电压控制振荡器.pdf

校园电子方案设计与论证题目要求设计并制作一个2 0 6 0 M H z 的压控振荡器属于宽带振荡器如何实现稳频和稳幅是题目的重点与难点电路应包括振荡稳频稳幅测量显示及控制单元1 . 振荡器的选择方案一 采用单管电感三点式振荡器 电感三点式振荡器使用可变电容可以方便地改变振荡频率 输出频率变化范围较大但其反馈取自电感支路对高次谐波阻抗较大滤波性能不理想波形较差且频率稳定度低输出幅度在波段内起伏较大方案二 采用电容三点式振荡器 电容三点式振荡器输出频率稳定度高振荡波形好输出幅度变化不大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频率覆盖度通常为1 . 2 1 . 8 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可靠性降低方案三 采用差分对管振荡器此种振荡器的L C 谐振回路直接接入有源放大部分振荡频率只与回路参数有关受外电路影响小 选取大变比的变容二极管与适当的电感值即可达到题目要求采用集成的差分对管振荡器M C 1 6 4 8 可以更方便地实现题目要求且集成器件内部参数比较一致可以利用对管的对称性减少高次谐波该器件内部还集成了 A G C 可以提高输出幅度的平坦度综上所述我们优先选取方案三2 . 频率合成方式的选择方案一 手动电压控制方式 以手动方式调节电位器 改变变容二极管的偏压改变频率此方法操作简单但无法精确控制振荡频率方案二 数字电压合成方式 由单片机系统通过D / A 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 锁相环 P L L频率合成方式 此方案为闭环控制采用石英晶体振荡频率作为基准源可使频率稳定度达到1 05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比较三种方案优先采用方案三3 . 峰值检测与稳幅电路的选择方案一 专用检测芯片A D 8 3 1 0 测峰峰值送单片机进行比较以控制数控可变增益放大器A D 6 0 5由于输出信号与测量值成对数关系测量精度不是很高同时放大器性能不理想故此方案不予采用方案二 二极管峰值检波测峰值 模拟乘法器调节增益检波输出电压与比较反馈电路一起控制宽频带模拟乘法器达到控制增益的目的 此方案精度较高 但电路复杂 成本高方案三 通过外接电路改变振荡器自动增益控制电路参数稳定输出幅度此方案简单有效且可靠性高故采用方案三4 . 显示方式的选择方案一 采用普通L E D 显示 其优点是操作方便 但显示信息及功能少且耗电量大方案二 采用液晶 L C D显示 界面形象清晰 内容丰富可显示复杂字符且耗电少故优先采用5 . 总体设计由以上方案论证可得出系统基本方框图如图1 所示单元电路1 . L C 振荡电路采用集成差分对管振荡器M C 1 6 4 8 与L C 谐振回路组成振荡器原理图见图2 图中第一部分Q 9 Q 1 1 组成直流馈电电路第二部分是振荡器部分Q 6 Q 8 及外接L C 并联回路构成差分2 0 0 4 年吉林省大学生电子设计竞赛电压控制振荡器F 题吉林大学 李一石 何良宗 万云霞摘要 本系统主要由电源 锁相环振荡器和稳幅电路三部分组成 实现了题目给定的基本要求 并出色地完成了设计任务的发挥部分电路采用单片集成振荡器M C 1 6 4 8变容二极管等组成压控振荡器产生正弦波利用单片机8 9 C 5 1 控制集成锁相环B U 2 6 1 4 进而控制压控振荡器得到高频率稳定度的输出信号利用振荡器内部A G C 电路自动控制振荡器增益稳定输出幅度采集并显示输出信号幅度键盘预置频率值以及振荡频率步进值能根据需要设置不同的步进值采用液晶显示输出频率峰峰值界面友好并有效降低系统功耗多路输出的电源装置供给系统稳定运行所需各类电源制作工艺特点是高频及部分低频电路采用印刷电路板 减小分布参数以及介质损耗对系统工作稳定性的影响 采用集成锁相环芯片进行振荡频率闭环控制频率输出稳定度大大提高校园电子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 此外 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Q 4 对振荡输出电压进行放大Q 2Q 3 组成共射共基放大电路后经射级跟随器 Q 1 输出第四部分为反馈稳幅Q 5 组成直流负反馈电路当振荡输出电压增大时Q 5 集电极直流电压减小使差分振荡器电流源Q 8 电流减小限制输出电压的增大提高输出幅度的稳定性振荡器输出频率式中Ci是1 6 4 8 第1 0 和第1 2 脚间的输入电容分布参数典型值为 6 p F 可以看到振荡频率除了受分布参数的影响以外几乎只与谐振回路参数有关 消除了单管振荡器耦合电容的影响使可变电容的变比基本保持不变为实现压控振荡采用变容二极管代替谐振回路中的电容实际电路如下将两支变容二极管背靠背连接既增大了电容变化范围改善了线性度又进一步减小了分布参数的影响变容二极管选用K V 1 5 6 0 结电容变化范围2 8 p F 8 V4 7 0 p F 1 V, 配合1H 左右的空心电感即可覆盖2 0 6 0 M H z 控制电压经过5 1 k电阻加在变容二极管负级 改变反向偏置电压即可得到不同的输出频率振荡器输出接由C 9 0 1 8 组成的射级跟随器增大前后级隔离度提高带载能力2 . 锁相环频率合成电路1锁相环基本原理 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V C O可编程数字分频器N鉴相器P D 和低通滤波器L F如图4 所示起始状态压控振荡器自由振荡如果环路得到信号鉴相器将对基准信号f r 和输入信号f i f o / N 的相位进行比较 产生误差电压 该误差电压经过环路滤波器滤除高频分量后 控制压控振荡器的振荡频率 跟踪基准信号频率及相位 使两个信号的频率和相位差减小 当f i f r 时, 相位差为恒定值,误差电压将保持不变, 压控振荡器的输出频率f o Nf r称为锁定状态由于环路的自动控制作用将使压控振荡器的输出信号频率 跟踪 基准信号频率 同时由于分频式设计f o 的抖动f 经 N 次分频后到达鉴相器降低了对V C O 的稳定性要求通过改变N 分频器的分频比即可得到不同的频率输出 选用高稳定度的晶体振荡器可得到同样稳定度的输出频率锁相环相位模型及传递函数如图5假定鉴相器特性为正弦形可得到环路的开环传递函数闭环传递函数以及误差传递函数等为环路直流增益环路开环传递函数环路闭环传递函数环路误差传递函数误差传递函数又可表示为锁相环采用集成锁相芯片B U 2 6 1 4 其最高工作频率达到1 3 0 M H z 内部集成了晶体振荡器参考分频器鉴相器和N图 1图 2图 3图 4图 5校园电子分频器实际电路如图 6 外接 7 5 k H z 石英晶体通过内部参考分频器可得到最小为1 k H z 的频率步进 单片机通过串行数据控制N 分频器在图6 中 C E 为使能端高电平有效C L K 为时钟输入端在每次时钟后沿到来时锁相环从数据输入端采集一次数据D A T A 为 3 2 位串行数据输入端2 锁相环B U 2 6 1 4 的数据分析 该锁相环是3 2 位串行数据输入方式其前十六位为数据后十六位为功能控制代码d a t a = d0 d1 d2 d3d1 4 d1 5 d1 6 P0 P1 P2 * * * * C t R0 R1 R2 S P s * G t T s各数据位功能如下P 0 P 1 P 2 : 此三位为输出引脚控制位C t 频率测量控制位R 0 R 1 R 2 : 此三位是标准频率数据控制位S 调频调幅切换0 表示是调频1 表示是调幅P s : A M 吞咽计数器G t : 锁相环锁定指示位T s : 测试数据位 工作时置0D a t a 0 D a t a 1 5 f o / ( 2 f r )例如当取频率步进为5 k H z 输出频率为3 0 M H z 时D a t a 0 D a t a 1 5 3 0 M H z / ( 2 5 k H z ) 3 0 0 0 ( D ) B B 8 ( H )3 低通滤波器 低通滤波器环路滤波器形式和参数的选取是整个锁相环电路设计与调试的关键 在压控振荡器和检波器设计确定的情况下 环路滤波器的传递函数直接决定了整个环路的传递函数从而在很大程度上决定环路的噪声捕获和跟踪性能等B U 2 6 1 4 鉴相器的输出经隔离电阻接至低通滤波器 由于压控振荡器的变容二极管控制电压需要1 9 V 同时为了简化电路 便于调试 采用晶体管组成的一阶R C 低通滤波器电路如图73 . 稳幅放大电路利用M C 1 6 4 8 内部自动增益控制电路A G C外接可调电阻改变 A G C 电路控制电压从而调节 A G C 达到稳幅输出电路如图84 . 控制显示电路显示部分 显示电路是很重要的人机界面 在显示电路中我们没有选择普通的数码管显示 而是优先采用了能够显示复杂字符的5 7 点阵液晶显示器1 6 0 2此显示界面分为上下图 7两行 上一行为稳幅输出的电压值- V p p下一行为频率值显示与数码管相比其优点是功耗低显示形象直观人机界面友好控制部分键盘输入频率值经单片机处理后送锁相环控制锁相环的频率步进自动手动频率输出达到智能控制目的单片机控制部分图9 为硬件控制电路框图软件流程如图1 0 所示由于采用先进的集成振荡器得到了高稳定度与高可靠性的压控振荡器达到技术指标要求并有所超过采用外电路进行稳幅还可以得到不同的输出幅度专家点评 采用集成振荡芯片 利用片上的反馈稳幅单元外部只用了一个膜式电位器 无需切换电感即可获得高的频率变化比 6 5 . 5 / 1 3 . 5 5 同时达到了题目要求的稳幅效果 电路简单可靠且有效电路布线考虑到高频电路特性 采用分频式锁相环技术控制V C O 获得高稳定度小步进频率的输出信号频率稳定度1 05最小频率步进 1 k H z 方案与关键技术都具有鲜明的特色图1 0图 8图 9图 6。