，因此振蕩器僅存在一個(gè)平衡狀態(tài)Q。在開始起振時(shí)，|T(?)|>1，振蕩器處于增幅振蕩狀態(tài)，振蕩幅度逐漸增加，直到達(dá)到平衡點(diǎn)Q為止，達(dá)到平衡點(diǎn)后，環(huán)路增益幅度下降為1，使得振蕩器維持穩(wěn)定振蕩。這種振蕩方式通常稱為軟自激，它的特點(diǎn)是不需要外加激勵(lì)，依靠振蕩器內(nèi)部電路的噪聲性能便可自激振蕩。 但在某些情況下，|T

35、(?)|作為振蕩幅度的函數(shù)不是一條單調(diào)下降的曲線，而是先隨著振蕩幅度的增加而增加，達(dá)到最大值后，又開始隨著振蕩幅度的增加而減小，如圖2-5所示。在兩個(gè)不同的振蕩幅度，|T(?)| =1，I=1，因此振蕩器存在兩個(gè)平衡狀態(tài)B與Q，其中平衡點(diǎn)Q滿足振蕩器的振幅穩(wěn)定性條件，是穩(wěn)定平衡點(diǎn)，而平衡點(diǎn)B不滿足振幅穩(wěn)定性條件，在該點(diǎn) ?| ?out|VOUT|?VQ>0 當(dāng)震蕩幅度稍大于VB時(shí)， 環(huán)路增益大于1，成為增幅震蕩，振幅越來越大，最后穩(wěn)定于Q點(diǎn)，反之，當(dāng)震蕩幅度稍小于VB時(shí)，環(huán)路幅度增益將小于1，成為減幅震蕩，振幅越來越小，后停止振蕩，因此B點(diǎn)是不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。由于在振蕩幅度小于VB時(shí)，度小于

36、l，振蕩始終是衰減的，因此這種振蕩器不能依靠?jī)?nèi)部電路的噪聲自行起振，除非在起振時(shí)外加一個(gè)沖擊信號(hào)，使振蕩幅度沖過B點(diǎn)，才有可能激起穩(wěn)定于Q點(diǎn)的平衡狀態(tài)。這種需要外加一個(gè)沖擊信號(hào)才能起振的現(xiàn)象稱為硬自激。通常都應(yīng)該使振蕩器工作在軟自激狀態(tài)，避免其工作在硬自激狀態(tài)。 9 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖2-5 硬自激的振蕩特性 2.2.3LC振蕩器的選擇與論證 LC振蕩器是通過反饋網(wǎng)絡(luò)采用帶通LC諧振電路來實(shí)現(xiàn)頻率選擇功能的，如圖2-6所示。 圖2-6 LC振蕩器的振蕩原理 在這種應(yīng)用中，前饋網(wǎng)絡(luò)H(S)是無條件穩(wěn)定的，在增益下降到l之前，它的相移小于1800，它沒有頻率選擇功能，而且前饋網(wǎng)絡(luò)的單位增益帶寬要

37、大于振蕩頻率，使得在振蕩頻率處，前饋網(wǎng)絡(luò)的相移近似為O。反饋網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)LC諧振回路，它在振蕩頻率處諧振，諧振時(shí)所引入的相移為0，使得整個(gè)環(huán)路的總相移為0，環(huán)路滿足Barkhausen判據(jù)，電路開始起振，而在其它頻率處，反 10 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 饋網(wǎng)絡(luò)貢獻(xiàn)的相移不為0，環(huán)路不滿足Barkhausen判據(jù)，這些頻率成分會(huì)受到衰減，衰減的程度與LC諧振電路的品質(zhì)因子有關(guān)，而靠近諧振頻率處的頻率成分會(huì)對(duì)振蕩器的輸出頻譜產(chǎn)生貢獻(xiàn)，形成一個(gè)擴(kuò)展的頻譜，它反映了振蕩器的噪聲性能。因此，LC振蕩器采用帶通LC諧振電路來衰減振蕩頻率以外的其它頻率成分，從而實(shí)現(xiàn)了頻率選擇功能。根據(jù)實(shí)現(xiàn)思想的不同，LC振蕩器又可

38、分為反饋型LC振蕩器和負(fù)阻型LC振蕩器。 方案一、采用互感耦合振蕩器形式。調(diào)基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時(shí)，振幅比較穩(wěn)定。調(diào)發(fā)電路只能解決起始振蕩條件和振蕩頻率的問題，不能決定振幅的大小。調(diào)集電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，幅度較大諧波成分較小?；ジ旭詈险袷幤髟谡{(diào)整反饋（改變耦合系數(shù)）時(shí)，基本上不影響振蕩頻率。但由于分布電容的存在，在頻率較高時(shí)，難于做出穩(wěn)定性高的變壓器，而且靈活性較差。 方案二、采用電感三點(diǎn)式振蕩。由于兩個(gè)電感之間有互感存在，所以很容易起振。另外，改變諧振回路的電容，可方便地調(diào)節(jié)振蕩頻率，由于反饋信號(hào)取自電感兩端壓降，而電感對(duì)高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，故不能抑制高次諧波的反

39、饋，因此振蕩器輸出信號(hào)中的高次諧波成分較大，信號(hào)波形較差。 方案三、采用電容三點(diǎn)式振蕩器。電容三點(diǎn)式振電路的基極和發(fā)射極之間接有電容 ，反饋信號(hào)取自電容兩端，它對(duì)諧波的阻抗很小，諧波電壓小，因而使集電路電流中的諧波分量和回路的諧波電壓都較小。反饋信號(hào)取自電容兩端，由于電容對(duì)高次諧波呈現(xiàn)較小的容抗，因而反饋信號(hào)中高次諧波分量小，故振蕩輸出波形好。考慮到本設(shè)計(jì)中要求頻帶較寬，輸出波形良好，本設(shè)計(jì)的VCO模塊選用的是西勒振蕩電路，具體實(shí)現(xiàn)如圖2-7所示。 11 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) . . 圖2-7 壓控振蕩器原理圖 晶體管VT1具有放大和穩(wěn)定振蕩幅度的作用，改變加到變?nèi)荻O管D1的控制電壓，就能使振蕩

40、回路的振蕩頻率發(fā)生變化。該電路是屬于電容三點(diǎn)式的改進(jìn)形式，它的主要特點(diǎn)就是與電感L2并聯(lián)一可變電容C5和變?nèi)荻O管D1，這種電路既保持了克拉波電路中晶體管與回路耦合弱的特點(diǎn)，頻率穩(wěn)定性高，又使接入系數(shù)不受影響。所以在整個(gè)波段中振蕩幅度比較平穩(wěn)，這兩點(diǎn)使西勒電路能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)振蕩頻率。VT2為隔離輸出級(jí)。 LC振蕩器的輸出頻率由電感L與電容C的值決定，通過改變L或C可以改變振蕩頻率，利用變?nèi)荻O管可以構(gòu)成壓控振蕩電路，改變加在其PN結(jié)上的反向電壓可以調(diào)節(jié)其容量，從而實(shí)現(xiàn)電壓控制LC振蕩。 方案一：采用手工改變電壓法，在LC振蕩器的諧振回路通過改變變?nèi)荻O管兩端的電壓來改變振蕩器的輸出頻率，達(dá)

41、到壓控振蕩的目的。這種壓控方式電路簡(jiǎn)單，但不利于單片機(jī)的智能控制。 方案二：通過D/A轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生精確的控制電壓，控制變?nèi)荻O管兩端的電壓改變振蕩器的輸出頻率。這種方式的精度取決于D/A轉(zhuǎn)換器的精度。該方式電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多種功能。 方案三：采用鎖相環(huán)頻率合成進(jìn)行壓控控制。鎖相環(huán)頻率合成系統(tǒng)主要由LC壓控振蕩器，相位比較器，環(huán)路濾波器，可編程分頻器，高穩(wěn)定度晶體振蕩器，參考分頻器，中央控制器等組成。該振蕩器的輸出頻率穩(wěn)定度與晶體的穩(wěn)定度相當(dāng)，提高了輸出頻率的穩(wěn)定度，而且可以在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)輸出頻 12 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 率的多種步進(jìn)形式，實(shí)時(shí)顯示輸出頻率等多種功能。 基于上述

42、方案比較和題目的要求，我們采用了如圖2-8的壓控方案。它綜合了方案二和方案三，更好的滿足了題目要求。 圖2-8壓控方式的系統(tǒng)框圖 2.3 整體方案設(shè)計(jì) 圖2-9 數(shù)字顯示電壓控制LC振蕩器系統(tǒng)方框圖 13 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 各部分電路實(shí)現(xiàn)方式分析如下： 1、振蕩器可用集成芯片組成的壓控振蕩器電路實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)使用MC1648，其工作電壓為5V，工作頻率可以從1MHz到150MHz，也可以用分立元件組成的振蕩電路來實(shí)現(xiàn)，例如三點(diǎn)式LC震蕩電路，包括電感三點(diǎn)式LC振蕩電路和電容三點(diǎn)式LC震蕩電路。本設(shè)計(jì)采用電容三點(diǎn)式LC震蕩電路來實(shí)現(xiàn)。 2、壓控電路的實(shí)現(xiàn)可以在LC振蕩器的諧振回路通過改變變?nèi)荻O管

43、兩端的電壓來改變振蕩器的輸出頻率，從而到達(dá)壓控振蕩的目的；也可以通過DA轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生精確的控制電壓，控制變?nèi)荻O管兩端的電壓改變振蕩器的輸出頻率，這種方式的精度取決與DA轉(zhuǎn)換器的精度，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多種功能，但是由于使用單片機(jī)，成本較高；還可以鎖相環(huán)頻率合成進(jìn)行壓控控制，鎖相環(huán)頻率合成系統(tǒng)主要由LC壓控振蕩器、相位比較器、環(huán)路濾波器、可編程分頻器、高穩(wěn)定度晶體振蕩器、參考分頻器、中央控制器等組成，該振蕩器的輸出頻率穩(wěn)定度與晶體的穩(wěn)定度相當(dāng)，提高了輸出頻率的穩(wěn)定度，而且可以在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)輸出頻率的多種步進(jìn)形式，實(shí)時(shí)顯示輸出頻率等多種功能。從實(shí)現(xiàn)容易度和生產(chǎn)成本等諸方面因素綜

44、合考慮，本設(shè)計(jì)采用由電阻和電容構(gòu)成的組容電路濾波器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能，這樣既能使輸出電壓的頻率保持在一定的范圍內(nèi)，又不會(huì)增加太大成本。 3、本設(shè)計(jì)的功率放大電路可以采用丙類功率放大電路來實(shí)現(xiàn)；也可以采用不含調(diào)諧回路的甲類功率放大電路來實(shí)現(xiàn)，其基本特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，在調(diào)試時(shí)只要將晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整好就可實(shí)現(xiàn)放大信號(hào)的目的，而且可以在電壓輸出之前設(shè)計(jì)一個(gè)射極跟隨器電路來隔離輸出。本設(shè)計(jì)采用后一種實(shí)現(xiàn)方式。 4、LED數(shù)字顯示電壓表設(shè)計(jì)制作可由ICL7107構(gòu)成的三位半數(shù)字電壓表電路實(shí)現(xiàn)，滿量程取為200mv。根據(jù)需要可外接分壓電阻擴(kuò)展量程。焊接時(shí)應(yīng)將V+顯示各點(diǎn)（即LED的公共陽極）用短路

45、線連通,并把B點(diǎn)與V短接.需作固定顯示的小數(shù)點(diǎn)DPX（DP1DP3中之一）與印制板的引出端DP相連。 通過測(cè)量輸出電壓間接得出頻率值。也可采用A/D轉(zhuǎn)換專用模塊數(shù)碼顯示頻率值。 14 第三章 單元電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第三章 單元電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S55為核心,由LC壓控振蕩器,鎖相環(huán)頻率合成器,高頻功率放大器,自動(dòng)增益控制電路等電路組成的。系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。 圖3-1 系統(tǒng)框圖 3.1.單片機(jī)小系統(tǒng)電路 本系統(tǒng)以AT89C55單片機(jī)為核心，以4*4鍵盤，LCD液晶構(gòu)成人機(jī)接口，輔助以512K flash 存儲(chǔ)器29C040，內(nèi)裝漢字字庫和圖標(biāo)，圖形等，可以構(gòu)成友好的人

46、機(jī)界面。利用8255擴(kuò)展并口，DS12C887提供系統(tǒng)時(shí)鐘。將片外低32K地址分配給外部程序存儲(chǔ)器28C256，為了使用方便，設(shè)計(jì)成與靜態(tài)RAM62256兼容的方式。系統(tǒng)框圖如下圖3-2所示： 15 第三章 單元電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 圖3-2 單片機(jī)小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 3.2.壓控LC振蕩器電路 壓控振蕩器采用芯片MC1648，變?nèi)荻O管MV2105及電感和少量阻容元件構(gòu)成。外部的并行槽路中，電感用0.8mm漆包線在2mm直徑的圓棒上單層平繞約10匝，然后用高頻Q表測(cè)定其值L并微調(diào)至約2.0H,外接電容C11可由計(jì)算推出，其中CD為變?nèi)荻O管的電容。其電容量與反偏電壓的關(guān)系可用電路進(jìn)行測(cè)試，從掃頻儀輸入0300MHz的信號(hào)，調(diào)節(jié)電位器R3使得加MV2105上的電壓以0.5V為間隔從1V10V變化，觀測(cè)槽路的諧振點(diǎn)頻率并記錄下來，利用Matlab計(jì)算出頻率與容量的關(guān)系，從而得到電壓與容量關(guān)系曲線。 可見，當(dāng)變?nèi)荻O管MV2105的反偏電壓從1V10V變化時(shí)，其容量從16pF36pF變化。當(dāng)f015MHz時(shí)，取CD36pF，外接電容最大值Cmax50pF；此時(shí)減小變?nèi)荻O管CD的偏壓，可使輸出頻率上升