電壓控制LC振蕩器報告

1、武漢理工大學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合訓(xùn)練與設(shè)計課程設(shè)計說明書目 錄摘 要IAbstractII1. 系統(tǒng)設(shè)計11.1設(shè)計要求11.2設(shè)計思路11.3方案比較與論證11.3.1振蕩電路方案選擇11.3.2 控制電路設(shè)計方案21.4 系統(tǒng)整體設(shè)計32 單元電路設(shè)計42.1 壓控振蕩器的設(shè)計42.1.1 振蕩電路原理42.1.2 西勒振蕩器電路52.1.3 電壓控制LC振蕩電路52.2功率放大器設(shè)計72.3 峰-峰值檢測顯示電路的設(shè)計82.4單片機(jī)控制模塊設(shè)計93.軟件設(shè)計114總體電路圖145 仿真結(jié)果155.1 VCO振蕩電路仿真結(jié)果155.2 峰峰值檢測電路仿真結(jié)果155.3 頻率步進(jìn)波形仿真165.

2、4 功率放大仿真結(jié)果175.5 峰峰值顯示176 心得體會18參考文獻(xiàn)19附錄一20摘 要本設(shè)計描述了電壓控制LC振蕩器的設(shè)計思路，實現(xiàn)的方法及測試方法和測試結(jié)果。本設(shè)計采用西勒振蕩器作為振蕩器的主體部分，解決了基本三點式振蕩設(shè)計改變振蕩頻率必改變反饋系數(shù)的矛盾，通過改變變?nèi)荻O管兩端的電壓來調(diào)節(jié)振蕩器輸出頻率實現(xiàn)輸出在15MHz-35MHz范圍內(nèi)可變，通過VCO改變頻率實現(xiàn)頻率合成并穩(wěn)定頻率，通過功率放大器使電路輸出電壓控制在1V。設(shè)計以單片機(jī)為控制核心，實現(xiàn)頻率和電壓值的實時測量及顯示并控制頻率步進(jìn)。本電路在調(diào)頻部分為提高輸出頻率精度，采用單片機(jī)控制主振器參數(shù)，根據(jù)產(chǎn)生不同的頻率范圍控制不

3、同的主振器參數(shù)而達(dá)到提高精度和穩(wěn)定度的目的。關(guān)鍵詞: VCO 單片機(jī) 變?nèi)荻O管IAbstractThis design describes the voltage control oscillator design idea of LC, the realization method and the test method and test results. This design uses the Seiler oscillator as the main part of the oscillator, the basic three point type oscillating desi

4、gn changes the oscillation frequency will change the contradiction of feedback coefficient, voltage by changing the variable capacitance diode ends to adjust the output frequency oscillator output in the range of 15MHz-35MHz variable, through VCO realize the frequency synthesis and frequency stabili

5、ty, control in 1V through the power amplifier circuit to make the output voltage. The design of single-chip microcomputer as the control core, real-time measurement and display to realize the frequency and voltage value and frequency step. The circuit in the FM part in order to improve the precision

6、 of output frequency, using single-chip control of the main isolator parameters, according to the different frequency control master oscillator with different parameters and to improve the accuracy and the stability of.Key words: VCO MCU DIODE II1. 系統(tǒng)設(shè)計1.1設(shè)計要求（1）任務(wù) :設(shè)計并制作一個電壓控制LC振蕩器。 （2）要求: 1 振蕩器輸出為

7、正弦波，波形無明顯失真。 2 輸出頻率范圍：15MHz35MHz。 3 輸出頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于。 4 輸出電壓峰-峰值：Vp-p=1V±0.1V。 5 實時測量并顯示振蕩器輸出電壓峰-峰值，精度優(yōu)于10。 6 可實現(xiàn)輸出頻率步進(jìn)，步進(jìn)間隔為1MHz±100kHz。 1.2設(shè)計思路根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，擬采用基于單片機(jī)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)可分為三大部分：電壓控制LC振蕩源電路、鎖相環(huán)穩(wěn)頻步進(jìn)電路和單片機(jī)控制的測控和顯示電路。首先VCO振蕩器采用分立元件構(gòu)成的電容三點式西勒振蕩電路，控制部分采用單片機(jī)來完成，結(jié)合AD測量出電壓的峰峰值，DA來提供對VCO的控制電壓并利用液晶顯示模

8、塊顯示輸出電壓峰-峰值，另利用鍵盤模塊來完成對頻率的步增步減功能。1.3方案比較與論證1.3.1振蕩電路方案選擇LC振蕩器的輸出頻率由電感L與電容C的值決定，通過改變L或C可以改變振蕩頻率，利用變?nèi)荻O管可以構(gòu)成壓控振蕩電路，改變加在其PN結(jié)上的反向電壓可以調(diào)節(jié)其容量，從而實現(xiàn)電壓控制LC振蕩。方案一：采用分離元件構(gòu)成壓控振蕩器電路，主要由變?nèi)荻O管MV209構(gòu)成西勒振蕩電路。其結(jié)構(gòu)簡單，但由于使用分立元件組成，電感量及其它阻容元件的參數(shù)計算復(fù)雜，調(diào)試較困難。方案二：采用集成的壓控振蕩器電路，如圖1.2所示，選用壓控振蕩器芯片MC1648，其工作電壓5V，工作頻率可從1.0MHz150MHz，

9、需要外接一個并行的LC槽路，另外，MC1648內(nèi)部有放大電路和自動增益控制，可以實現(xiàn)輸出頻率穩(wěn)幅，射極跟隨器有隔離作用，可減小負(fù)載對振蕩器工作狀態(tài)的影響。圖1.2 方案二壓控振電路綜上所述,雖然采用壓控振蕩器芯片調(diào)試簡單,但是這次課程設(shè)計是基于multisim仿真軟件的仿真設(shè)計，multisim中沒有MC1648這個芯片，因此選擇方案一。1.3.2 控制電路設(shè)計方案系統(tǒng)的控制電路完成輸出頻率控制，顯示控制，鍵盤控制等。方案一：采用單片機(jī)控制，靈活方便，能較大限度的開發(fā)其資源，價格低廉，軟件編程簡單。方案二：采用FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）作為系統(tǒng)的控制核心。由于FPGA具有強大的資源，使用

10、方便靈活，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展，特別是結(jié)合EDA（電子設(shè)計自動化），可以達(dá)到很高的效率。綜上所述，雖然FPGA控制靈活方便，但我們對單片機(jī)知識掌握的更充分，因此選擇方案一。1.4 系統(tǒng)整體設(shè)計綜合以上選定的方案，得到系統(tǒng)總體框圖如圖1.4所示。圖1.4 系統(tǒng)方框圖2 單元電路設(shè)計2.1 壓控振蕩器的設(shè)計2.1.1 振蕩電路原理采用LC諧振回路作為相移網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器統(tǒng)稱為LC正弦波振蕩器. 目前應(yīng)用最廣的是三點式振蕩和電路和差分對管振蕩電路，后一種電路主要應(yīng)用在集成電路中，此處只對三點式振蕩電路進(jìn)行討論分析.忽略回路中元件的阻抗，LC 三點式振蕩器的原理性電路如圖2-1中圖1所示，為純電抗X1、X

11、2和X3 . 考慮負(fù)載電阻接發(fā)射極和集電極之間，LC 振蕩電路的等效模型如圖2-1中圖2 所示. 由圖知，要想產(chǎn)生振蕩，需滿足以下條件。（1）相位平衡條件：X1+X2+X3=0，同時X1、X2必須為同性質(zhì)的電抗，即同為電感元件（例如哈特萊振蕩器），或者同為電容元件（例如考畢茲振蕩器）， X3為另一性質(zhì)電抗。（2）起振條件：其精確表達(dá)式為， 式（2-1）式中. 對于電感三點式振蕩器，式2-1可以寫成： 式（2-2）對于電容三點式振蕩器，式2-1可以寫成： 式（2-3）圖2-1 振蕩電路原理圖2.1.2 西勒振蕩器電路圖2-2西勒振蕩電路如上圖2-2所示是西勒振蕩器的原理圖電路圖。C4電容調(diào)整振蕩

12、器的頻率，而C3用固定電容，在一般情況下，C1和C2電容都遠(yuǎn)大于C3，其振蕩頻率近似為： 式（2-4） 式2-4是振蕩頻率計算式。調(diào)節(jié)C4電容改變振蕩器頻率，由于C3電容不變，所以諧振回路反映到晶體管輸出端的等效負(fù)載變換很緩慢，故調(diào)節(jié)C4對放大器增益的影響不大，從而保證振蕩幅度的穩(wěn)定。2.1.3 電壓控制LC振蕩電路在本設(shè)計中LC振蕩器電路采用了改進(jìn)型電容三點式振蕩器中的經(jīng)典的西勒振蕩電路，減弱了晶體管與振蕩電路中諧振回路的耦合，使其頻率穩(wěn)定度可達(dá)到 數(shù)量級。該電路頻率穩(wěn)定性高，輸出幅度均勻，調(diào)諧范圍也比較寬。電路原理電路圖如圖2-2所示。壓控振蕩器的作用是產(chǎn)生頻率控制電壓變化的振蕩電壓。其特

13、性可用調(diào)頻特性即瞬時振蕩角頻率相對于輸入控制電壓的關(guān)系來表示，在一定范圍內(nèi)瞬時振蕩角頻率和輸入控制電壓是成線性關(guān)系的。因此可得出瞬時振蕩角頻率是壓控振蕩器的中心頻率和壓控電壓為零時的振蕩頻率和壓控靈敏度積的總和。圖2-2 壓控LC振蕩器電路原理圖電路原理說明：該壓控振蕩器由西勒振蕩器組成，其中由R6、R7、R9及晶體三極管Q2等組成振蕩電路，由C8、C9、C10、L2及變?nèi)荻O管等元器件組成振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)，完成頻率選擇。通過改變變?nèi)荻O管兩端的電壓，使輸出頻率發(fā)生改變，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)中電壓控制LC振蕩器的指標(biāo)。耦合電容C11隔離前后極電路，使晶體三極管的靜態(tài)工作點不受后極電路的影響，工作在放大

14、狀態(tài)。VCO產(chǎn)生的振蕩頻率范圍和變?nèi)荻O管的壓容特性有關(guān)。圖2.3為變?nèi)荻O管MV209的測試圖?？衫脠D中(a)所示的測量電路來測變?nèi)荻O管的壓容特性。(b)為其壓容特性和壓控振蕩器的壓控特性示意圖。從圖中可見變?nèi)荻O管的反偏電壓從VdminVdmax變化，對應(yīng)的輸出頻率范圍是fminfmax。在預(yù)先給定L的情況下，給變?nèi)荻O管加不同的電壓，測得對應(yīng)的諧振頻率，從而可以計算出Cd的值。減小諧振回路的電感感抗，改變電容容量，不需要并聯(lián)二極管即可很容易地實現(xiàn)頻率擴(kuò)展。在本設(shè)計中通過該方法使輸出頻率的范圍擴(kuò)展到1535MHz。 (a)電容特性測量電路 （b）變?nèi)荻O管壓容特性及壓控振蕩器的壓控性圖

15、2-3 變?nèi)荻O管特性測試圖變?nèi)荻O管電容值與電壓的關(guān)系可表達(dá)為: 式（2-5）其中，是零電壓偏置下的結(jié)電容值，是反偏電壓，是PN結(jié)的內(nèi)建電勢，m值與PN結(jié)的結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布有關(guān)。2.2功率放大器設(shè)計本設(shè)計采用高頻功率放大器，在其設(shè)計中首先要考慮的是晶體三極管的選擇。通常在選擇過程中晶體管的極限參數(shù)將是選擇的主要依據(jù)。這些參數(shù)包括：集電極最大允許電流，反向擊穿電壓，二次擊穿，集電極最大允許損耗功率，晶體管的安全工作區(qū)等等。根據(jù)本設(shè)計的工作頻率和輸出電壓的要求，本設(shè)計選用共發(fā)射極電路作為放大電路，設(shè)計中晶體三極管工作在放大狀態(tài)。電路圖如圖2.6所示。圖2-6 功率放大電路的設(shè)計設(shè)計中電路采用甲類放

16、大實現(xiàn)，利用三極管2N5551將壓控振蕩器輸出的電壓進(jìn)行放大，電路工作在甲類狀態(tài)，在頻率改變的情況下，電壓負(fù)反饋使輸出電壓穩(wěn)定在1V±0.1V。為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點，設(shè)計中射極放大電路采用分壓式偏置電路，如圖2-7所示。圖2-7 分壓式射極偏置電路分壓式射極偏置電路是常用的一偏置穩(wěn)壓電路，圖中Rb1為上偏置電阻，Rb2為下偏置電阻，Rc為集電極電阻，Re為發(fā)射極電阻，Ce為電路的射極旁路電容，在電路中起到了使電路的交流信號放大能力不因Re的存在而降低，使電路的放大倍數(shù)不受影響的作用。電路中Rb1、Rb2為基極偏置電阻為三極管建立了合適的基極電壓；Rc電阻起到了使放大電路的電流信號轉(zhuǎn)換為

17、以電壓形式輸出信號的作用。放大電路中放大的本質(zhì)是實現(xiàn)能量的控制和轉(zhuǎn)換，即能量的轉(zhuǎn)換：把輸入的微弱信號放大到所需要的幅度值且與原輸入信號變化規(guī)律一致的信號，對信號進(jìn)行不失真放大。信號由三極管的基極輸入，由三極管的集電極輸出，基極與發(fā)射極之間形成了回路，構(gòu)成了反饋。2.3 峰-峰值檢測顯示電路的設(shè)計該電路由二極管和電容構(gòu)成。其原理圖如2-8所示。輸入電壓加到該電路中，正半周時二極管導(dǎo)通，對電容充電，對應(yīng)一個電壓值；負(fù)半周時二極管截止，電容放電。在電路中需要選取適用于高頻的快速回復(fù)二極管，在multisim中，這種類型的二極管并不多見，經(jīng)過對大量資料的查詢，最終選定RGP10M作為檢波二極管進(jìn)行峰峰

18、值檢測。圖2-8 峰-峰值測量原理峰值檢測電路圖如圖2-9所示：圖2-9 峰值檢測電路2.4單片機(jī)控制模塊設(shè)計本系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C52，包括鍵盤模塊、顯示模塊、AD模塊等。負(fù)責(zé)鍵盤處理、控制D/A轉(zhuǎn)換模塊，以達(dá)到實現(xiàn)頻率步進(jìn)的目的，以及對峰峰值檢測電路的A/D輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。鍵盤模塊是用于控制系統(tǒng)工作的，設(shè)計兩個個按鍵，一個頻率上調(diào)鍵，接單片機(jī)的P3.1口，一個頻率下調(diào)鍵，接單片機(jī)的P3.2口。顯示模塊用1602LCD液晶顯示屏，顯示所測的電壓峰峰值。單片機(jī)IO口資源分配如圖2-10所示： 圖2-10單片機(jī)資源分配單片機(jī)模塊仿真電路圖如圖2-11所示：圖2-11 單片機(jī)模塊仿真電路3

19、.軟件設(shè)計本設(shè)計軟件分為電壓測量顯示，步進(jìn)控制兩部分。其中，主程序流程圖如圖3-1所示：當(dāng)程序開始執(zhí)行時，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后對AD采回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。若此時出現(xiàn)外部中斷，則進(jìn)入中斷處理程序，執(zhí)行完后繼續(xù)執(zhí)行顯示程序。圖3-1 主程序流程圖 幅值測量程序流程圖如圖3-2所示：初始化后，首先判斷AD轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，若結(jié)束則讀取8位AD的值，將其存儲之后顯示到LCD上。圖3-2 子程序流程圖頻率步進(jìn)程序流程圖如圖3-3所示：頻率步進(jìn)程序流程是：判斷是否有鍵按下，若為遞增鍵，則進(jìn)入外部中斷一處理子程序中，對輸出電壓進(jìn)行加操作，若為遞減鍵，則進(jìn)入外部中斷二處理子程序中，對輸出電壓進(jìn)行減操作。圖3

20、-3 頻率步進(jìn)流程圖按照以上三幅流程圖對程序進(jìn)行編寫，即可達(dá)到對電路峰峰值進(jìn)行顯示，對振蕩器輸出頻率進(jìn)行步進(jìn)控制的目的。4總體電路圖綜上所訴可連接出整體電路圖，如圖4-1所示：圖4-1 總體電路圖整體電路由LC振蕩器模塊，功率放大器模塊，峰峰值檢測模塊和單片機(jī)控制模塊組成。為節(jié)省空間，我利用的multisim軟件的子電路功能，將模塊電路繪制在子電路中，總體電路圖中只進(jìn)行必要的外部連接。也使整個電路界面顯得簡潔，方便閱讀。5 仿真結(jié)果5.1 VCO振蕩電路仿真結(jié)果所產(chǎn)生的仿真波形如圖5-1所示：圖5-1 VCO振蕩波形由上圖可知，振蕩器可以輸出不失真的正弦波。其頻率如圖5-2所示：圖5-2 振蕩

21、器輸出頻率5.2 峰峰值檢測電路仿真結(jié)果正弦波信號經(jīng)過設(shè)計的峰值轉(zhuǎn)換電路，輸入輸出信號波形如圖5-3所示： 圖5-3 峰峰值檢測電路仿真波形可見，經(jīng)轉(zhuǎn)換后，電壓不斷變化的正弦波變成了與其幅值相等的穩(wěn)定的直流信號，這樣通過AD采樣后，即可求得信號的峰峰值。5.3 頻率步進(jìn)波形仿真通過按鍵，對頻率進(jìn)行遞增或遞減，觀察遞進(jìn)頻率值。初始時，輸出波形如圖5-4所示：圖5-4 初始時輸出波形可發(fā)現(xiàn)，波形周期約為67ns，即14.92MHz，按遞增鍵，得輸出波形如圖5-5所示： 圖5-5 按下遞增鍵后的輸出波形觀察得，輸出波形的周期變?yōu)?3.43ns，即15.8MHz，步進(jìn)0.8MHz，與設(shè)計要求有一定的誤

22、差。5.4 功率放大仿真結(jié)果震蕩器輸出波形經(jīng)功率放大電路放大后，峰峰值能達(dá)到1V左右，符合要求。其仿真結(jié)果如圖5-6所示：圖5-6 功率放大仿真5.5 峰峰值顯示電壓測量為109mV，如圖5-7所示：圖5-7 峰峰值LCD顯示6 心得體會本次課程設(shè)計至此已經(jīng)接近尾聲，設(shè)計的時間雖然不是很長，但在整個設(shè)計過程中收獲頗豐。通過這次課設(shè)讓我明白了理論和實際操作之間差距，而且也讓我很明確得意識到自己在知識上上有很多的漏洞，以后應(yīng)該多鉆研一下。 通過這次課設(shè)，我也深刻體會到了自己知識的匱乏。意識到自己所學(xué)的知識的膚淺，只是一個表面性的，理論性的，根本不能夠解決在現(xiàn)實中還存在的很多問題。因此，學(xué)習(xí)中應(yīng)多與

23、實際應(yīng)用相聯(lián)系。因為此次課設(shè)大多涉及到的是高頻里面的內(nèi)容，以前在模電中所學(xué)的知識在此次課設(shè)中會出現(xiàn)偏差，許多問題都無法用低頻的思維來解決。所以，此次學(xué)科基礎(chǔ)課群課設(shè)對于我的鍛煉是非常大的，除了對高頻有了更加深入的了解之外，還學(xué)會了對所學(xué)知識的融會貫通，并不是生搬硬套書本上的知識或者網(wǎng)絡(luò)上的電路。許多事情是需要自己一一試驗過之后才知道今后該如何解決這一類的問題。雖說，這次課設(shè)做的比以前都要艱難，但是，當(dāng)我看到自己所做出的成果的時候，心中的開心感是以前從來沒有過的。參考文獻(xiàn)1高吉祥，黃智偉，陳和.高頻電子線路M. 北京：電子工業(yè)出版社，2003年第一版2黃智偉.無線數(shù)字收發(fā)電路設(shè)計M. 北京：電子

24、工業(yè)出版社，2003年，第1版3鄒其洪 黃智偉 高嵩.電工電子實驗與計算機(jī)仿真M.北京：電子工業(yè)出版社，2003年，第1版4吳運昌.模擬集成電路原理與應(yīng)用M.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001年第一版5全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.第五屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編M.北京：北京理工大學(xué)出版社.2003年1月第一版6甘歷.VHDL應(yīng)用與開發(fā)實踐M北京：科技出版社.2003年 第一版7趙俊超.集成電路設(shè)計VHDL教程M.北京：北京希望電子出版社，2002年第一版8童詩白.華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2001年第三版 附錄一單片機(jī)控制程序如下所示：#include<

25、;reg52.h>#define uchar unsigned char#define IO_data P2uchar DA_output=0xdd;sbit lcdrs=P35;sbit lcdrw=P36;sbit lcden=P34;void delay(uchar ms) /毫秒延時uchar i,j;for(i=0;i<ms;i+)for(j=0;j<110;j+);void write_cmd(uchar _data)lcdrs=0;lcdrw=0;lcden=0;IO_data=_data;delay(1);lcden=1;delay(1);lcden=0;void write_data(uchar _data)lcdrs=1;lcdrw=0;lcden=0;IO_data=_data;delay(1);