电压控制振荡器Word格式.docx
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知识能力
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研究方案的
设计能力
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研究方法和手段的运用能力
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20
外文应用
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设计论文35%
写作水平
论点鲜明；
论据充分；
条理清晰；
语言流畅。
15
写作规范
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用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合标准。
论文篇幅
5000字左右。
实评总分成绩等级
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说明：
评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90—100分记为优秀，80—89分记为良好，70—79分记为中等，60—69分记为及格，60分以下记为不及格。
第1章绪论
1.1振荡器的发展现状：
如果说电子系统的头脑是处理器，那么它的心脏就是能提供系统时序的频率控制器，这两者都是实现整体功能的重要部件。
当前，市场对频率控制部门的要求基本上同对整个电子行业的相一致，即高性能、多功能、小型封装、低功耗、低价格和更短的设计周期。
在快速的技术发展浪潮面前，领先的半导体公司所做出的努力自不必说，而时序振荡器及其他时序元件的设计和制造者也在力求能跟上这种趋势。
1.2压控振荡技术的现状：
随着电子行业的发展，振荡器逐步向集成化，小型化，较高的频率及动态范围和低功耗。
同时也要顾及控制方便及性价比高等各方面的原因，同时各公司也正在这些方面发展，因此大量的高性能压控振荡器也相应的投入市场，但是振荡器的发展空间却远远达不到要求，因为现在越来越多的电子成品都要用到控制脉冲，而这些脉冲都是由振荡器产生的，所以在振荡器，特别是压控振荡器的发展却还有很大的市场，所以压控振荡器在未来市场上还有较大的发展空间。
1.3选题意义:
根据题目要求要实现一个频带较宽的振荡器，并且还要有较高的频率稳定度，还要实现步进从而我觉得采用压控振荡器为较好的选择。
同时要顾及时间，性价比和我们所学的知识来说我觉得该电路是最佳选择。
1.4本设计的工作:
一、设计目的
1、巩固模拟电子技术基本知识，综合运用所学知识；
2、掌握模拟电子线路的调试方法，增强工程实践能力和综合分析问题的能力；
3、掌握数字电子系统控制的方法。
二、设计要求
1、任务
设计并制作一个电压控制LC/RC振荡器。
2、要求
（1）不可采用单片集成电路实现；
（2）振荡器输出为正弦波，波形无明显失真。
（3）输出频率范围：
1kHz～1MHz。
（3）输出频率稳定度：
优于10-2。
（4）输出电压峰-峰值：
Vp-p=1V±
0.1V。
（5）实时测量并显示振荡器输出电压峰-峰值，精度优于10％。
（6）可实现输出频率步进，步进间隔为100Hz。
三、设计时间
设计准备阶段时间：
2008年1月——2008年上学期16周
设计准备阶段任务：
完成电路的设计和仿真调试（用EDA或Multisim8或Protel或Pspice完成仿真调试；
若无仿真调试结果不能进入实际调试阶段）
实际调试阶段时间：
2008年暑假
（1）2008年上学期16周开始自行采购元器件。
（2）焊接电路及调试时间：
二周
（3）演示时间：
一天
设计报告撰写时间：
设计调试结束——2008年9月30日前
第2章硬件部分简介
2.1具体方案论证与设计:
本电路基本上可分为压控振荡器，锁相环电路，峰值检测电路以及显示电路四大主要电路，但其中还有一些滤波电路和放大电路在具体运用时会简单的提到，下面我就简单的介绍一下这四大电路的具体方案与论证。
一、振荡器的方案选择：
为实现题目要求我考虑了三个比较好的方案：
方案一：
采用克拉泼电路来实现，该电路振荡频率比较稳定，但其频率覆盖范围较窄，一般为1.2-1.3.若要实现这么大的范围可能要用到好几段。
而且该振荡在一个较宽的波段内其输出幅度不均匀，频率升高后不易起振，因此不采用该方案。
方案二：
采用桥式RC振荡器，该电路频率刚好达到题目要求，而且相对lC振荡器来讲在实际电路中会更好调试，但是频率稳定度不高，且由于频率范围太宽，RC振荡器要分几档，这样较难实现100HZ步进，故不采用此方案。
方案三：
采用高稳定度的西勒电路，该电路容易起振，振荡频率也比较稳定，当参数设计得当时，覆盖范围可达到1.4-1.6.因此只需2到3段就可实现。
电路要求频率覆盖范围要广所以采用该电路来实现。
正弦压控振荡电路（VCO）的论证
选用西勒振荡电路作为VCO。
这种电路的特点是：
振荡频率由C3、C4决定，但反馈系数由C1、C2决定，解决了基本三点式振荡设计中存在的改变振荡频率必改变反馈系数的矛盾。
综合考虑稳幅输出和调谐方便，本设计选用变容二极管取代C4实现本系统核心模块VCO）。
控制电路的选择：
采用手工改变电压法,在LC振荡器的谐振回路通过改变二极管两端的电压来改变振荡器的输出频率,达到压控振荡的目的,该电路简单,但产生的正弦波稳定性较差，调节频率易受外界环境变化的影响,而且不利于实现步进.故在此不采用.
通过D/A转换器,产生精确的控制电压,控制变容二极管两端的电压改变振荡器的输出频率,该方式电路结构简单,比较适合单片机实现多种功能,但这种方式的精度取决于D/A转换的精度,且频率稳定性较差易受外界影响的缺点，故不采用此方案。
采用锁相环频率合成器进行压控控制，该电路调节频率方便，可以较好的实现步进，而且输出频率稳定度与晶体的稳定度相当,提高了输出频率的稳定度。
所以该电路采用这种方案。
三、峰值检测电路：
采用专用的峰值检测芯片来实现峰值检测。
但是这种方法要采用专用的芯片，因此价格较高而且可能芯片不是很容易找到。
采用二极管包络检波法来实现。
这种电路比较简单而且实现较为方便价格也比较实惠，所以这这里我们选用此电路来实现。
四、显示电路：
采用模/数转换电路并实行译码转换，然后加上驱动电路驱动数码管使之正常的显示。
但这种电路比较复杂，实现比较麻烦而且价格也比较贵，所以本电路不采用此方案。
方案二、
采用专业的显示模块，即ICL7107.该电路可以直接的显示一个直流电平，而之前我们使用峰值检测电路已经将信号转换为了直流电平，而且这种芯片比较便宜，电路实现比较简单，采用此种方案还是能满足我们电路的要求，所以在本电路中我采用此方案来实现这个电路。
2.2主控芯片的简介
显示电路芯片ICL7107简介：
该芯片内含模/数转换，译码和驱动电路，可以较好的实现一个直流电平的显示电路。
芯片的各引脚为右图：
锁相环电路芯片cd4046的简介：
CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器,必须外接电容C1和电阻R1作为充放电元件。
当PLL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2。
由于VCO是一个电流控制振荡器,对定时电容C1的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比,使VCO的振荡频率亦正比于该控制电压。
当VCO控制电压为0时,其输出频率最低;
当输入控制电压等于电源电压VDD时,输出频率则线性地增大到最高输出频率。
VCO振荡频率的范围由R1、R2和C1决定。
由于它的充电和放电都由同一个电容C1完成,故它的输出波形是对称方波。
一般规定CD4046的最高频率为1。
2MHz（VDD=15V）,若VDD<
15V,则fmax要降低一些。
频率合成器芯片cd4522简介：
Cd4522主要是实现频率的合成，运用四块4522可以实现从1kHZ到1MHZ的频率范围，而且可以实现较好的步进电路。
LM324的简介：
该芯片是由四块集成运放合在一块上的，并且价格比较实惠，只用一组电源供电，大大的节省了空间和电源的利用率。
第3章各个电路的原理
振荡电路的原理：
该电路才用最基本的西勒电路来实现正弦波的产生，并且西勒电路有较好的频率稳定度，该电路的振荡频率：
f=1/[2π（LC）1/2]
其中c由c7和变容二极管串联而成，即C=C7CD/C7+CD，而电感L分为L2,L3,L4三段所以在计算时应注意。
其中C4为变容二极管cd。
它具有随它两端的的电压的改变而改变电容值的特性。
下面是它的工作原理：
变容二极管是整个选频网络的关键元件，也是决定整个VCO工作性能的关键元件。
由频率的计算公式很容易看出，C4变化范围的大小决定了VCO的覆盖系数（覆盖系数的定义为：
VCO输出的最高频率/VCO输出的最低频率）。
在参考了大量变容二极管参数后，本系统选用MMBV109作为C4。
它的变化范围是6～40pF：
适合的工作频率在1MHz以下，完全可满足本系统的需要。
设计时考察了变容二极管的Cj-Vc控制特性曲线如图4。
在图中可发现反偏电压较小的一段是电容量变化较大的一段。
但是当反相控制电压值较小时，叠加上高频的振荡电压，有可能使单个二极管工作在正向导通状态，而使VCO无法正常工作。
为了能够利用曲线中电容量变化较大的一段，本设计的变容管采用面对面连接方式。
见图5。
采用这种连接方式，使得每只变容二极管承受的高频电压减小一半，在改善VCO线性度的同时延展了变容管的有效工作范围。
所以在电路中通过改变电路中变容二极管的电压从而实现改变频率的范围。
下面是具体的电路：
原理图：
仿真图：
峰值检测电路的原理：
该电路是利用二极管的包络检波法将正弦波信号的峰峰值检测出来，该电路中还使用了集成运放配合二极管来实现峰值的检测。
同时运用了一个同相比例运放来实现功率的放大作用，经实验证明该电路可以将正弦波变成一个直流电平。
下面是原理图和仿真图：
电路的原理图：
锁相环电路的原理：
首先是其工作原理图：
锁相环基本原理
一个典型的锁相环（PLL）系统，是由鉴相器（PD），压控荡器（VCO）和低通滤波器（LPF）三个基本电路组成，如图1，
Ud=Kd（θi–θo）UF=UdF（s）
θi
θo
当然本电路也不例外，本电路利用CMOS固有的低功耗、宽工作电源、集成度高等特点，可以设计出性能良好、使用方便的锁相环单片电路。
其中CD4046是一种能工作在1MHZ以下的通用PLL产品，它广泛应用于通信计算机接口领域。
图8示出CD4046的电路方框功能图。
在这个单片集成电路中，内含两个相位比较器，其中PD1是异或门鉴相器；
PD2是边沿触发式鉴相器。
另外电路中含有一个VCO，一个前置放大器A1，一个低通滤波器输出缓冲放大器A2和一个内部5V基准稳压管。
从图8可看出，引脚（16）是正电源引入端；
（8）脚是负电源端，在用单电源时接地；
（6）脚，（7）脚外接电阻C67；
（11）脚外接电阻R11和C67决定了VCO的自由振荡频率；
（12）脚外接电阻R12，它用作确定在控制电压为零时的最低振荡频率fomin;
（5）脚为VCO禁止端，当（5）脚加上“1”电平图8CD4046原理图
（即VDD）时，VCO停止工作，当为“0”
电平（即VSS）时，VCO工作；
（14）脚是PLL参考基准输入端；
（4）脚是VCO输出；
（3）是比较输入端；
（2）和（13）脚分别是PD1和PD2的输出端；
（9）脚是VCO的控制端；
（10）是缓冲放大器的输出端；
（1）脚和
（2）脚配合可做锁定指示；
（15）脚是内设5V基准电压输出端
CD4522是可预置数的二一十进制1/N减计数器。
其引脚见附录。
其中D1-D4是预置端，Q1—Q4是计数器输出端，其余控制端的
功能如下：
PE（3）=“1”时D1—D4值置进计数器EN（4）=“0”且CP（6）时，计数器（Q1—Q4）减计数；
CF（13）=“1”且计数器（Q1—Q4）
减到“0”时，QC（12）=“1”图171——9KHz频率合成器
Cr（10）=“1”时，计数器清零。
（1）单片4522分频器，如图18拨盘开关为BCD码开关，如当数据
窗口显示“3”时则A和“1”“2”
相连；
当显示“5”时，则A和“1”
“4”相连，其余类推。
4个100K
电阻用来保证当拨盘开关为某脚不
和A相连，也就是悬空时，为低电平。
工作过程是这样的：
设拨盘开关拨
到“N”，当某时刻PE（3）=“1”，
图18单片4522分频
则N置到IC内的计数器中，下一个CP来时，计数器减计数变为N-1，……，一直到第N个CP来时，计数器为0。
这时由于CF（13）=“1”，∴QC（12）=“1”，也即PE（3）=“1”又恢复到开始状态，开始一个新的循环。
很显然，每来个N个CP，QC（12）就会出现一个高电平，也就是QC（12）应是CP的N分频信号。
2、用四片4522组成1——999KHZ频率合成器
如图，最终应做到拨盘开关的数值是多少，VCO输出信号的频率就是多少KHz。
该电路采用锁相环芯片cd4046和频率合成芯片cd4522共同来实现频率的步进和提供给变容二极管一个控制电压。
下面是这个电路的电路图：
其中晶振用来提供一个100HZ的参考频率，拨盘开关可以实现1KHZ到1MHZ的频率调节，并可以实现100HZ的步进。
单片CD4522频率合成器。
显示电路的工作原理：
ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。
它包含31/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。
这里我们介绍一种
这里我们介绍一种她的典型应用电路–数字电压表的制作。
其电路如附图。
制作时，数字显示用的数码管为共阳型，2K可调电阻最好选用多圈电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻。
本电路就是采用这组专用的电压显示芯片组成，因为该电路包括了模/数转换电路和译码驱动电路，利用他可以直接驱动四个七段数码管的电压显示，所以该电路可以接到峰值检测电路的后面，直接将直流电平显示出来
第四章结论
由于水平有限，时间仓促，所以在本设计中有许多的不足之处，其最大的优点是频率精确高，稳定度高等。
本设计中的不足与改进建议：
（1）本设计存在的缺点是自动增益控制电路，通过反馈来自动调节系统增益，使输出电压峰峰值稳定在1V左右但幅度还是不很稳定。
。
因此，可以考虑采用数字程控增益放大器
（2）对于不同频率段的波形采用不同的滤波器，输出波形还是有失真，可以通过提高系统中滤波器的阶数来改善输出信号的失真度。
（3）通过这次实验使我了解到了自己的不足，同时也加强了自己动手能力，但实验并不令我满意，在今后的日子中我将会更加的努力学习好专业知识，增强自己的动手能力。
参考文献
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ChinaMachinePress
[13]
[14]
致谢
本设计到最后能够调试成功，与我的指导老师汪鲁才、兰浩的精心辅导是离不开的，在此感谢汪鲁才、兰浩两位导师对我的细心栽培。
另外还要感谢邓海涛老师以及杨小钨老师，因为他们的建议打开了我的思路，让本设计进一步得到完善。
还有我要感谢我的合作伙伴龚威武、彭俊敏的积极配合，以及班上向我提供技术帮助同学。
附带：
原件采用表，题目要求：
原件采集表
原件名称
数量
单价
总计
电路板（大）
1
8
电路板（小）
4
ICL7107
16
CD4046
3.5
CD4522
3
9
LM324
BCD拨盘开关
七段数码管
（MAN6710）
2
三级管1815
0.5
变容二极管
扼流圈
可调电容器
可调电阻器
2.5
集成块插槽（40脚）
集成块插槽（16）
0.2
连接线（捆）
电阻若干
电容若干
二极管
总计：
61.5元
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