電壓控制LC振蕩器設計

葉雯靜

（重慶能源職業學院，中國 重慶402260）

1 總體設計

根據設計任務要求，為了實現電壓控制LC 振蕩器工作頻率的寬范圍調節和輸出電壓、工作頻率的精確測量，提高工作頻率穩定度、輸出電壓的平坦度及高頻功率放大器的效率，可采用多種方案實現。 本設計著重考慮采用兩個獨立的VCO 振蕩器和寬帶放大器獲得不同波段正弦信號，波段內頻率調節方便，平坦度好，系統不需設置AGC 放大器，設計調試方便。

圖1 系統組成圖

該方案系統結構如圖1 所示。為了達到輸出頻率要求的覆蓋范圍并達到要求的平坦度，本方案采用兩個LC 壓控振蕩器分別構成兩個波段，每個波段的頻率變化范圍相對較窄，容易保證輸出電壓的平坦度，而不需設置AGC 放大器。波段的選擇由單片機根據輸出頻率值用繼電器控制轉換。為提高輸出工作頻率穩定度，采用了鎖相技術，鎖相環的分頻次數由單片機進行程序控制。為使輸出電壓達到設計任務要求，在壓控振蕩器之后分別設置了兩個寬帶放大器，每個寬帶放大器放大一個波段，放大后的信號經緩沖器輸出，對于30MHz 的信號經高頻功率放大器放大輸出。為提高高頻功率放大器的效率采用丙類功率放大器。 為實現輸出頻率的實時測量，其頻率信號從寬帶放大器輸出端采集，并經前置分頻后送入單片機進行測量和顯示。 為實現輸出電壓的實時測量并盡量減少占用單片機口線，輸出的高頻電壓經高頻檢波后由V/F 變換器把電壓信號變換成頻率信號，并送入單片機進行測量和顯示。 考慮到在整個工作頻率范圍內檢波器輸出電壓的不一致性，為了盡可能提高電壓測量精度，單片機將對檢測到的信號進行軟件擬合。 為保證系統關閉后再次開機時仍保持關機前輸出頻率，系統設置了輸出參數記憶電路。為使顯示內容豐富、直觀清晰，顯示部分采用液晶顯示（功能采用中文提示，工作頻率和輸出電壓同時顯示）。

2 主要電路設計與分析

壓控振蕩器及寬帶放大器：

電壓控制LC 振蕩器由兩個壓控振蕩器組成。 其中IC1、T1 等器件組成21MHz～36MHz 振蕩與放大電路，IC2、T2 等器件組成14MHz～23MHz 振蕩與放大電路。 波段的選擇由單片機根據輸出頻率的大小通過繼電器進行控制，振蕩信號經射級跟隨器輸出。 射級跟隨器輸出的信號同時送至鎖相環電路，鎖相環輸出的信號經低通濾波后作為本電路的壓控信號UT。

LC 振蕩器的核心部分是用調頻發射組件芯片MC2833 中的RF振蕩器與外接變容二極管、電感等元件構成的電容三點振蕩器，振蕩信號通過MC2833 中的緩沖器輸出。變容二極管選用MV1401，其標稱電容為550～120pF， 調諧率為10～14， 電容指數為2， 頻率比為3.2～3.7，屬于超突變結調諧二極管，頻率調諧范圍較寬，適合于本課題選用。 為了提高調諧線性和電容調節量，本設計采用每三個變容二極管并聯對接的連接方式。 采用這種連接方式后，變容二極管的電容量可增大三分之一。

圖2 LC 振蕩器與寬帶放大器電路

設高頻段為22MHz～36MHz，中心頻率為30MHz，變容二極管組的電容量為80pF,則由下式可算出所需電感量。

該電感采用0.8mm 漆包線繞制成直徑為5mm 的空心線圈， 線圈匝數為9 匝。

設低頻段（14MHz～23MHz）的中心頻率為18MHz。 同理可算得低頻段振蕩線圈L 的電感量為0.9μH。該電感采用0.8mm 漆包線繞制成直徑為5mm 的空心線圈，線圈匝數為9 匝。

壓控振蕩器輸出的電壓幅度約為220mmVP-P～250 mmVP-P ，為了獲得1VP-P 的輸出電壓， 所需寬帶放大器的電壓放大倍數約為5倍。 寬帶放大器采用3358，其截止頻率為7GHz，完全能夠滿足本設計的要求。 放大器采用一級共發放大器與一級射級跟隨器級聯，不僅能夠滿足增益的要求，同時與后級具有一定的隔離度。

（1）鎖相環電路

上面介紹的壓控LC 振蕩器由于元器件參數將會隨溫度的變化而變化，導致工作頻率不穩定，且無法實現步進控制。為了提高振蕩器的頻率穩定度，實現工作頻率的步進調節，系統采用了鎖相技術，使之構成一個相位負反饋控制系統。 該控制部分的核心器件是MC13111A，MC13111A 中含有時間基準、鑒相器和程控分頻器。 壓控LC 振蕩器輸出的信號送入程控分頻器輸入端（TX VCO），其分頻次數由單片機以串行方式送入Data 端對分頻比進行控制， 分頻器輸出的相位信號θ1（t）與內部產生的相位信號θ2（t）進行比較，輸出一個與相差θ（t）=θ2（t）-θ1（t）成函數關系的誤差信號ud(t)。

圖3 瑣相環電路

誤差信號ud(t)從6 腳輸出送至環路濾波器。 該環路濾波器由無源比例濾波器和RC 積分濾波器級聯構成，具有低通特性。 無源比例濾波器的傳遞函數為：

RC 積分濾波器的傳遞函數為：

式中τ1、τ2、τ3由電路中相應的R、C 元件決定。它們的濾波特性如圖4 所示。

圖4 濾波特性圖

濾波器輸出的直流誤差信號送至直流電壓放大器， 放大10 倍后送至壓控LC 振蕩器。

由式：

可知，若取R1=10K，則RF=100K，R2= R1//RF=9.1K為了提高輸出電壓，運放采用NE5532。

（2）輸出功率放大器

圖5 功率放大器電路

輸出功率放大器電路如圖5 所示，由前置放大電路和丙類功放兩部分組成。 前置級和功放級均以選頻網絡為負載，以便形成匹配和濾波功能，選頻網絡的諧振頻率為30MHz，據此可粗略計算選頻網絡的諧振參數。

根據設計要求為了盡可能提高效率，采用了丙類功率放大器。 功放消耗的電源功率、輸出功率和效率可由下式計算：

其中：γ 為波形系數，在1～2 之間。 ξ 為電壓利用系數。

丙類功放效率較高，理論上可達到90%。 當γ=2 時，效率最高，但這種情況不可取，因為此時沒有功率輸出。為了兼顧功率和效率，并考慮到選頻網絡的損耗，實際效率將低于理論最大值，本設計的實際效率為73%。

（3）前置分頻電路

圖6 前置分頻電路

考慮到單片機的時鐘頻率為12MHz，15MHz～35MHz 的信號不能直接送入單片機進行測量，壓控LC 振蕩器輸出的信號在送入單片機進行測頻之前必須進行預分頻和電平變換。圖6 所示電路為實現前置分頻和電平變換的電路。 MB506 將壓控LC 振蕩器輸出的頻率信號放大整形后進行256 次分頻。 分頻后得到的脈沖信號其幅度為1.5V 左右，經過74HC04 等元件組成的電平變換電路變換成邏輯電平后送入單片機。前置分頻電路輸出的邏輯信號頻率為58kHz～117kHz，周期為17μs～8.5μs。 設測頻時的閘門時間為1 秒，則±1 個字的測量誤差不大于，完全能夠滿足設計要求。

（4）高頻電壓測量電路

高頻電壓測量電路由高頻電壓檢波器、壓頻變換器組成，檢波器輸出的直流電壓經壓頻變換器線性地變換成頻率信號后送單片機，單片機通過測量壓頻變換器輸出的頻率間接測量出被測信號的電壓峰-峰值。考慮到檢波器的非線性，為提高測量精度單片機在顯示結果前，先對測量結果進行適當修正。

高頻電壓檢波電路如圖7 所示，由峰值檢波器、光電偶合差動變換器、直流放大器組成。 檢波二極管用C3358 高頻晶體管構成，該管工作頻率高線性度好，特別適合于高頻檢波。為提高檢波器的性能，檢波管的偏置電壓和檢波結果由TP521-2 雙光電偶合器構成的差動電路實現，檢波器的工作電源由基準電源TL431 提供。采取上述措施后，使得檢波器的輸出電壓非常穩定，漂移很小。 光電偶合放大器輸出的直流電壓經運放LF358 放大后送壓頻變換器進行變換。

圖7 高頻電壓檢波器

圖8 壓頻變換器

壓頻變換電路如圖8 所示。 變換器采用LM331，LM331 線性度好（最大可達0.01%）、溫度穩定度好（達±50×10-6/℃）、脈沖輸出與所有邏輯形式兼容， 因此特別適合作A/D 變換。 由于被測電壓峰-峰值為1Vp-p 時，檢波電路輸出的直流電壓為1V，為了方便單片機測量，壓頻變換器的壓頻變換比設為1V/KHz，即:

其中，IR=10～50μA，t0=1.1RtCt，改變RS可改變電壓頻率轉換比。

（5）單片機最小系統

單片機最小系統電路如圖9 所示， 由89C52 單片機、FM12232B液晶顯示模塊、E2ROM24C01，控制鍵盤和復位電路等組成。 單片機最小系統主要完成頻率測量與顯示、峰值電壓測量與顯示、工作頻率的步進控制、波段自動轉換控制、鎖相環波段控制、工作參數記憶（用24C01 保存）等功能。

3 系統工作原理及軟件設計

軟件設計是實現信號測量、頻率步進控制、提高頻率穩定度的關鍵。 整個軟件由主程序、T2 定時器處理程序、按鍵處理程序三大部分組成。主程序主要完成系統初始化、讀出頻率記憶值、啟動定時器、判斷有無按鍵按下和測量、處理、顯示被測信號頻率及電壓值。 T2 定時器處理程序主要是完成頻率測量所需的1s 閘門控制，保存測量數據。 按鍵處理程序主要是判斷所按下鍵的功能、修改步長、保持當前頻率值。

（1）主程序流程圖(略)

（2）T2 定時器處理程序(略)

（3）按鍵處理程序（略）

圖9 單片及最小系統

4 系統試報告

通過仿真調試，系統運行穩定，性能良好。

［1］尚洪生.現代電子技術應用設計[M].科學技術文獻出版社，2000.

［2］曹龍漢，劉安才.單片機原理與應用[M].重慶通信學院出版社，1998.

［3］樓然苗，李光飛.51 系列單片機設計實例[M].北京航空航天大學出版社，2003.