电压控制LC振荡器.docx
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电压控制LC振荡器
中北大学
《电子线路》
课程设计说明书
学生姓名：
吴董会学号：
04062403X35
学院：
信息商务学院
专业：
通信工程专业
题目：
电压控制LC振荡器
指导教师：
辛洁职称:
助教
鲁旭涛助教
2007年1月25日
中北大学
《电子线路》课程设计任务书
2006/2007学年第一学期
学院：
信息商务学院
专业：
通信工程
学生姓名：
吴董会学号：
04062403X35
课程设计题目：
电压控制LC振荡器
起迄日期：
1月15日～1月26日
课程设计地点：
通信工程专业实验室
指导教师：
辛洁鲁旭涛
系主任：
赵冬娥
下达任务书日期:
2007年1月15日
课程设计任务书
1．设计目的：
1）综合运用所学的理论知识，掌握一般电子线路分析和设计的基本方法和步骤；
2）培养一定的独立分析问题、解决问题的能力；
3）实践利用PROTEL99SE软件绘制电子线路原理图；
4）学会说明书的规范整理和书写。
2．设计内容和要求
名称：
电压控制LC振荡器
要求：
1．振荡器输出为正旋波，波形无鸣谢失真
2．输出频率范围：
15MHZ~35MHZ。
3．输出频率稳定度：
优于0.01
4．输出电压峰值：
Vpp=1V+0.1V
5．实时测量并显示振荡器输出电压峰值，精度优于10%。
6．可实现输出频率步进，步进间隔1MHZ+100MHZ。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：
1）课程设计说明书一份；
2）电子文档一份
课程设计任务书
4．主要参考文献：
1毕满清主编．电子技术实验与课程设计.第3版.北京：
机械工业出版社，2005
2陈晓文主编．电子线路课程设计.第1版.北京：
电子工业出版社，2004
5．设计成果形式及要求：
1）用计算机仿真PROTEL99SE软件制图；
2）课程说明书用计算机打印，并装订；
6．工作计划及进度：
2007年1月15日~1月16日分析设计任务书，查阅相关资料及设计手册；
2007年1月17日~1月20日确定系统方案，组成模块框图，设计各模块电路；
2007年1月21日~1月23日分析电路各参数及其特性并绘制电子线路原理图、
2007年1月24日~1月25日按格式要求撰写课程设计说明书
2007年1月26日成绩考核
系主任审查意见：
签字：
年月日
目录
1引言：
......................................................1
2设计任务及要求：
............................................1
3LC压控振荡器电路的原理及选择：
.............................1
4系统简介：
..................................................4
4.1系统组成：
...............................................4
4.2系统工作过程简介：
........................................5
5压控LC振荡器电路设计（vco电路）：
........................6
6峰值检测电路：
...........................................6
7高频功率放大电路的设计：
..................................7
8测试方法与测试数据：
.....................................8
8.1测试仪器：
...............................................8
8.2测试指标：
................................................8
8.3数据的测量及计算：
......................................8
9心得体会：
................................................9
10参考文献：
...................................................................10
1.引言
随着人们生活水平的不断提高和电子科技的飞速发展，特别是近年来物质生活水平的提高，人们相互之间交往所利用的通信手段也越来越多，人们不断追求生活方式的多样化和个性化；电子科学的发展尤其是无线通信的快速发展给人们工作和生活注入了新的色彩；人们可以随心所欲地享受着无线通信工具所带来的乐趣。
实验和课程设计都是电子技术基础课程中重要的实践性环节，对培养学生理论联系实际的能力起重要作用。
本次课程设计的宗旨是：
教学基本要求，结合目前学校课程设计的实际需求。
便宜学生做答，有利于学生的能力培养。
LC振器是高频中的中要部分，这个设计有利于让学生更好的巩固知识，对LC振荡器有更好的了解。
2.设计及要求
名称：
电压控制LC振荡器
要求：
振荡器输出为正旋波，波形无鸣谢失真
输出频率范围：
15MHZ~35MHZ。
输出频率稳定度：
优于0.01
输出电压峰值：
Vpp=1V+0.1V
实时测量并显示振荡器输出电压峰值，精度优于10%。
可实现输出频率步进，步进间隔1MHZ+100MHZ。
3.LC振荡器电路的原理及选择
正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。
反馈式三端LC振荡器比较常用的电路形式又可以分为两大类：
电感反馈式三端振荡器与电容反馈式三端振荡器。
电感反馈振荡电路容易起振，但电感反馈支路为感性支路，对高次谐波呈现高阻抗，故对回路中的高次谐波反馈较强，波形失真较大；另外，由于两个电感元件上的分布电容并联于电感元件的两端，工作频率越高，分布电容的影响也愈严重，这就使得电感反馈式三端振荡电路的工作频率不能太高。
电容三端振荡器的优点是输出波形较好，该电路中的不稳定电容（分布电容，器件的结电容等）都是与该电路并联的，因此适当加大回路电容量，就可以减弱不稳定的分布电容对振荡频率的影响，提高了频率稳定度。
在这里，我们选择了电容三端振荡器。
电容三端振荡器交流等效电路如图1所示。
图1电容三端振荡器交流等效电路
此电路为西勒振荡器，该电路具有频率稳定度好，振荡频率较高，波段范围内幅度比较平稳等优点。
其中振荡频率由C3、C4和L决定，频率计算公式为：
实际上为了能用电压控制频率，C4用变容二极管来代替。
（1）高频功率放大电路的选择：
高频功率放大器要求能实现对30MHz选频放大，由于功率要求是20mW且设计的VCO输出波形幅度高,我们只设置两级放大，一级为电压放大级，一级为功率输出级。
电压放大级采用普通的选频放大器，谐振于30MHz。
输出级有几种形式：
1、直接放大，如图2（A）。
2、推挽式功率放大，如图2（B）。
3、开关功率放大，如图2（C）。
图2（A） 直接放大 图2（B）推挽式功率放大
图2（C）开关功率放大
图2（A）直接放大型工作于丙类（高频功率放大器一般不工作在甲类或乙类），静态工作点较高，在没有信号输入时仍要消耗一定的功率，效率极低。
丙类放大器单管工作，其高次谐波丰富，尢其是在高次谐波中，二次谐波幅度较高。
对于选频功率放大器来说，高幅度的二次谐波吸收了一部分的功率，不利于基波的放大和效率的提高，所以此方案不予采用。
图2（B）用两只三极管接成推挽式功率放大器，这种电路也叫做D类放大器，靠两只管子轮流导通完成正负半周的放大。
该电路静态电流可以置得很小或是完全截止，效率可以做得很高，按理论值，D类放大器的效率可达100%（在低频时）。
但是实际上，推挽功率放大器在开关转换的瞬间是存在着较大的导通电流，有一定的功耗，而且功耗随着开关频率的升高而不断地增大，这就使功放的频率上限受到限制了。
一般此种功率放大器用于较低频率的放大上,比如调幅广播的发射,而对于30MHz的频率,我们不采用.
图2（C）是开关式功率放大器，也叫E类放大器,它和D类放大器一样管子是工作在开关状态。
在晶体三极管导通和断开瞬间,由于电感L2的作用,避免产生大的电压或电流,这就减小了器件的开关功耗,效率也得到了提高。
这种放大器的主要问题是,由于晶体管工作在开关状态,对于连续变化的正弦波,通过开关转换后,出来的是失真的断续的波形；电感L2一般较大，它的存在会降低放大器的速度，但是可以证明,通过在后面搭接适当的LC滤波和匹配网络，可以还原出原始的正弦波信号，也可以使它的瞬态响应达到最隹。
放大30MHz的信号丝毫没有问题。
经过考虑，我们采用了这种开关型功率放大器.
（2）频率控制方式的选择。
设计要求振荡器的频率要用电压来控制，可以采用变容二极管代替振荡回路中的振荡电容，通过改变加在变容二极管两端的反向偏压来改变管子的结电容，从而改变电路的振荡频率。
只要我们能控制VCO的输入电压，就可以控制振荡器的振荡频率。
我们有以下几种控制方案。
方案一：
利用电位器分压电路。
通过改变电位器的分压比来改变变容管的反向偏压，从而改变振荡器的振荡频率。
该电路的优点是电路结构简单，容易制作。
但是电位器很难实现对频率的精确控制，且电位器容易磨损，噪声大，受温度的影响也大。
方案二：
利用DAC芯片输出控制电压。
通过单片机输出数据经D/A器件转换成模拟电压控制振荡器的频率。
此电路控制的振荡器频率值的步进精度取决于D/A器件的转换精度。
该电路的结构也比较简单，频率调节是数码控制，可以大大减小噪声。
但是本设计的压控振荡器是用分立元件做成，并不是理想中的压控振荡器，由于存在温度漂移，晶体管直流电位会随温度发生移动，输出频率也就随着发生变化，在固定的VCO输入电压上，输出频率值是有一定的波动的，使得从DAC输出的数据与实际输出的频率不能一一对应。
DAC的调节作用要经过单片机的运算处理，这样就有一个延时的过程，导致频率的自动调整滞后，所以此方案不予采用。
4.系统简介
4.1系统组成
本系统主要由单片机控制系统、数字锁相环路、功率放大电路、峰值检测电路等电路构成，系统框图如图3所示
图3 系统框图
4.2系统工作过程简介：
图中PD部分集成了R分频器和N分频器，R和N均受单片机控制。
基准频率是4.096MHz，为了达到步长100KHz的步进值，我们选取R=2048，得到步长Δf=2KHz，那么，只要N每增加50，就能得到100KHz的步进值。
25MHz的频率对应的N值为12500，35MHz的频率对应的N值为17500，15MHz的频率对应的N值为7500，我们设置的开机频率为25MHz，以后只要按开关S1，N值就增加50，也就会使输出频率增加100KHz，按S2可使频率变低。
从VCO出来的调频信号通过分频器加到单片机的计数器进行计数器，用于测量VCO的频率。
在这里，单片机系统实际上作为第二级PLL环路。
它把测量到的VCO频率值和预定的频率值比较，得出的差值再加到N的值上以进一步使频率改变，直到测量的频率和预定的频率值相等，这样更使输出的频率精度更高更稳定。
峰值检测电路包括峰值检波哭和A/D转换器，峰值检波器把高频率信号转换成直流电平送入A/D转换器转成数字量，再送到LED显示。
功率放大器负责放大30MHz信号以满足要求。
5．压控LC振荡器电路设计（vco电路）
如前所述，主振电路采用西勒振荡电路，其交流等效电路如图1所示。
完整的振荡电路如图4所示
图4 压控LC振荡器VCO电路
变容二极管D1工作时需要一定的直流反向偏压，在图4中加入C4，避免了电感L2对D1的直流短路作用。
为了加强振荡器驱动负载的能力，减弱后级电路对主振回路的干扰，在振荡回路的输出端加入一级射级跟随器。
本电路的电压输入要求是1V到8V，变容管的参数是30PF—430PF，按图中电路参数算，该振荡器输出频率可从14MHz变化到39MHz，完全可以满足题目的要求。
6.峰值检测电路
VCO的输出信号经峰值检波电路之后转换成直流电平，通过ADC0809进行模数转换，送入单片机
图5 峰值检测电路
7、高频功率放大电路的设计
由于要求输出的有效功率大于等于20mW，为了兼顾功率放大器的输出功率Po和效率η，采用E类开关型功率放大器（见图6），电路分两级，前级主要进行电压放大兼起选频作用，后级开关管用高频管C535或9018均可，后面接入LC网络起到选项频和阻抗匹配的作用。
同时，为了适应不同的负载，功率输出部分采用双端输出形式：
一端为直接输出见图10的A端，用于接纯电阻负载。
另一种是感性输出见图10的B端，用于接容性负载。
图6 30MHz功率放大器
8．测试方法与测试数据
8.1、测试仪器
TDS2002型数字示波器.
3515A型数字频率计.
+5V、+12V稳压直流电源.
高频数字毫伏表.
8.2、测试指标
（1）VCO输出频率范围的测量
用电位器构成分压电路，调整变容二极管两端的反向偏压，测得在输出波形没有明显失真的情况下,振荡频率跟随输入反向电压变化的情况如下表所示：
变容管反向偏压（V）
8
7
6
5
4
3
2
1
0.5
振荡器输出频率（MHz）
39.79
38.49
35.74
29.78
24.4
20.74
17.59
16.79
14.9
可见压控主振级振荡输出信号频率范围足够宽
（2）.输出电压峰峰值的测量
用TDS2002型数字示波器直接检测振荡器输出信号的峰峰值得1.14V.
（3）.输出频率步进的测量
从按键到系统稳定，单步调节间隔为100kHz。
（4）.接锁相环时VCO输出频率范围的测量
通上电源复位，锁相环预置值为25MHz
按S2减小频率，最小可以小到17.12MHz
按S1增加频率,?
最大可以增到40.23MHz
由结果知道频带上移了。
在变容二极管上并上一小容量的电容器后再测,最小频率降为14.21MHz,最高频率降为36.43MHz..
功率测量：
调整频率到30MHz，测得空载电压有效值为2.6V。
8.3、数据的测量及结果
4m接50Ω纯电阻负载时功率放大器输出功率与效率的测量。
用交流毫伏表测得电阻两端有效电压值为1.6V,计算得功率为54w.
负载改为50Ω电阻与20pF电容串联时输出有效功率与功率放大器效率的测量,用交流毫伏表测得电阻两端有效电压值为1.2V,计算得功率为28.8mW。
9.心得体会
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.
回顾起此次课程设计，我感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力
在这次设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤指导下，终于顺利完成。
在次我表示衷心的感谢！
10．参考文献
[1]毕满清主编．电子技术实验与课程设计.第3版.北京：
机械工业出版社，2005
[2]陈晓文主编．电子线路课程设计.第1版.北京：
电子工业出版社，2004
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