压控振荡器报告

HefeiUniversity

压控振荡器

项目名称：压控振荡器

作者姓名：高慧敏 1305022015 13通信2班

马彪 1305011026 13电子1班

徐文山 1305011027 13电子1班

指导老师：段惠敏

完成时间：2015年7月6日

压控振荡器

压控振荡器在通信、雷达、测控等方便有广泛的应用，利用锁相环输出的压控振荡信号更为稳定，方便接收端接收稳定的信号。本模块由MC12022和MC145152构成的鉴相器(PD)、LM392和外围电路构成的环路滤波器(LF)、以及MC1648组成的压控振荡器(VCO)构成锁相环。本模块可以实现88~108MHz的频率输出，输出频率稳定度优于，输出电压峰峰值1V±0.1V等其他指标。

关键词：鉴相器，环路滤波器，压控振荡器，分频；

目录

1、系统方案设计................................................. - 4 -

1.1总体方案设计................................................. - 4 -

1.2系统设计方案................................................. - 4 -

1.2.1压控振荡器的设计方案论证与选择........................ - 4 -

1.2.2频率合成器的设计方案论证与选择........................ - 4 -

2、主要电路设计与分析........................................... - 5 -

2.1前置分频器和锁相频率合成器电路设计.......................... - 5 -

2.2环路滤波器设计.............................................. - 6 -

2.3压控振荡器电路设计.......................................... - 7 -

2.4锁相环分析.................................................. - 7 -

3、系统测试与分析................................................... - 9 -

3.1测试方案..................................................... - 9 -

3.2测试结果..................................................... - 9 -

3.3数据分析..................................................... - 9 -

4、总结............................................................ - 10 -参考文献........................................................... - 10 -附录............................................................... - 10 -

1、 系统方案设计

1.1总体方案设计

根据题目要求设计制作一个压控振荡器，振荡器的输出为无明显失真的正弦波，输出频率在88~108MHz ，可实现输出频率步进，步进间隔为1MHz ，输出电压峰峰值

(10.1)P P

V V

-=±。综合RC 振荡器、LC 振荡器和晶体振荡器的输出频率稳定度和调节范

围特点，本系统采用LC 振荡器，利用锁相环原理，相位负反馈系统使得输出电压相位稳定。使输出电压稳定在一固定频率和电压幅值。本系统锁相环整体框图如图1所示：

图1：锁相环框图

1.2系统设计方案

1.2.1压控振荡器的设计方案论证与选择

方案1：采用分立元件构成。利用低噪声场效应管作振荡管，采用变容二极管直接接入振荡回路作为压控器件，电路为电感三点式振荡器。该方法实现简单，调试困哪，现有的技术不能直接测量电感的大小，输出频率不易灵活控制。

方案2：采用压控振荡芯片MC1648和变容二极管，外接一个LC 谐振回路构成变容二极管压控振荡器。只需要调节变容二极管两端的电压便可以改变MC1648的输出频率。外围电路简单，，内部含有AGC 电路，在输入信号电平变化时，用改变增益的方法维持输出信号电平基本不变，系统可靠性高，利用锁相环技术提高输出频率稳定性。

综上所述，我们组选择方案2。

1.2.2频率合成器的设计方案论证与选择

方案1：采用模拟锁相环式频率合成技术，通过环路分频器降频，将VCO 的频率降低，与参考频率进行鉴相。优点是：可以得到任意小的频率间隔；鉴相器工作频率不高，频率变化范围不大，带内带外噪声和锁定时间易于处理；不需要昂贵的晶体滤波器；频率稳定度与参考晶振的频率稳定度相同。缺点是：分辨率的提高需要通过增加循环次数来实现，电路超小型化和集成化比较复杂。

方案2：采用数字锁相环频率合成技术，由晶振、鉴频/鉴相器、环路滤波器、和压控

振荡器组成。利用锁相环，将压控振荡器输出的频率锁定在所需频率上，可以很好的选择所需频率信号。频率合成采用大规模集成PLL芯片MC145152，，前置分频器选用芯片MC12022。MC145152是MOTOROLA公司生产的大规模集成电路，它是一块并行码输入方式置定、由14根并行输入数据编程的双模CMOS-LSI锁相环频率合成器。环路滤波器选用LM392和

综上所述，我们选择方案2。

2、主要电路设计与分析

2.1前置分频器和锁相频率合成器电路设计

采用MC12022前置分频器与MC145152中的÷A和÷计数器一起构成一个吞咽脉冲可编程分频器。图2为其工作示意图，其中（a）是P/（P+1）前置分频器方框图，（b）是吞咽脉冲计数的示意图。MC12022的分频比为P=63和64。MC12022受控于吞咽计数器的分频比切换信号（即模式选择信号M）。当M为高电平时，分频比为P+1,当M为低电平时，分频比为P。MC145152内的÷N和÷A计数器均为减法计数器。当减到零时，÷A计数器输出由高电平变为低电平；÷N计数器减到零时，输出一脉冲到鉴相器，并同时将预置的N 和A重新置入÷A和÷N计数器。利用这种方法可以方便地使总分频比连续数，总分频比D=PN+A。

图2：（a）前置分频器方框图图2：（b）吞咽脉冲计数示意图

MC145152的应用电路图如图3所示：

图3：MC145152应用电路图

2.2环路滤波器设计

经过鉴相器的分频鉴相作用后，输入到环路滤波器的信号为参考频率和VCO 振

荡频率的误差信号R φ和V φ两个脉冲信号，环路滤波器的电路连接方式如图所示：

图5：环路滤波器连接图

环路滤波器的带宽为：

)

(t u

d

2.3压控振荡器电路设计

压控LC 振荡器电路由压控振荡芯片MC1648、变容二极管以及LC 谐振回路组成，原理图如图6所示。

3脚位缓冲输出端，一路供前置分频器MC120252，一路锁相环输出；MC1648引脚5端是自动增益控制电路AGC 的反馈输入端，将使用在功率放大电路的输出端，此锁相环未作。一对变容二极管背对背地与该谐振电路相连，振荡器的输出频率随着加在变容二极管上的电压大小而改变；MC1648的内部电路与10脚和12脚外接的LC 谐振回路组成正反馈的正弦振荡电路，振荡频率由

C

f

=

计算。现有的电感电感值较高，不适合使用，所以用漆包线绕制，电感值大约为0.256uH,变容二极管的电容值随外加电压信号变化，可以使输出频率在100MHz 左右20MHz 范围内。

2.4锁相环分析

锁相环的作用是通过相位比较，使输出信号 的相位和输入信号 的相位保

持一致，进而使其频率保持相同。输入信号 和输出信号 之间的相位由鉴相器

进行比较，鉴相器的输出电压v pd 是 和 相位差的函数，鉴相器的输出经过环

路滤波器滤除高频分量和噪声后得到一个较为平稳的电压 ，该电压连接到压控振荡

器的压控端，控制压控振荡器的输出频率，压控振荡器的输出最终反馈到鉴相器的

输入端，与输入信号进行相位比较。虽然在环路中鉴相器和环路滤波器两个模块的输出节

点上所关注的物理量是电压，但整个环路进行负反馈时在输出端采样和输入端求和的都是

)

(t u o

)

(t u i

)

(t u i )

(t u o

)

(t u i

)

(t u o

)

(t u c

)

(t u o

振荡信号的相位，负反馈时在输出端采样和输入端求和的都是振荡信号的相位。

假设输入信号 vi(t)和输出信号 vo(t)分别为：

（2-1） （2-2）

假设鉴相器是一个简单的模拟乘法器，此时，可以得到：

（2-3）

是一个传输系数，单位为 1/V ，

将式(2-1)和(2-2)代入上式，可得：

v

pd

经过环路滤波器低通滤波，滤除了上述信号中频率较高的(oi)分量，最终可以得到：

模拟乘法鉴相器具有正弦性质的鉴相特性，其鉴相曲线如图4所示。

图4：鉴相器模拟乘法器曲线

代表压控振荡器的输出信号同时也是锁相环回路的反馈信号； 是参考频率

源产生的信号；是鉴相器的输出信号；是环路滤波器输出的比较纯粹的控制信

)

(sin ))(sin()(t t t t i

i i

i i

i

V V

v φφω=+=)

(sin ))(sin()(t t t t o

o o

o o

o

V V

v φφω=+=)

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o i m pd

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m

[]

[

]

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()()sin[(21

)

(cos )(sin )

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i o i o i o i o

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i

o i m o i m pd

V V K V V K v v K v

φφωωφφωωφφ++++-+-=

==[]

[[]

)

(sin )(sin 2

1

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(()((sin 21

)

()()(sin 21

)(00t t t t t t t t t t e d e o i m o i i o

i m o i i o

i m d K V V K V V K V V K v φφφωφωφφωω==--+=

-+-

=

)

(t u

o

)

(t u i

)

(t u d )

(t u c

号，也是控制 VCO 振荡的信号。过程分析如下：首先 PD 对 和 之间的相位进

行比较，产生和一些非理想的高频分量，经过环路滤波器滤除高频分量后变成

控制着 VCO 的振荡频率，如果 VCO 的振荡频率与参考频率相差较大，PD 就会产

生一个幅度较大的控制电压提高 VCO 的振荡频率，整个过程就是 VCO 的振荡频率一直不停的追赶参考频率直到二者相等， LPF 产生的 为一个固定的值。此时我们就可以

说锁相环处于锁定状态。

3、系统测试与分析

3.1测试方案

MC145152/MC12022/MC1648的供电电压均为5V ，LM392供电电压为12V 。 测试仪器：

SIGLENT SDS 2202数字示波器 VICTOR VC890C+ 数字外用表 EE1642C 函数信号发生器

3.2测试结果

77~111 3.3数据分析

从表格中的数据可以看出：

)

(t u o )

(t u i

)

(t u d

)

(t u d

)

(t u

c

)

(t u c

1、基本振荡器部分可以实现88~108MHz的输出频率范围，稳定度优于，输出电压峰峰

值为150mV.

2、锁相环振荡输出由于环路滤波器处于非正常工作而无法正常输出。

3、环路滤波器的参数设置存在问题，下一步需要调整环路滤波器的参数值选取合适的

低通滤波器上限值。

4、按照数据手册上的接法分频，得到的分频数据存在误差。

5、不明确鉴相器输出的和的信号是否正确，导致环路滤波器的正反相输入端信号不明

确是否正确，还需要解决。

4、总结

通过本次的压控振荡器制作，我们了解了压控振荡器锁相环输出是由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器三部分组成环路系统，参考信号和基本振荡器输出的信号经由鉴相器鉴相，输出误差信号给环路滤波器，形成一个直流电压值给压控振荡器谐振出信号，直到系统的相位差消除，锁相环锁定，输出稳定的信号，方便给接收端接收信号，形成一个收发信号的系统。

参考文献

[1]吴洪天.锁相环频率合成器设计研究与设计 [J].电子科技大学 2013年5月

[2]郑贤.压控振荡器的研究与设计 [J].西安电子科技大学 2013年1月

[3] 康华光、陈大钦、张林.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2011年5月

[4]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计（第2版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011年2月

附录

实物图