电压控制LC振荡器设计

叶雯静

（重庆能源职业学院，中国 重庆402260）

1 总体设计

根据设计任务要求，为了实现电压控制LC 振荡器工作频率的宽范围调节和输出电压、工作频率的精确测量，提高工作频率稳定度、输出电压的平坦度及高频功率放大器的效率，可采用多种方案实现。 本设计着重考虑采用两个独立的VCO 振荡器和宽带放大器获得不同波段正弦信号，波段内频率调节方便，平坦度好，系统不需设置AGC 放大器，设计调试方便。

图1 系统组成图

该方案系统结构如图1 所示。为了达到输出频率要求的覆盖范围并达到要求的平坦度，本方案采用两个LC 压控振荡器分别构成两个波段，每个波段的频率变化范围相对较窄，容易保证输出电压的平坦度，而不需设置AGC 放大器。波段的选择由单片机根据输出频率值用继电器控制转换。为提高输出工作频率稳定度，采用了锁相技术，锁相环的分频次数由单片机进行程序控制。为使输出电压达到设计任务要求，在压控振荡器之后分别设置了两个宽带放大器，每个宽带放大器放大一个波段，放大后的信号经缓冲器输出，对于30MHz 的信号经高频功率放大器放大输出。为提高高频功率放大器的效率采用丙类功率放大器。 为实现输出频率的实时测量，其频率信号从宽带放大器输出端采集，并经前置分频后送入单片机进行测量和显示。 为实现输出电压的实时测量并尽量减少占用单片机口线，输出的高频电压经高频检波后由V/F 变换器把电压信号变换成频率信号，并送入单片机进行测量和显示。 考虑到在整个工作频率范围内检波器输出电压的不一致性，为了尽可能提高电压测量精度，单片机将对检测到的信号进行软件拟合。 为保证系统关闭后再次开机时仍保持关机前输出频率，系统设置了输出参数记忆电路。为使显示内容丰富、直观清晰，显示部分采用液晶显示（功能采用中文提示，工作频率和输出电压同时显示）。

2 主要电路设计与分析

压控振荡器及宽带放大器：

电压控制LC 振荡器由两个压控振荡器组成。 其中IC1、T1 等器件组成21MHz～36MHz 振荡与放大电路，IC2、T2 等器件组成14MHz～23MHz 振荡与放大电路。 波段的选择由单片机根据输出频率的大小通过继电器进行控制，振荡信号经射级跟随器输出。 射级跟随器输出的信号同时送至锁相环电路，锁相环输出的信号经低通滤波后作为本电路的压控信号UT。

LC 振荡器的核心部分是用调频发射组件芯片MC2833 中的RF振荡器与外接变容二极管、电感等元件构成的电容三点振荡器，振荡信号通过MC2833 中的缓冲器输出。变容二极管选用MV1401，其标称电容为550～120pF， 调谐率为10～14， 电容指数为2， 频率比为3.2～3.7，属于超突变结调谐二极管，频率调谐范围较宽，适合于本课题选用。 为了提高调谐线性和电容调节量，本设计采用每三个变容二极管并联对接的连接方式。 采用这种连接方式后，变容二极管的电容量可增大三分之一。

图2 LC 振荡器与宽带放大器电路

设高频段为22MHz～36MHz，中心频率为30MHz，变容二极管组的电容量为80pF,则由下式可算出所需电感量。

该电感采用0.8mm 漆包线绕制成直径为5mm 的空心线圈， 线圈匝数为9 匝。

设低频段（14MHz～23MHz）的中心频率为18MHz。 同理可算得低频段振荡线圈L 的电感量为0.9μH。该电感采用0.8mm 漆包线绕制成直径为5mm 的空心线圈，线圈匝数为9 匝。

压控振荡器输出的电压幅度约为220mmVP-P～250 mmVP-P ，为了获得1VP-P 的输出电压， 所需宽带放大器的电压放大倍数约为5倍。 宽带放大器采用3358，其截止频率为7GHz，完全能够满足本设计的要求。 放大器采用一级共发放大器与一级射级跟随器级联，不仅能够满足增益的要求，同时与后级具有一定的隔离度。

（1）锁相环电路

上面介绍的压控LC 振荡器由于元器件参数将会随温度的变化而变化，导致工作频率不稳定，且无法实现步进控制。为了提高振荡器的频率稳定度，实现工作频率的步进调节，系统采用了锁相技术，使之构成一个相位负反馈控制系统。 该控制部分的核心器件是MC13111A，MC13111A 中含有时间基准、鉴相器和程控分频器。 压控LC 振荡器输出的信号送入程控分频器输入端（TX VCO），其分频次数由单片机以串行方式送入Data 端对分频比进行控制， 分频器输出的相位信号θ1（t）与内部产生的相位信号θ2（t）进行比较，输出一个与相差θ（t）=θ2（t）-θ1（t）成函数关系的误差信号ud(t)。

图3 琐相环电路

误差信号ud(t)从6 脚输出送至环路滤波器。 该环路滤波器由无源比例滤波器和RC 积分滤波器级联构成，具有低通特性。 无源比例滤波器的传递函数为：

RC 积分滤波器的传递函数为：

式中τ1、τ2、τ3由电路中相应的R、C 元件决定。它们的滤波特性如图4 所示。

图4 滤波特性图

滤波器输出的直流误差信号送至直流电压放大器， 放大10 倍后送至压控LC 振荡器。

由式：

可知，若取R1=10K，则RF=100K，R2= R1//RF=9.1K为了提高输出电压，运放采用NE5532。

（2）输出功率放大器

图5 功率放大器电路

输出功率放大器电路如图5 所示，由前置放大电路和丙类功放两部分组成。 前置级和功放级均以选频网络为负载，以便形成匹配和滤波功能，选频网络的谐振频率为30MHz，据此可粗略计算选频网络的谐振参数。

根据设计要求为了尽可能提高效率，采用了丙类功率放大器。 功放消耗的电源功率、输出功率和效率可由下式计算：

其中：γ 为波形系数，在1～2 之间。 ξ 为电压利用系数。

丙类功放效率较高，理论上可达到90%。 当γ=2 时，效率最高，但这种情况不可取，因为此时没有功率输出。为了兼顾功率和效率，并考虑到选频网络的损耗，实际效率将低于理论最大值，本设计的实际效率为73%。

（3）前置分频电路

图6 前置分频电路

考虑到单片机的时钟频率为12MHz，15MHz～35MHz 的信号不能直接送入单片机进行测量，压控LC 振荡器输出的信号在送入单片机进行测频之前必须进行预分频和电平变换。图6 所示电路为实现前置分频和电平变换的电路。 MB506 将压控LC 振荡器输出的频率信号放大整形后进行256 次分频。 分频后得到的脉冲信号其幅度为1.5V 左右，经过74HC04 等元件组成的电平变换电路变换成逻辑电平后送入单片机。前置分频电路输出的逻辑信号频率为58kHz～117kHz，周期为17μs～8.5μs。 设测频时的闸门时间为1 秒，则±1 个字的测量误差不大于，完全能够满足设计要求。

（4）高频电压测量电路

高频电压测量电路由高频电压检波器、压频变换器组成，检波器输出的直流电压经压频变换器线性地变换成频率信号后送单片机，单片机通过测量压频变换器输出的频率间接测量出被测信号的电压峰-峰值。考虑到检波器的非线性，为提高测量精度单片机在显示结果前，先对测量结果进行适当修正。

高频电压检波电路如图7 所示，由峰值检波器、光电偶合差动变换器、直流放大器组成。 检波二极管用C3358 高频晶体管构成，该管工作频率高线性度好，特别适合于高频检波。为提高检波器的性能，检波管的偏置电压和检波结果由TP521-2 双光电偶合器构成的差动电路实现，检波器的工作电源由基准电源TL431 提供。采取上述措施后，使得检波器的输出电压非常稳定，漂移很小。 光电偶合放大器输出的直流电压经运放LF358 放大后送压频变换器进行变换。

图7 高频电压检波器

图8 压频变换器

压频变换电路如图8 所示。 变换器采用LM331，LM331 线性度好（最大可达0.01%）、温度稳定度好（达±50×10-6/℃）、脉冲输出与所有逻辑形式兼容， 因此特别适合作A/D 变换。 由于被测电压峰-峰值为1Vp-p 时，检波电路输出的直流电压为1V，为了方便单片机测量，压频变换器的压频变换比设为1V/KHz，即:

其中，IR=10～50μA，t0=1.1RtCt，改变RS可改变电压频率转换比。

（5）单片机最小系统

单片机最小系统电路如图9 所示， 由89C52 单片机、FM12232B液晶显示模块、E2ROM24C01，控制键盘和复位电路等组成。 单片机最小系统主要完成频率测量与显示、峰值电压测量与显示、工作频率的步进控制、波段自动转换控制、锁相环波段控制、工作参数记忆（用24C01 保存）等功能。

3 系统工作原理及软件设计

软件设计是实现信号测量、频率步进控制、提高频率稳定度的关键。 整个软件由主程序、T2 定时器处理程序、按键处理程序三大部分组成。主程序主要完成系统初始化、读出频率记忆值、启动定时器、判断有无按键按下和测量、处理、显示被测信号频率及电压值。 T2 定时器处理程序主要是完成频率测量所需的1s 闸门控制，保存测量数据。 按键处理程序主要是判断所按下键的功能、修改步长、保持当前频率值。

（1）主程序流程图(略)

（2）T2 定时器处理程序(略)

（3）按键处理程序（略）

图9 单片及最小系统

4 系统试报告

通过仿真调试，系统运行稳定，性能良好。

［1］尚洪生.现代电子技术应用设计[M].科学技术文献出版社，2000.

［2］曹龙汉，刘安才.单片机原理与应用[M].重庆通信学院出版社，1998.

［3］楼然苗，李光飞.51 系列单片机设计实例[M].北京航空航天大学出版社，2003.