电压控制LC振荡器本系统以单片机AT89C55为核心，采用电感反 馈LC振荡器，利用分波段方式进行频率范围扩展， 采用D/A直接控制和锁相控制两种方式对压控 LC振 荡器进行控制。系统还组合了自动增益控制电路，测 频测幅电路，高频功率放大器电路等单元电路。锁相 环的实现，减小了步进间隔，提高了输出频率的稳定 度；自动增益控制单元，使输出信号的峰-峰值稳定 在1V左右；测频测幅单兀完成了实时显示信号频率 和幅度的功能；功率放大单元对固定的30MHz信号 进行功率放大，且可以在50八纯阻和容性负载实现 20mW 功率输出，具有较高的效率。整机指标达到 了题目的基本设计要求和扩展设计要求，整机性能基 本满足设计要求。一.方案论证与比较1丄C振荡器的选择与论证方案一一 :米用电容反馈的Clapp和Siler振荡器。振荡器是依 靠电容产生反馈电压的，线路简单，工作频率高，波形好。方案二：采用电感反馈振荡器。它是依靠电感产生反馈电 压。电路简单，容易起振。工作频段较电容反馈振荡器宽1。基于上述考虑及题目的具体要求，我们选用方案二。注：1引自高频电路原理与分析P104西安电子科技大学出 版社曾兴雯等2. 压控方式的选择与论证方案一：采用手工改变电压法，在LC振荡器的谐振回路通过 改变变容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。这种压控方式电路简单，但不利于单片机的智能控制。方案二：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。这种方式的精度取决于D/A转换器的精度。该方式电路结构简单，可利用单片机实现多种 功能。方案三：采用锁相环频率合成进行压控控制。锁相环频率合成 系统主要由LC压控振荡器，相位比较器，环路滤波器，可编程分频器，高稳定度晶体振荡器，参考分频器，中央控制器等组成。该振 荡器的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，而且可以在单片机的控制下实现输出频率的多种步进形式，实时显示输出频率等多种功能。基于上述方案比较和题目的要求，我们采用了如图1-1-1的压 控方案。它综合了方案二和方案三，更好的满足了题目要求。图1-1-1压控方式的系统框图单元电路的分析与实现本系统以单片机AT89S55为核心，由LC压控振荡器，锁相环频率 合成器，高频功率放大器，自动增益控制电路等电路组成的。系统框图 如图1-1-2所示。锁相环部分图1-1-2系统框图1.单片机小系统电路本系统以AT89C55单片机为核心，以4*4键盘，128*64点阵 液晶构成人机接口，辅助以512K flash存储器 W29C040 ,内装汉 字字库和图标，图形等，可以构成友好的人机界面。利用8255扩展 并口，DS12C887提供系统时钟。将片外低32K地址分配给外部程 序存储器28C256，为了使用方便，设计成与静态RAM62256兼容 的方式。系统框图如下图1-1-3所示：.下载可编辑.图1-1-3小系统的结构框图2.压控LC振荡器电路O我们采用了电感反馈振荡器。电路图如1-1-4所示图1-1-4 压控LC振荡器变容二极管是该振荡器的关键元件，我们利用电路试验了手头 有的变容二极管，在其他条件不变的情况下测量，测试数据如下表1-1-1所示表 1-1-1 （单位 MHz）:型号最咼频率最低频率带宽V10141.025.815.2V14932.311.021.3V14734.326.18.291045.030.015.0C13F22.516.75.8223644.635.69.0虽然V149能够覆盖所有的频率范围，但电路在低端产生的二 次谐波导致波形明显失真。由于谐波在要求输出的频率范围之内 ， 所以不能被滤波器滤除。综合考虑，选择V101作为最终方案。采用V101时，我们绕了两个线圈，测试数据如下表1-1-2所示表 1-1-2 （单位 MHz）最咼频率最低频率带宽线圈一37.322.6514.65线圈二23.314.58.8由上表可见，只要线圈调整适当，两个档位完全可以覆盖15-35MHZ的频率范围。在实际应用中，只要简单的增加若干线 圈，就可以达到扩展频率范围的目的。3. 锁相环频率合成电路MC145152 2芯片是摩托罗拉公司生产的锁相环频率合成器专用芯片。MC145152 1芯片的改进型。MC145152 2芯片具有下列主要特征：(1) 它与双模(P/( P+ 1)分频器同时使用，有一路双模分频 控制输出MC。当MC为低电平时，双模分频器用(P+ 1)去除；当 MC为高电平时，双模分频器用模数P去除。(2) 它有A计数器和N计数器两个计数器。它们与双模(P/( P + 1)分频器提供了总分频值(NP + A)。其中，A、N计数器可 预置。N的取值范围为31023 , A的取值范围为063。A计数器 计数期间，MC为低电平；N计数器计数(N A)期间，MC为高 电平。(3) 它有一个参考振荡器，可外接晶体振荡器。(4) 它有一个R计数器，用来给参考振荡器分频，R计数器可预 置，R 的取值范围：8 , 64 , 128 , 256 , 512 , 1024 , 1160 , 2048。(5) 它有两路鉴相信号输出，其中，R、用来输出鉴相误差信 号，LD用来输出相位锁定信号。MC145152 2的工作原理：参考振荡器信号经R分频器分频 后形成fR信号。压控振荡器信号经双模 (P/( P+ 1 )分频器分 频，再经A、N计数器分频器后形成 fv信号，fv = fvCo/(NP + A)。fR信号和fv信号在鉴相器中鉴相，输出的误差信号(R、V)经低通滤波器形成直流信号，直流信号再去控制压控振荡器的 频率。当整个环路锁定后，fv = fR且同相，fvco =( NP + A) fv =( NP + A) fR,便可产生和基准频率同样稳定度和准确度的任意频率。锁相环频率合成器选用芯片 MC145152 2。晶振选用6.4MHz 的晶体，它的频率稳定度较高，可达10 6。低通滤波器选用运放芯 片OP27;由于锁相环工作频率不是很高且步进间隔为100KHZ ,无需使用双模分频器即可以达到题目要求。所以我们选用 SN74LS112,分频数P= 2;压控振荡器选用压控LC振荡器。取fvco =30MHz,P =2，晶体频率6.4MHz,R计数器取次128分频，于是fR = 6.4MHz/128 = 50kHz,N P = fVCO / f r = 30MHz /50kHz = 600,N = fVCO /(P fj = 600/2 =300N =300 =(100101100)2,R 的取值=128, RA2RA0 为 011 ,N 的取值=300 , N9 N。为 100101100。R计数器、N计数器，各管脚接地为逻辑0,悬空为逻辑1。运放芯片OP27构成了有源比例积分滤波器，如图1-1-5所 示。在设计时首先选择合适的电容C,然后，再根据 s、N、Kv、Kd和E计算R1和R2的值。图1-1-5环路滤波器R = Kv /（N ：C）R2 = 2 /（ nC）式中，Kv为压控振荡器电调灵敏度（rad/sV）; Kd为比相器灵敏度，Kd = Vdd / 2 n,VDD是运放的工作电压（Vdd = 5V） , Kd单 位取V/rad ; N为总分频次数；E为锁相环路的阻尼系数，E的合适 取值范围是在0. 51. 0之间，通常选择最佳起始点E=0.707;n 为环路自然谐振角频率，3n值的选择将直接影响环路滤波特性和捕 捉时间，为了保证环路对噪声有较好的抑制，3n应该远小于鉴相频 率3d ,通常可按式（3）选择3n =3d/（ 30 1000 ） ,（ 3）当噪声来源于参考频率和分频器时，3n可以选择得小些；当噪声来 源于压控振荡器时，3n可选择得大些。具体计算如下：Kd = Vdd /( 2 n) 5/( 2 n).796V / rad ,N=30MHz/100KHz=300二 0.707n 二 2fR/50 二 6.28 50kHz/50 二 6280rad /s=4 107rad /sV,选择C = 0.1F,则& = KvKd /(N ：C)二 0.796 4 107 /(300 1 10-7 62802) = 6.7kR2 = 2 /( nC)二 2 0.707/(6280 1 10 2.2k1故：R1选用6.8KQ电阻，R2选用2.2KQ电阻。在实际调试过程中我们对电阻值做了微调，使其性能达到最好。U1接前置分频器1去环路谑波器F-IN去环路滤波器述走R1*S1d1 16斗厂55462627MOD0SC-0 OSC-IN际|RA1RA2C10VORLDMOD-CMC14515211N0/12N1/13M2 /14N3 /15N4 /16N5/17146/18N7/19N3/20H9 /23A0/21A1/22A2/24A3 /25A4 /10肋/NON1N2N3N4N5 隔N7N3N9分频控制图1-1-6锁相环频率合成电路锁相环频率合成的核心芯片 MC145152的实现电路如图1-1-6所示。其中频率控制端可以由单片机或拨码开关控制，实现输出频率控制4. 高频功率放大器电路高频功率放大器的设计需要先考虑晶体管的选择。通常在选择过程中晶体管的极限参数将是选择的主要依据这些参数包括：集电极最大允许电流，反向击穿电压，二次击 穿，集电极最大允许损耗功率，晶体管的安全工作区等。根据工作 频率和输出功率的要求，采用共发射极电路，设计工作在临界状态。电路图如图1-1-7所示R3王R415C5图1-1-7高频功率放大器根据匸.10f,f =30M Hz,因此选择的晶体管的特征频率fT . 300MHz。根据对输出功率的要求，同时考虑到集电极效率通常大于50%，故以晶体管的最大耗散功率PcM 20mW。集电极给定的电源电压为12V，因此由1 1Ec = () BVceo23来确定必须的BVceo。根据上述要求及高频晶体管的参数(参阅有关晶体管手册)，初步选定高频小功率三极管3DG81B。其参数为：(1) fT -1500MHz(2) FCM =300mW(3) I cm - 300mA(4) hfe 35(5) BVceo 45V基本上满足题目的要求。在选择好晶体管后，最关键的就是功放管集