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电压控制 LC 振荡器摘要本系统以89C51为控制核心，由键控LCD显示、频率合成、功率放大、自动稳幅 控制、电压峰值检测、频率步进与测量显示等功能模块组成系统可以实现：按键选 频或步进为 1MHz 100KHz 和 100KHz 的 12MHz-40MHz 稳定无失真频率输出；对输出 电压峰峰值进行自动稳幅控制并实时检测送LCD显示；采用丙类功率放大电路其输出 效率达 50％；并能对 12MHz-40MHz 范围内各频段进行语音或 TTL 电平调制经测试 指标基本能达到要求一 方案选择与论证1. 振荡控制方式选择方案一：LC谐振法在本振回路中使用LC调谐回路，通过改变L或C的值来改 变本振频率，进而达到频率输出利用 LC 回路易于实现，但是稳定性欠佳，要 做到题目发挥部分要求的各项参数有困难方案二：电压合成谐振单片机各种控制信号经D/A转换后，将得到的调谐电压 送本振回路，通过改变容二极管两端电压来改变本振频率从而实现电压合成谐 振该方式结构简单，信噪比较高，但是由于本振属于开环方式， LC 回路 Q 值 较低，使得频率稳定度不高，另外，由于变容二极管压控特性的非线性，使得控 制电压改变时，各电压控灵敏度不同。

这将对D/A转换器件提出跟高的要求，制 作难度较大方案三：PLL频率合成方式利用锁相频率合成技术，可以获得高稳定度的本振 信号通过改变可编程分频器的预制数值，可以得到一系列的本振信号，此时 本振的稳定度与晶振的频率稳定度相同，而且能在单片机的控制下实现频率步 进输出1MHz + 100K和100K的功能本系统采用此方案2. 锁相环频率合成器的选择方案一：单片集成锁相环L562L562集成锁相环中除了包含有鉴相器（和双平 衡模拟乘法器）和压控振荡器（射极定时多谐振荡器）之外，还有三个放大器（A1.A2.A3）限幅器和稳压电路等器件因此它的环路性能和通用性能的非常好， 是属于通用型的集成锁相环它各集成部件之间有部分连接，能使它完成某几种 功能，但该集成的压控振荡器的频段跨越范围不宽且工作频率最高才可达到 35MHz方案二：吞脉冲式集成锁相频率合成MC145151-2该芯片是一块14位并行码输 入的单模、单片锁相环频率合成器，片内包括一个晶体振荡器的分频器、一个可 编程序分频器、一个鉴相器和锁定检测器采用标准的 CMOS 逻辑参考分频带 有 12 位计数器，参考分频比通过三个输入端控制的存储及编码。

最大可变分频 比为16383，最高工作频率为60MHz该集成配合独立VCO便能满足系统设计的 要求所以本系统选用该集成3. 压控振荡器（VCO）的选择此方案的选择是本系统的重点、难点方案一：采用常规的电容、电感与分立元件组成振荡器它是经典的方法，电路 成熟，材料容量采购，也容易制作成功，但其频率范围只有10M左右难以达到本 题所要求的15M-35M的频率跨越若用级联的方式，则可以满足甚至超出题目所 要求的频段范围，但电路复杂度增加、调试控制难度加大，且最大缺点是它的频率稳定度最高也只能达到10-3,元器件受环境、温度影响较大，未能达到频率高 稳定的要求方案二：选用集成芯片MC1648该IC是单片集成的射极耦合振荡电路，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 压控振荡器其最 高工作频率达225M，接单可调电感即可满足题目所要求的频段跨越，且电路简 单、易于调试，各参数受环境、温度影响较小，频率输出稳定度达10-5、波形无 明显失真综合考虑，本系统采用方案二二、系统简介及单元电路分析1、系统简介该系统由单片机控制、频率合成、压控LC振荡、峰值检测、自动稳幅控制及功 率放大等模块组成。

系统方框图如图 12_1 所示输出图 12_1本系统是通过键盘输入所需要的振荡频率，经单片机运算转换后送频率合成 模块从而控制VCO锁住所需的频率；从VCO输出的信号经稳幅自动控制后送功率 放大输出；同时，从稳幅控制输出的信号经检波电路后送给峰值检测模块对其峰 -峰值进行采样后送单片机比较；并在LCD上显示锁住的频率和电压峰-峰值2、单元电路(一) LC振荡部分1、VCO 中的变容管在 LC 中频率的改变通过改变变容管两端的电压来完成的变容管的电容 随控制电压V的变化而变化，其变化规律如下式所示j (V + V ) n9 rc其中，Cj是变容管的电容；0.65V； vrc是控制电压；K是比例常数；n 称为变容指数目前，国产变容管多数属于突变结型，其n=0.5对于超突变型,其n=l-2Cj的绝对量的大小则由K所决定K代表（% + vrc）=1V时的Cj值若要更大或更小的电容值时可用并联或串联的方法来实现经分析，本系统采用参 数为Av2、VCO的压控非线性系数Kn，及频率的相对覆盖4压控非线性系数Kn定义为du( )mmK min dvK = ―VCO = rc n K max duVCO ( ) maxdvrc它的意义可以从图12-2中看出。

下标min与max分别代表变容管的控制电压Vc位于高端和低端如果Kn =1，则压控曲线是一根直线若Kn工1，说明VCO的压控特性存在非线性；Kn偏离1越大，则非线性越严重合成器中所有的VCO对Kn1 > k 〉1 〜1要求一般为1 - Kn < 2〜4或—n 42Kn值的大小，受以下三方面的影响:（1）变容管的n值；（2）变容管接入振荡回路的方式；（3） vrc的摆动幅度在本系统中，变容管的n值为0.5，以并联的形式接入振荡回路，Vrc的摆动幅度 为 8VVrc图 12-23、 MC1648 的性能与使用MC1648的工作电压为5V,最高工作频率fmax 225MHz电路如图12_3:DO5uV8控制电压AGCO.luMCI 648图 12-3图 12_4电路中变容二极管是双管背对背串联连接,这样使得工作频率范围加宽,压控效果更好；从锁相集成输出控制电压通过1K限流电阻加至两管中间，通过改变其容值进而改变振荡频率；该电路还有 AGC 控制端,通过调节电位器改变 AGC 的电位，则集成内部Q8的基极电位随之变化，振荡幅度也就会不同，经放大输出的波形也不一样,所以也就可以通过该端来调节波形的失真度,使其达到最佳状态。

二）锁相环控制部分对于锁相集成我们选用的是MC145151-2并行输入PLL频率合成芯片该集成芯片带单模预制置计数器接口，分别用 14 条和 3 条并行输入数据线 位N计数器和R计数器编排程序，在特征上本器件包括参考振荡器，可选参考频 率分频器，数字相位检测器和可以编程的除以N的14比特计数器MC145151-2 是 MC145151-1 的性能经过改进的替补产品，功耗已经下降而 ESD 和锁定功能则大有改进由CMOS技术的应用而取得的低功耗，电压范围从3〜 9v同时该集成可以利用三N计数器的输出，单模并行编程用户可以选择的8 个FR 值：8, 128, 256, 512, 1024, 2048, 2410, 8192, -N 选择范围=3 〜16383在其内部“线性化”的数字频率相位检测器的能改进传输函数的线性度，其内 部结构如下图 12-5：图 12-5按方案设计，参考频率f设定为10k,输出频率f0为15MHz_35MHz，可采用 直接分频方式，环路的可编程分频器的分频比N由下式计算得：N 二 o %r计算得最小分频比N mn =1500,最大分频比N max =3500在锁相环路中,环路滤波器的设计是十分重要的。

本系统采用无源比例积分滤波 器,其结构简单,性能稳定,调试方便各个参数计算如下：平均分频比N 二(N + N )/2二 2500min max鉴相器灵敏度K 二V /4n(V 二5V) d DD DD压控灵敏度K 二 2 nAf / AVVCO 0 C（实际测得KVCO二 3.2 x10rad / s.v①二 n 10环路自然谐振角频率| K K①二 d_VCO -n \NC (R + R)R 2 =1.5K为了使环路工作在最佳工作状态，在电路调试时要根据需要对RR2和C的值作适当的调整11来自单片机图 12-61 L N 〕―① R + 环路阻尼系数2 K K 丿d VCO取2 =0.707, C =2.2Uf，根据上两式得 R =10K,三）稳幅自动控制电路电路结构如图 12-7：图 12-7图 12-8由 VCO 送来的信号幅度在几百毫伏之间，要达到输出1 0.1Vpp 的要求，首先要 经由QI、Q2组成的放大射随电路，使电压峰值输出达到lVpp以上DI、D2是 型号为ISV99的PIN二极管，由它组成电调衰减器Q4设计成射随输出电路， 以提高信号输出的驱动能力本单元电路的增益控制在 8-10dB 之间，而电调衰 减的增益在0- -15dB之间，使它留有一定的控制余量。

AGC 控制的电平检测电路，如图 12-9：D3R13R19Q6C124Tu220R12E1T91K丄C1BI 103丁卞1 i-32W5 M+12V口 09103恥C inW7 1K-12VR9200kQ4 \i9oeCIO1029013 '-..Viz QT |~9013F：18Q7C)■•■LA 9013图 12-9由图12-8输出的信号经 C9 耦合到 Q4 组成的射随器，使检测电路与输出有一 定隔离 D3、 D4 为检波二极管，将输出的交流信号整流成直流电平，送到差分 电路的 Q5 管的基极， Q6 的基极接有从 W6 送来的直流电压，它可调整 AGC 控制 信号的基准电平、控制输出信号的幅度经实际测量Q2的发射静态电压在6.0V， D1、D2的控制电压变化0.5V，其输出信号的变化量在0-12dB之间，为此电平检 测电路应输出的电平在6.50V到6.00V之间四）电压峰值检测由图12-8放大电路输出的信号经射极跟随器后输出幅度lVpp左右的交流 信号直接给DI、D2检波二极管检波，再经2K限流电阻后送A/D转换集成采样； 经多次采样后所得的数据送给单片机进行比较，然后取其平均值，再送LCD显示。

在本电路中我们采用型号为MAX192的A/D转换集成该集成有8路输入， 10bit的转换精度，其最大优点是数据的串行输出，与单片机连接的总线只有四 条，为单片机大大节省了 I/O 口电路如图12-10：（五）功率放大部分对稳幅输出的 30MHz 正弦信号的功率放大，我们设计了一个单点频的三级放 大电路如图 12-10：图 12-10第一级由Q1采用2SC1907作为高频放大，第二级Q2采用8050作前置功放, 第三级同样也采用 8050 作末级功放由于输入信号将近1Vpp,为了获得足够大的推动信号，第一级采用高增益的 单调谐负载，电容C6直接耦合输出，发射级增加了 R3的交直流负反馈，提高了本级工作的稳定性，本级的增益控制在 12db 左右；第二级放大器作为前置功放， 要求它。