壓控LC振蕩器

1、目錄1 引言21.1 振蕩器簡介21.2 系統(tǒng)設(shè)計的目的31.3 系統(tǒng)設(shè)計的意義32 系統(tǒng)設(shè)計要求和設(shè)計方案42.1設(shè)計任務(wù)及基本要求42.1.1 任務(wù)42.1.2 基本要求42.2 總體設(shè)計思路42.3 基本模塊的論證與選擇52.3.1 電壓控制LC振蕩器模塊52.3.1.1互感耦合振蕩器52.3.1.2 電感反饋三端式振蕩電路52.3.1.3 電容反饋三端式振蕩電路62.3.1.4 集成電路振蕩器72.3.2 LC控制信號的實(shí)現(xiàn)92.3.3 穩(wěn)幅電路的選擇102.3.4頻率控制方式的設(shè)計與選擇102.3.5功率放大器112.3.6 系統(tǒng)組成構(gòu)圖113 單元電路的設(shè)計123.1壓控振蕩器和穩(wěn)

2、幅電路的設(shè)計123.2鎖相環(huán)式頻率合成器的設(shè)計133.3 峰值檢測電路173.3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計194 測試方法及結(jié)果分析214.1 測試儀器214.2 測試方法214.3 結(jié)果分析225 總結(jié)226 參考文獻(xiàn)22電壓控制LC振蕩器1 引言 1.1 振蕩器簡介振蕩器簡單地說就是一個頻率源，一般用在鎖相環(huán)中。詳細(xì)說就是一個不需要外信號激勵、自身就可以將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能的裝置。一般分為正反饋和負(fù)阻型兩種。所謂“振蕩”，其涵義就暗指交流，振蕩器包含了一個從不振蕩到振蕩的過程和功能。能夠完成從直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)化，這樣的裝置就可以稱為“振蕩器”。壓控振蕩器（VCO）的類型有LC壓控振蕩器、R

3、C壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。對壓控振蕩器的技術(shù)要求主要有：頻率穩(wěn)定度好，控制靈敏度高，調(diào)頻范圍寬，頻偏與控制電壓成線性關(guān)系并宜于集成等。晶體壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，但調(diào)頻范圍窄；RC壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度低而調(diào)頻范圍寬，LC壓控振蕩器居二者之間。振蕩器廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，例如在無線電測量儀器中，它產(chǎn)生各種頻段的正弦信號電壓:在熱加工、熱處理、超聲波加工和某些醫(yī)療設(shè)備中，它產(chǎn)生大功率的高頻電能對負(fù)載加熱；某些電氣設(shè)備用振蕩器做成的無觸點(diǎn)開關(guān)進(jìn)行控制；電子鐘和電子手表中采用頻率穩(wěn)定度很高的振蕩電路作為定時部件等。在通信系統(tǒng)電路中，壓控振蕩器(VCO)是其關(guān)鍵部件，特別是在鎖相環(huán)電路、時鐘恢復(fù)

4、電路和頻率綜合器電路等電路中更是重中之重，可以毫不夸張地說在電子通信技術(shù)領(lǐng)域，VCO壓控振蕩器幾乎與電流源電路和運(yùn)放電路具有同等重要的地位。 1.2 系統(tǒng)設(shè)計的目的了解、分析振蕩器設(shè)計的基本設(shè)計和發(fā)展方向，掌握壓控LC振蕩電路的主要技術(shù)指標(biāo)，電路結(jié)構(gòu)，工作原理。 1.3 系統(tǒng)設(shè)計的意義隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，振蕩器的用途也越來越廣泛，振蕩器自其誕生以來就一直在通信、電子、航海航空航天及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域扮演重要的角色，具有廣泛的用途。在無線電技術(shù)發(fā)展的初期，振蕩器就在發(fā)射機(jī)中用來產(chǎn)生高頻載波電壓，在超外差接收機(jī)中用作本機(jī)振蕩器，成為發(fā)射和接收設(shè)備的基本部件。本設(shè)計電壓控制LC振蕩器是如今使用非常廣泛的

5、一類電子器件，為電一光轉(zhuǎn)換電路、移動式手持設(shè)備等提供了很多的解決方案。本文設(shè)計的是電壓控制LC振蕩器，設(shè)計中采用了改進(jìn)型電容三點(diǎn)式西勒振蕩器電路作為本設(shè)計的主要組成部分，解決了基本三點(diǎn)式振蕩電路設(shè)計中存在的改變振蕩頻率必改變反饋系數(shù)的矛盾，通過調(diào)節(jié)壓控變?nèi)荻O管兩端電壓來改變振蕩器的輸出頻率，使設(shè)計系統(tǒng)達(dá)到15MHz35MHz輸出頻率可變的要求。在LC振蕩器的LC回路中，使用電壓控制電容器（變?nèi)荻O管器），就可以在一定頻率范圍內(nèi)構(gòu)成電壓調(diào)諧振蕩器，即電壓控制LC振蕩器。壓控振蕩器可廣泛使用于頻率調(diào)制器，鎖相環(huán)路，以及無線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中。本設(shè)計電壓控制LC振蕩器采用了變?nèi)荻O管來實(shí)現(xiàn)電壓控制

6、的功能，末級功率放大器采用了三極管9018，實(shí)現(xiàn)了功率放大的功能，并使其三極管工作在丙類狀態(tài)，以提高工作效率。若負(fù)載為容性阻抗，采用串聯(lián)諧振回路以提高輸出功率。系統(tǒng)主要選用LC振蕩器來實(shí)現(xiàn)振蕩，并改變電路輸入電壓來控制電路頻率的變化。LC振蕩器因諧振回路具有很高的選擇性，即使放大器工作在非線性區(qū)，振蕩電壓也非常接近正弦形，達(dá)到設(shè)計要求。但因它的諧振元件LC之值只限于體積不宜過大，振蕩頻率不宜太低一般為幾百千赫到幾百兆赫。頻率穩(wěn)定度一般為10-210-4 量級，略優(yōu)于RC 振蕩電路，但比石英晶體振蕩器要低幾個數(shù)量級。諧振元件L或C的數(shù)值調(diào)節(jié)方便，可借以改變振蕩頻率，因而為廣播、通信、電子儀器等電

7、子設(shè)備所廣泛采用。壓控振蕩器的應(yīng)用范圍很廣，集成化是重要的發(fā)展方向。石英晶體壓控振蕩器中頻率穩(wěn)定度和調(diào)頻范圍之間的矛盾也有待于解決。隨著深空通信的發(fā)展，將需要內(nèi)部噪聲電平極低的壓控振蕩器。2 系統(tǒng)設(shè)計要求和設(shè)計方案 2.1設(shè)計任務(wù)及基本要求 2.1.1 任務(wù)設(shè)計并制作一個電壓控制LC振蕩器。 2.1.2 基本要求（1）振蕩器輸出為正弦波，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10-3；（4）輸出電壓峰峰值：Vpp=1V±0.1V；（5）實(shí)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(shí)現(xiàn)輸出頻率步進(jìn)，步進(jìn)間隔為1MHz

8、77;100kHz。 2.2 總體設(shè)計思路 本實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計并制作一個壓控LC振蕩器，要求振蕩器輸出正弦波，沒有明顯失真，并且輸出頻率范圍為15MHz-35MHz，通過對振蕩電路的分析，可以選擇本實(shí)驗(yàn)最佳振蕩電路形式；實(shí)驗(yàn)還要求輸出電壓峰峰值Vpp=1V±0.1V，所有考慮增加一個穩(wěn)幅電路；實(shí)驗(yàn)還要求可實(shí)現(xiàn)輸出頻率步進(jìn)，步進(jìn)間隔為1MHz±100kHz，所以再增加一個頻率控制電路；同時，實(shí)驗(yàn)要求實(shí)時測量并顯示振蕩器輸出電壓峰峰值，可以考慮利用單片機(jī)實(shí)時測量輸出電壓峰峰值，再用數(shù)碼管顯示出來；實(shí)驗(yàn)亦要求頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-3,輸出電壓峰峰值精度優(yōu)于10%，在元器件的選擇上也是我

9、們需要慎重考慮的地方。最后，考慮到電路驅(qū)動更大后級負(fù)載的能力，在電路中增加功率放大器。綜上考慮，有如下總體設(shè)計： 圖1 電路總體設(shè)計 2.3 基本模塊的論證與選擇 2.3.1 電壓控制LC振蕩器模塊 2.3.1.1互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)正反饋的，因此，耦合線圈同名端的正確位置至關(guān)重要。同時，耦合量M要選擇合適，使之滿足振幅起振條件?；ジ旭詈险袷幤饔腥N形式：調(diào)集電路、調(diào)基電路和調(diào)發(fā)電路。這是根據(jù)震蕩回路是在電極電路、基極電路和發(fā)射極電路來區(qū)別的。互感耦合振蕩器在調(diào)整反饋（改變M值）時，基本上不影響振蕩頻率。但由于分布電容的存在，在頻率較高時，難于做出穩(wěn)定性較高

10、的變壓器。因此，它們的工作頻率不宜較高，一般應(yīng)用于中、短波波段。故本次實(shí)驗(yàn)不采用互感耦合振蕩器。 2.3.1.2 電感反饋三端式振蕩電路電感反饋振蕩電路容易起振，但電感反饋支路為感性支路，對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，故對回路中的高次諧波反饋較強(qiáng)，波形失真較大；另外，由于兩個電感元件上的分布電容并聯(lián)于電感元件的兩端，工作頻率越高，分布電容的影響也愈嚴(yán)重，這就使得電感反饋式三端振蕩電路的工作頻率不能太高。故本次實(shí)驗(yàn)不采用電感反饋三端式振蕩器。 2.3.1.3 電容反饋三端式振蕩電路 電容三端振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形較好，該電路中的不穩(wěn)定電容（分布電容，器件的結(jié)電容等）都是與該電路并聯(lián)的，因此適當(dāng)加大回路電

11、容量，就可以減弱不穩(wěn)定的分布電容對振蕩頻率的影響，提高了頻率穩(wěn)定度。 電容三點(diǎn)式振蕩器又稱考畢茲（Colpitts）振蕩器，電容三點(diǎn)式振蕩器的反饋信號取自電容C2兩端，因?yàn)殡娙輰Ω叽沃C波呈現(xiàn)較小的容抗，反饋信號中高次諧波分量小，故震蕩輸出波形好。但當(dāng)通過改變C1或C2來調(diào)節(jié)振蕩頻率時，同時會改變正反饋量的大小，因此會使輸出信號幅度發(fā)生變化，甚至?xí)拐袷幤魍Ｕ瘛Ｋ噪娙萑c(diǎn)式振蕩電路頻率調(diào)節(jié)很不方便，故適用于頻率調(diào)節(jié)范圍不大的場合。為了減小晶體管極間電容的影響可采用克拉潑（Clapp）電路，與前述電容三點(diǎn)式振蕩電路相比，僅在諧振回路電感支路中增加了一個電容C3，其取值比較小，要求C3C1，C3C

12、2。諧振回路接入C3后，雖然振蕩頻率穩(wěn)定度提高了，改變C3反饋系數(shù)可保持不變，但諧振回路接入C3后，使晶體管輸出端與回路的耦合減弱，晶體管的等效負(fù)載減小，放大器的放大倍數(shù)下降，振蕩器輸出幅度減小。C3越小，放大倍數(shù)越小，如C3過小，振蕩器不滿足振幅起振條件而會停止振蕩。若在電路中電感線圈L上再并一個可變電容，即可構(gòu)成另外一種改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器，稱為西勒（Seiler）振蕩器。它改善了克拉潑電路存在的一些問題。調(diào)節(jié)C4改變振蕩頻率時，因C3不變，從而可以保持振蕩幅度的穩(wěn)定。當(dāng)C1C3，C2C3時，振蕩頻率可近似為 圖2 電容三端式交流等效電路 2.3.1.4 集成電路振蕩器采用壓控振蕩器芯片

13、MC1648和變?nèi)荻O管MV209，外接一個LC震蕩回路構(gòu)成變?nèi)荻O管壓控振蕩器。只需要調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管兩端的電壓，即可改變MC1648的輸出頻率。由于采用集成芯片，電路設(shè)計簡單系統(tǒng)可靠性高，并且利用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)可以使輸出頻率穩(wěn)定度進(jìn)一步提高。MC1648最大輸出頻率可達(dá)225MHz，完全滿足實(shí)驗(yàn)要求，又考慮到本設(shè)計要求輸出波形良好，輸出頻率穩(wěn)定及要求頻帶較寬，故選擇集成電路振蕩器，利用壓控振蕩器芯片MC1648和變?nèi)荻O管MV209，外加一個LC并聯(lián)諧振回路構(gòu)成壓控振蕩器。如圖3位MC1648的內(nèi)部原理圖。 圖3 MC1648內(nèi)部原理圖振蕩器包括連接Q6的基極和Q7的集電極的正反饋，其內(nèi)

14、部包含了一個自動增益控制口（AGE）去限制晶體管（Q6和Q7）發(fā)射極耦合對并且允許最佳的頻率響應(yīng)。典型的壓控模式傳輸特性在圖三給出。其中a和c展示了只用變?nèi)荻O管的的電容的傳輸特性（包含振蕩器的輸入電容，6pF）。b展示了振蕩器只能輸出方波的壓控模式。a、c中1K的電阻被用于在測試中保護(hù)變?nèi)荻O管，當(dāng)直流輸入電壓不能提供變?nèi)荻O管的正向偏壓時是可以省去的。c中的大電阻（51K）可以使兩個變?nèi)荻O管的交點(diǎn)絕緣。 圖4 典型的壓控模式傳輸特性圖 在AGC和VCO輸入（變?nèi)荻O管）應(yīng)該連接電容，當(dāng)輸出頻率在1MHz到50MHz時一個0.1uF的電容就夠了。當(dāng)更高頻率時應(yīng)該使用更小電容，更低頻時更大電

15、容。 2.3.2 LC控制信號的實(shí)現(xiàn)方案一：采用普通電壓源，通過滑動變阻器改變LC振蕩器的輸入電壓來實(shí)現(xiàn)對LC輸出頻率的控制，這種方案可以實(shí)現(xiàn)較小的頻率間隔，但實(shí)際操作比較困難，且誤差較大，穩(wěn)定性低。方案二：采用VCO函數(shù)發(fā)生器，如ICL8038，它通過改變外加控制電壓，改變芯片內(nèi)部電容充電電流，從而改變外部輸出頻率。但是其輸出的頻率較低，穩(wěn)定性不好，步進(jìn)難以實(shí)現(xiàn)。方案三：采用鎖相環(huán)路技術(shù)，利用鎖相環(huán)，是VCO的輸出頻率鎖定在所需的頻率上，從而產(chǎn)生所需的VCO控制電壓，這樣大大提高了控制信號的穩(wěn)定性，而且具有性能可靠，使用方便，多功能等優(yōu)點(diǎn)。因此，綜合考慮本次設(shè)計要求，選擇方案三。 2.3.3

16、 穩(wěn)幅電路的選擇 方案一：采用交流電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。在放大電路中引入交流電壓并聯(lián)負(fù)反饋，反饋網(wǎng)絡(luò)由一個可變電阻組成，穩(wěn)定輸出電壓。但引入交流負(fù)反饋，因環(huán)境溫度變化，電源電壓波動等原因引起的放大倍數(shù)的變化將減小，是以犧牲放大倍數(shù)為代價的。 方案二：采用自動增益電路（AGC）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。由于MC1648內(nèi)部有AGC電路，通過它控制電路，在輸入信號變化時，用改變增益的辦法維持輸出電平基本不變。利用該方法可以進(jìn)一步提高輸出電壓的穩(wěn)定度，保證在15-35MHz范圍內(nèi)，輸出電壓峰峰值Vpp=1V±0.1V。 2.3.4頻率控制方式的設(shè)計與選擇 方案一：利用電位器分壓電路，通過改變電位器的

17、分壓比來改變變?nèi)莨艿姆聪蚱珘?，從而改變振蕩器的振蕩頻率。該電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，容易制作，但電位很難實(shí)現(xiàn)對頻率的精確控制，且電位器容易損壞，噪聲大，受溫度的影響大。 方案二：利用DAC芯片輸出控制電壓，通過單片機(jī)輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號控制振蕩器的頻率。詞電路振蕩器輸出的步進(jìn)精度取決于D/A轉(zhuǎn)換器的精度。該電路也較為簡單，頻率調(diào)節(jié)是通過數(shù)碼控制的，大大減少了噪聲。在固定的VCO輸出電壓上，輸出頻率值是有一定波動的，使得從DAC輸出的數(shù)據(jù)與輸出頻率值不能一一對應(yīng)。方案三：采用數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成技術(shù)。由晶振、鑒頻/鑒相（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、可變分頻器、壓控振蕩器（VCO）組成。圖

18、5為其組成框圖。利用鎖相環(huán)將輸出頻率鎖定到所需頻率上，可以很好地選擇所需頻率，抑制雜散分量。采用集成芯片，有利于集成化，小型化。頻率合成采用大規(guī)模集成PLL芯片MC145152，前置分頻器選用芯片MC12022，VCO選擇MC1648，環(huán)路濾波選用ML358和RC電路組成，這樣就可完成鎖相環(huán)路的設(shè)計。該方法設(shè)計簡單，功能齊全，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。 圖5 鎖相環(huán)組成框圖 基于以上考慮，本次設(shè)計采用方案三實(shí)現(xiàn)頻率控制。 2.3.5功率放大器 高效高頻功率放大器重點(diǎn)是失真要小、效率要高、輸出功率要大。難點(diǎn)在電源電壓E=12V時，保證純阻負(fù)載和容性負(fù)載電阻上的高頻不失真功率要達(dá)到Po20mW為了減

19、小功率放大器對LC振蕩器的影響和高效率輸出大功率，選用有推動級、激勵級及末級工作于丙類（C類）的電路結(jié)構(gòu)，性能優(yōu)劣集中表現(xiàn)為濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計上。功率放大器由推動級、激勵級和末級三部分組成。為了提高效率，末級工作于丙類，晶體管選用高頻功率管。功率放大器中的濾波匹配網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵：進(jìn)行阻抗變換保證激勵級至末級，末級至負(fù)載高效率獲得所需的功率；充分濾除不需要的高次諧波，減小波形的失真；讓濾波傳輸效率k=P1/P，盡可能接近1。 2.3.6 系統(tǒng)組成構(gòu)圖 通過方案的論證比較和選擇，最終有如圖6系統(tǒng)組成框圖，其中的集成電路MC1648、MC14512、MC12022、低通濾波器和晶振構(gòu)成鎖相環(huán)頻率合成器，

20、通過單片機(jī)控制頻率的步進(jìn)。由于電路中既有高頻電路又有數(shù)字電路，需將高頻電路用金屬屏蔽罩隔離，以減少交叉調(diào)制等干擾。 圖6 系統(tǒng)組成構(gòu)圖各部分電路實(shí)現(xiàn)方式分析如下：1、 振蕩器部分前面已經(jīng)介紹過，可以使用閉環(huán)頻率合成中的鎖相（PLL）頻率合成。 2、壓控電路的實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框圖也已經(jīng)給出。3、本設(shè)計的功率放大電路可以采用丙類功率放大電路來實(shí)現(xiàn)；也可以采用不含調(diào)諧回路的甲類功率放大電路來實(shí)現(xiàn)，其基本特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，在調(diào)試時只要將晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整好就可實(shí)現(xiàn)放大信號的目的，而且可以在電壓輸出之前設(shè)計一個射極跟隨器電路來隔離輸出。4、LED數(shù)字顯示電壓表設(shè)計制作可由ICL7107構(gòu)成的三位

21、半數(shù)字電壓表電路實(shí)現(xiàn)，滿量程取為200mv。根據(jù)需要可外接分壓電阻擴(kuò)展量程。焊接時應(yīng)將V+顯示各點(diǎn)（即LED的公共陽極）用短路線連通,并把B點(diǎn)與V短接.需作固定顯示的小數(shù)點(diǎn)DPX（DP1DP3中之一）與印制板的引出端DP相連。 通過測量輸出電壓間接得出頻率值。也可采用A/D轉(zhuǎn)換專用模塊數(shù)碼顯示頻率值。3 單元電路的設(shè)計 3.1壓控振蕩器和穩(wěn)幅電路的設(shè)計LC壓控振蕩器主要有壓控芯片MC1648、變?nèi)荻O管MV209以及LC震蕩回路構(gòu)成。MC1648需要外接一個由電容和電感組成的并聯(lián)諧振回路。為了達(dá)到最佳工作性能，在工作去頻率要求并聯(lián)諧振回路的QL>=100。電源采用+5V的電壓。一對串聯(lián)二

22、極管背靠背與該諧振回路相連，振蕩器的輸出頻率隨加在變?nèi)荻O管的電壓的改變而改變。 圖7 壓控振蕩器電路圖壓控振蕩器由芯片內(nèi)部的Q8、Q5、Q4、Q1、Q7、Q6（上面已經(jīng)給出），10腳和16腳外接LC震蕩回路（含MV209）組成正反饋（反相720°）。 3.2鎖相環(huán)式頻率合成器的設(shè)計 通過前面的介紹對鎖相環(huán)已經(jīng)有了一個初步的認(rèn)識，下面圖8給出了其原理框圖。 圖8 鎖相環(huán)頻率合成器原理圖 可變分頻器對壓控振蕩器的輸出信號進(jìn)行分頻，分頻之后返回到相位比較器輸入端與參考信號進(jìn)行比較。當(dāng)環(huán)路處于鎖定時有所以有fo/P=f/R,所以有fo=P*f/R。只要改變可變分頻器的分頻系數(shù)P，就可以輸出

23、不同頻率的信號。 鎖相頻率合成單元是提高輸出頻率穩(wěn)定性的關(guān)鍵部分。目前市場上的頻率合成器集成電路很多，我們選用摩托羅拉公司的MC145152。該芯片是摩托羅拉公司生產(chǎn)的鎖相環(huán)頻率合成器專用芯片,是一塊14位并行的碼輸入單模、單片鎖相環(huán)頻率合成器，片內(nèi)含有參考振蕩器，參考分頻器，鑒相器，可編程分頻器等部件，最大可變分頻比為16383，最高工作頻率能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。 MC145152芯片具有下列主要特征： （1）它與雙模（P（P1）分頻器同時使用，有一路雙模分頻控制輸出MC。當(dāng)MC為低電平時，雙模分頻器用（P1）去除；當(dāng)MC為高電平時，雙模分頻器用模數(shù)P去除。它有A計數(shù)器和N計數(shù)器兩個計數(shù)器

24、。它們與雙模（P（P1）分頻器提供了總分頻值（NPA）。其中，A、N計數(shù)器可預(yù)置。N的取值范圍為31023，A的取值范圍為063。A計數(shù)器計數(shù)期間，MC為低電平；N計數(shù)器計數(shù)（NA）期間，MC為高電平。 （3）它有一個參考振蕩器，可外接晶體振蕩器。 （4）它有一個R計數(shù)器，用來給參考振蕩器分頻，R計數(shù)器可預(yù)置，R的取值范圍：8，64，128，256，512，1024，1160，2048。 （5）它有兩路鑒相信號輸出，其中，R、V用來輸出鑒相誤差信號，LD用來輸出相位鎖定信號。 MC145152的供電電壓為3.0V9.0V，采用28腳雙列封裝形式。 MC145152的工作原理：參考振蕩器信號經(jīng)R

25、分頻器分頻后形成fR信號。壓控振蕩器信號經(jīng)雙模（P（P1）分頻器分頻，再經(jīng)A、N計數(shù)器分頻器后形成fV信號，fVfVCO（NPA）。fR信號和fV信號在鑒相器中鑒相，輸出的誤差信號（R、V）經(jīng)低通濾波器形成直流信號，直流信號再去控制壓控振蕩器的頻率。 當(dāng)整個環(huán)路鎖定后，fVfR且同相，fVCO（NPA）fV（NPA）fR，便可產(chǎn)生和基準(zhǔn)頻率同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的任意頻率。鎖相環(huán)頻率合成器選用芯片MC1451522。晶振選用10.24MHz的晶體，它的頻率穩(wěn)定度較高，可達(dá)106。低通濾波器選用運(yùn)放芯片MC33171；模數(shù)P64，工作頻率為2.0 GHz；壓控振蕩器選用壓控LC振蕩器。 MC1451

26、52-2芯片參數(shù)的設(shè)計：取fVCO=30MHz,P=64,晶體頻率10.24MHz，R計數(shù)器取次2048分頻，有： fR=10.24MHz/2048=5kHz，NP+A=fVCO/fR=30MHz/5kHz=6000 N+A/P=6000/64=93余48，N=93=(0001011101)2，A=48=(110000)2 R2048，RA2RA0為111， N=93，N9N0為0001011101，A48，A5A0為110000。 R計數(shù)器、N計數(shù)器、A計數(shù)器可預(yù)置，各管腳接地為邏輯0，懸空為邏輯 30MHz頻率合成器電路圖，如圖9所示。 圖9 頻率合成器電路圖 圖9中，運(yùn)放芯片MC3317

27、1構(gòu)成了有源比例積分濾波器，在設(shè)計時首先選合適的電容C，然后，再根據(jù)n、N、KV、Kd和計算R1和R2的值。 R=KVK/(NC) (1) R=2/(C) (2) 式（1）和式（2）中，Kv為壓控振蕩器電調(diào)靈敏度（radsV）；Kd為比相器靈敏度，KdVDD2，VDD是運(yùn)放的工作電壓（VDD5 V），Kd單位取Vrad；N為總分頻次數(shù)；為鎖相環(huán)路的阻尼系數(shù)，的合適取值范圍是在0510之間，通常選擇最佳起始點(diǎn)0707；n為環(huán)路自然諧振角頻率，n值的選擇將直接影響環(huán)路濾波特性和捕捉時間，為了保證環(huán)路對噪聲有較好抑制，n應(yīng)該遠(yuǎn)小于鑒相頻率d，通常可按式（3）選擇 nd（301 000），（3） 當(dāng)噪

28、聲來源于參考頻率和分頻器時，n可以選擇得小些；當(dāng)噪聲來源于壓控振蕩器時，n可選擇得大些。 具體計算如下： KdVDD（2）5（2）0796 Vrad， N=30MHz/5KHz=6000，=0.707，=2fR/50=6.285kHz/50=628rad/s，KV=410rad/sV,選擇C=0.1uF,則R1= KK/(NC)=0.796410/(6000110628)=134.6kR2=2/(C)=20.707/(628110)=22.5k故：R1選用134.6K電阻，R2選用22.5K電阻。在實(shí)際調(diào)試過程中我們對電阻值做了微調(diào)，使其性能達(dá)到最好。鎖相環(huán)頻率合成的核心芯片MC145152的

29、實(shí)現(xiàn)電路如圖10所示。其中頻率控制端可以由單片機(jī)或撥碼開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)輸出頻率控制。 圖10 鎖相環(huán)頻率合成電路3.3 峰值檢測電路 VCO的輸出信號經(jīng)峰值檢波電路之后轉(zhuǎn)換成直流電平，通過ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，送入單片機(jī)，有如下峰值檢測電路。 圖11 峰值檢波電路 上圖中C1端接頻率輸出，R7接A/D轉(zhuǎn)換器到單片機(jī)。需要使用的硬件主要包括51單片機(jī)芯片，ZLG7290數(shù)碼管管理芯片和數(shù)碼管。另外還是用到排線若干，下載線及電源線。其中51單片機(jī)硬件鏈接如圖12所示，數(shù)碼管連接圖如圖13所示: 圖12 51單片機(jī)硬件連接圖 圖13 數(shù)碼管硬件連接圖VCO輸出頻率的范圍是15-30MHz。首先應(yīng)

30、確定參考頻率f，f為步長（頻率間隔）的整數(shù)倍。頻率間隔f可由下式確定。f=f/R由于R值是固定的，只能從8個參考值中選擇，采用10.24MHz的晶振作為標(biāo)準(zhǔn)頻率。對其進(jìn)行R分頻。R取2048，進(jìn)行分頻得到5kHz的脈沖信號作為頻率間隔f。該值可通過單片機(jī)改變。N值和A值的范圍應(yīng)該在MC145152范圍內(nèi)（A值的范圍063，N值的范圍01023）。采用吞咽脈沖計數(shù)的方式，盡管P為固定值，但合理選擇N和A的值，D即連續(xù)可變。D=A(P+1)+(N-A)P=PN+A此時f被鎖定在： f=（PN+A） f式中，N為01023，A為063，P=64（由MC145152Q確定）?，F(xiàn)舉例計算確定A、N的值，

31、使輸出頻率為f=25MHz，步長f=5kHz。則D=(PN+A)=25M5k=5000，500064=78余8由此可得N=78,A=8，通過此方法可以方便地算出每個頻率對應(yīng)的參數(shù)。 3.3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計軟件設(shè)計的關(guān)鍵是對PLL芯片MC145152的控制以及測頻測幅顯示。軟件實(shí)現(xiàn)的功能是：（1）設(shè)定頻率間隔fR，即確定調(diào)頻步進(jìn)。（2）設(shè)定分頻系數(shù)A、N的值，以得到需要的輸出頻率。（3）測量輸出頻率并顯示。（4）驅(qū)動液晶顯示器。相關(guān)軟件采用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。圖14為軟件設(shè)計流程圖。 圖14 軟件設(shè)計流程圖選用晶振頻率為10.24MHz，首先確定其頻率間隔，對其進(jìn)行R分頻，若R取2048，得到頻率間

32、隔為5kHz。可以使調(diào)頻步進(jìn)為1MHz，A、N值的計算可由前述的公式來完成，但是在編程過程中并不是將該算法存入程序，而是尋找到A、N的變化規(guī)律，找到簡單的計算方法。表3-2給出了不同輸出頻率時分別對應(yīng)的A、N值，通過表我們可以看到存在如下規(guī)律：A、N的初始值為46、56，頻率每增加1M，A的值增加8，N的值增加3，因?yàn)锳的取值范圍為小于64，所以當(dāng)A等于64時，它的取值回到0，同時向N進(jìn)一位，也就是此時N的值加4Fc/M15161718192021222324252627282930A5608162432404856081624324048N46505356596265687175788184

33、879093頻率間隔為5kHz、100kHz、500kHz時對應(yīng)的A、N值列表（部分）4 測試方法及結(jié)果分析 4.1 測試儀器 TDS1012B-sc示波器VC830L萬用表 4.2 測試方法 通過示波器觀察輸出波形和頻率。測試數(shù)據(jù)如下：預(yù)置頻率/MHz15.00016.00017.00018.00019.00020.000輸出頻率/MHz15.03416.04016.98017.96019.04020.000預(yù)置頻率/MHz21.00022.00023.00024.00025.00026.000輸出頻率/MHz21.04522.05023.04224.02024.99925.950預(yù)置頻率/MHz27.00028.00029.00030.00031.00032.000輸出頻率