2003 A题 电压控制LC振荡器 作品01.docVIP

摘要 本电压控制LC振荡器系统包括压控振荡器（VCO）、数字锁相环（PLL），单片机（MCU）嵌入式系统，高频功率放大器（RFAMP）。本系统的VCO部分采用了大变化范围的变容二极管做振荡电容，频率调节范围宽，在输入电压从0.5V变化到8V时，输出频率可以从14MHz变化到39MHz，且能保持良好的线性度，振荡环路加入了防振措施，高次谐波能得到很好的抑制，输出的正弦波波形良好，纯度高，失真低，幅度高且稳定。由于采用了数字锁相技术，使VCO的频率稳定度和精度极高，步进值可以在1KHz到1MHz内任意设置（最小为1KHz），为了实际使用方便和考虑到题目要求，本设计的步进值置为100KHz。本系统使用单片机控制，从操作的灵活性和可靠性方面考虑，仅置了三个按键，省去了繁杂的程序调试，也不用担心程序会跑死。显示部分采用串行输出静态显示方式，可以节省大量硬件资源和软件资源，且静态显示亮度高稳定。因为VCO输出的幅度高，固高频功率放大器（RFAMP）只设计两级，输入级是选频电压放大，谐振在30MHz；输出级由于接成E类开关型放大器，搭接50欧负载时输出大功率和高效率的30MHz高频信号毫不费力。 一、总体方案设计 1、方案论证与比较 （1） LC压控振荡器电路的选择 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 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。 （2）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）??????????????图2 （B） 图2（C） ? 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. 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。