LC压控振荡器课程设计(含程序)

LC压控振荡器课程设计（含程序）武汉理工大学《学科基础课群课设》

摘要

本设计是一个功能完善,性能优良的高频VCO(Voltage Control Oscillation)。主

振器由分立元件组成。电压对频率的控制是通过变容二极管来实现的。即通过改变变容

二极管的反向压降，从而改变变容二极管的结电容，继而改变振荡频率。系统的输出频

,3率范围为10MHz—40MHz。频率稳定度在以上。设计以单片机为控制核心，实现频10

率和电压值的实时测量及显示并控制频率步进，步进有粗调和细调的功能。粗调可实现

较大步进值调节，是调可实现较小步进值调节。该功能使得频率的准确定位十分方便。

本电路在调频部分为提高输出频率精度，采用单片机控制主振器参数，根据产生不同的

频率范围控制不同的主振器参数而达到提高精度和稳定度的目的。为了高频信号的良好

传输，本设计的部分电路板采用了人工刻板使得本设计更加特色鲜明，性能优良。

关键字:VCO 单片机变容二极管 ADC0804

Abstract

This design is a high frequency VCO with comprehensive and perfect function. The main vibrator is made up of several separable components. Voltage control on the frequency is realized by way of varicap diode. That, changing the reverse voltage of diode can adjust the frequency. The frequency of the apparatus can output from 10MHz to 40MHz, and its

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,3frequency stability can reach .This design uses a single-chip as control core to measure 10

and display the frequency and voltage and regulate frequency. The frequency adjustment includes two procedures -approximate adjusting and slight adjusting, The slight adjusting can realize the precise frequency output. In order to change the precision of frequency to output, the circuit control the main vibrator with a single-chip. In order go gain what we to. we can change the different parameters of the main vibrator. In addition, Some part of the design wield arterial pattern plate. It nape the circuit mare perfect.

Key words: VCO MCU DIODE ADC0804

目录

1. 系统设计 (1)

1.1 设计要求 (1)

1.2 设计思路 (1)

1.3 系统整体方案 (1)

2. 单元电路设计 (2)

II

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2.1 压控振荡器的设计 (2)

2.2 锁相环路的设计 (4)

2.3 单片机控制模块设计 (5)

2.4 功率放大器设计 (7)

2.5 峰峰值检测显示电路设计.....................................................................9 3. 软件设计................................................................................................10 4. 仿真结果 (11)

4.1 VCO振荡电路仿真结果 (12)

4.2峰峰值检测电路仿真结果 (13)

4.3频率步进仿真结果..............................................................................13 5. 心得体会................................................................................................15 6. 参考文献................................................................................................16 7. 附录 (17)

III

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1. 系统设计

1.1设计要求

(1)任务

设计并制作一个电压控制LC振荡器。

(2)要求

1)振荡器输出为正弦波，波形无明显失真。

2)输出频率范围:15MHz,35MHz。 -33)输出频率稳定度:优于10。

4)输出电压峰-峰值:Vp-p=1V?0.1V。

5)实时测量并显示振荡器输出电压峰-峰值，精度优于10,。

6)可实现输出频率步进，步进间隔为1MHz,100kHz。

(3)说明

1(设计报告必须包括建模仿真结果

1.2设计思路

根据系统的设计要求，拟采用基于单片机控制的系统结构。本系统可分为三大部分:电压控制LC振荡源电路、锁相环稳频步进电路和压控LC振荡源的测控和显示电路。

首先VCO振荡器采用分立元件构成的电容三点式西勒振荡电路，采用数字锁相环式频率合成器技术，由时钟发生电路、鉴频/鉴相器(FD/PD)、可变分频器(?N)和压控振荡器(VCO)组成。利用锁相环，将VCO的输出频率锁定在所需频率上。可以很好的选择所需频率信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器。

控制部分采用单片机来完成，结合AD测量出电压的峰峰值，并利用液晶显示模块显示输出设定的输出频率及电压峰-峰值，另利用键盘模块来完成对频率的步增步减功能。

1.1系统整体方案

由以上的论证可得出系统的基本硬件结构，再结合AT89C51单片机控制，即可构成本系统。系统整体框图如图1.1所示。

液晶显示单片机 PLL VCO 功放

AT89C51

控制单元 Vp-p检测采样键盘 A/D

图1.1 系统方框图

1

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2. 单元电路设计

2.1 压控振荡器设计

正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。反馈式三端LC振荡器比较常用的电路形式又可以分为两大类:电感反馈式三端振荡器与电容反馈式三端振荡器。

电感反馈振荡电路容易起振，但电感反馈支路为感性支路，对高次谐波呈现高阻抗，故对回路中的高次谐波反馈较强，波形失真较大;另外，由于两个电感元件上的分布电容并联于电感元件的两端，工作频率越高，分布电容的影响也愈严重，这就使得电感反馈式三端振荡电路的工作频率不能太高。

电容三端振荡器的优点是输出波形较好，该电路中的不稳定电容(分布电容，器件的结电容等)都是与该电路并联的，因此适当加大回路电容量，就可以减弱不稳定的分布电容对振荡频率的影响，提高了频率稳定度。

本设计采用经典的西勒振荡器，该电路具有频率稳定度好，振荡频率高的优点，使用变容二极管改变电路的谐振频率，由于变容二极管的结电容随反向偏压增加而减少，因此若电路中的电容选用变容二极管作反向运用并加上控制电压，就可改变由LC决定的振荡器的频率。若电感的值一定，则可调频率的范围由变容二极管的容量变化范围决定。设计的仿真电路如图2.1所示。

图2.1 VCO电路图设计

2

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C4C5图2.1等效的LC振荡交流回路如图2.2所示。

100 pF1000 pF

u1

100 pFL1 D2

330 nH,

R100 pF图2.2 等效的交流回路 100

由图可得振荡回路中的等效电容为(其中Cd为变容二极管的结电容):

C=33.3+(100*Cd)/(100，Cd) (式2-1)

那么振荡器产生的频率为:

1/2 f =1/2π(L1*C) (式2-2)

VCO产生的振荡频率范围和变容二极管的压容特性有关。图2.3为变容二极管MV209的测试图。可利用图中(a)所示的测量电路来测变容二极管的压容特性。(b)为其压容特性和压控振荡器的压控特性示意图。从图中可见变容二极管的反偏电压从V,V变DminDmax化，对应的输出频率范围是f,f。在预先给定L的情况下，给变容二极管加不同的minmax

电压，测得对应的谐振频率，从而可以计算出Cd的值。减小谐振回路的电感感抗，改变电容容量，不需要并联二极管即可很容易地实现频率扩展。在本设计中通过该方法使输出频率的范围扩展到14,45MHZ。

(a)电容特性测量电路 (b)变容二极管压容特性及压控振荡器的压控特性

图2.3 变容二极管特性测试图

3

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2.2 锁相环式频率合成器的设计

锁相环的基本原理框图如图2.4所示。采用锁相环频率合成，可以得到任意频率步

-5进，同时频率稳定度与参考晶振相当，可以达到10。锁相环路主要由晶振、参考分频器、压控振荡器(VCO)、鉴频/鉴相器(FD/PD)、可编程分频器组成。它是应用数字逻辑电路将VCO频率一次或多次降低至鉴相器频率上，再与参考频率在鉴相电路中进行比较，通过低通滤波器取出误差信号来控制VCO的频率，使之锁定在参考频率的稳定度上。

fc 晶振参考分频器鉴相/鉴频器压控振荡器

ft 器

可编程分频器

图2.4 锁相环基本原理框图

2.2.1 PLL频率合成电路设计

频率稳定度是指在一定时间间隔内，频率源的频率准确度的变化，所以实际上是频率不稳定度，他表征频率源维持其工作于恒定频率上的工作能力。各种频率源的频率值由于受内外因素的影响，总是在不断地变化着。为了提高频率的稳定度我们设计了PLL

: 以提高电路性能。本设计的PLL与系统构架框图如图2.5所示

FVCO

Vco隔离放大倍频功率放大器10MHz–40MHz

PDO

MCU控制10K

40464059四分频

10K

显示驱动显示

4060

100K基准

图2.5 PLL系统框架

图示虚线框为锁相环路。它与主振荡器的接口有两个。一是FVCO，该信号的频率就是压控振荡器(VCO)的频率，另一是误差纠正电压PDO。FVCO信号经过

74HCT74四分

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频后，再经过CD4059N分频，输出10KHz的信号作为鉴相器CD4046的一路输入信号。CD4046对两路输入信号进行比较，当两者频率不相同时，CD4046会输出一个误差电压纠正VCO的频率，直到它的两路输入信号频率相等时，PDO呈高阻态。此时环路称为锁定状态，锁相环路实际上是频率反馈电路。(f/4N=ft/10，

f=N*ft/2.5 ft为给4046提供基准比较频率)。输出频率经倍频fo=2*N*ft/2.5后给功率放大器。由此可见，输出频率的稳定度与ft相当，当ft为100KHz时，由于N 为自然数,所以输出的步进频率为0.1MHz，当N的范围在250到1000变化时，则输出频率可在10MHz到40MHz之间变化。在10MHz—24MHz之间谐振点为

17MHz，在24MHz—40MHz之间谐振点为32MHz。此模块主要是控制CD4059的分频系数N。通过锁相环CD4046处理输出电压来达到控制输出频率FVCO目的。此模块实现方便，电路简洁。本部分还可实现输出频率步进的粗调上升、粗调下降和细调上升、细调下降的步进方式，为频率值的准确调节带来方便。

CD4060时钟发生器，CD4046鉴相器，CD4059N分频器，构成整个锁相环路系统，CD4059为N分频器，它有多种工作模式可供选择。在电路中他工作在模式10，BCD计数的模式。下面举个例子:要在锁定时发射频率是15MHz。根据上面所讲，CD4059的分频器系数N应该为375。在*1000位置0，即D4、C4、B4、A4都断开;在*100位，C3、D3断开，B3、A3接+5V;在*10位，D2断开，C2、B2、A2接+5V;在*1位，D1、B1断开，C1、A1接+5V。此频率设置过程均由单片机控制。图2.6

是锁相环电路与频率控制仿真电路。

5 图2.

6 锁相环电路与频率控制仿真电路

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2.3单片机控制模块设计

采用单片机AT89C51，包括键盘模块、显示模块、AD模块等。负责键盘处理、本系统

控制锁相环的可编程分频器，以达到实现频率步进的目的，以及对峰峰值检测电路的A/D输入的数据进行处理。键盘模块是用于控制系统工作的，设计三个按键，一个检测键，接单片机的P3.2口，一个频率上调键，接单片机的P3.6口，一个频率下调键，接单片机的P3.7口。显示模块用1602LCD液晶显示屏显示，显示当前输出的频率以及所测的电压峰峰值。单片机IO口资源分配如图2.7所示: 可编程分频器CD4059

P0 液晶显示电路锁存器控制

控制锁存器 P2 P1 STC89C51 A/D转换电路

P3.2 P3.6 P3.7

独立键盘模块

图2.7 单片机资源分配

单片机模块仿真电路图如图2.8所示:

图2.8 单片机模块仿真电路 6

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2.4功率放大器设计

我们利用选频网络作为负载回路的功率放大器。此种放大器电流导通角愈小，放大的效率愈高。甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。本设计把这两种放大器相结合，以提高本设计的性能和精度。功率放大电路如图2.9所示。利用三极管将压控振荡输出的电压进行放大，后级的三极管工作在丙类状态，可以提高功率放大器的效率。

图2.9 功率放大电路图

本设计选择晶体管3DG12和3DA1。3DG12的主要参数为P,700mw ，

ICM=300mA，CM

UCES?0.6V，hfe?30，ft?150MHZ，AP?6dB。晶体管3DA1的主要参数为

PCM=1W ，ICM,750MA，UCES?1.5，hfe?10,ft=70MHZ,AP?13dB

2.4.1丙类放大器工作状态

为获得较高的效率η及最大输出功率P0，放大器的工作状态选为临界状态，取θ=70度，由下式得谐振回路的最佳负载电阻R0为1.8K

2 R=(U-U)/2P (式2-3) 0ccces0

可得集电极基波电流振幅I为5.8mA，由下列式子 c1m

I,5.8mA (式2-4) C1M

IC0,IC1M,а0(70度),3.5 mA (式2-5)

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ICM= IC1M,а0(70度)=14 mA (式2-6) 得集电极电流脉冲的最大值Icm及其直流分量Ico，即电源供给的直流功率

PD,UCC*ICO,42mW (式2-7) 集电极的耗散功率

Pcˊ,PD,P0,12 mW (式2-8) 放大器的转换效率

η,P0/PD,71% (式2-9) 计算谐振回路及偶合回路的参数:

丙类功放的输入输出偶合回路均为高频变压器偶合方式，其输入阻抗?Zi?= 86Ω由式

1/2 N3/N1= (RL/R0) (式2-10) 得输出变压器线圈匝数比为0.67取N3=2，

N1=3。

集电极并联谐振回路的电容C=100pF，由式

L=[2.53*10000,(,f,MHZ)?{C}]μH (式2-11) 0PF

得回路电感为10μH。

2.4.2甲类功率放大器性能参数

由丙类功率放大器的计算结果可得甲类功放的输出功率PH′应等于丙类功放的输入功率Pi，输出负载RH′应等于丙类功放的输入阻抗?Zi?。设计变压器效率η为0.8。集电极输出功率PC,PH′,η,31mW，取放大器的静态工作电流

ICQ,ICM,7mA,由下式计算出最侍谐振电阻RH为1.3K

P=UI/2 (式2-12) CC1MC1M

由

UCM,UCC,ICQ*RE1,UCES (式2-13)得RE1,357，由

N1/N2,ηBRH,RHˊ=3 (式2-14) 取N2,2，则N1,6 。本级功放采用3DG12晶体管。

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2.5 峰-峰值检测显示电路的设计

该电路由二极管和电容构成。其原理图如2.10所示。输入电压加到该电路中，正半周时二极管导通，对电容充电，对应一个电压值;负半周时二极管截止，

电容放电。因充电时间小，而放电时间常数很大，故运放输入端加进的是一个脉动直流源。经直流放大器后，输出一个大约几伏的直流电压U。U与给出峰-峰值电压的关系曲线通过实验00

得到，如图2.10(b)所示。然后将输出电压经AD转换后送入单片机后就可以直接测得电压峰-峰值。

单片机交流变直流峰 A/D控制值检测电路转换

(a) 峰-峰值测量电路 (b) Uo ,Vp-p曲线

图2.10 峰-峰值测量原理

峰值检测电路图如图2.11所示:

图2.11 峰值检测电路

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武汉理工大学《学科基础课群课设》 3. 软件设计

本设计软件分为电压测量显示，频率及电压显示，步进控制三部分。其中，主程序流程图如图3.1所示:

图3.1 主程序流程图

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武汉理工大学《学科基础课群课设》电压测量程序流程图如图3.2所示:

图3.2 子程序流程图频率步进程序流程图如图3.3所示: 初始化

显示初始频率值

N

是否有键按下

Y

显示

增加键S2 减小键S3

改变可编程分频器的值

图3.3 频率步进流程图

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武汉理工大学《学科基础课群课设》 4. 仿真结果

4.1 VCO振荡电路仿真结果

所产生的仿真波形如图4.1所示:

图4.1 VCO振荡波形

由图可见，刚接通电源时电路发生自激振荡，电压幅值波动很大，随后趋于稳定。

且波形为标准的正弦波，稳定后的振荡输出波形如图4.2所示:

图4.2 稳定后的振荡输出波形

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4.2 峰峰值检测电路仿真结果

正弦波信号经过设计的峰值转换电路，输入输出信号波形如图4.3所示:

图4.3 峰峰值检测电路仿真波形

可见，经转换后，电压不断变化的正弦波变成了与其幅值相等的稳定的直流信号，这样通过AD采样后，即可求得信号的峰峰值。

4.3 频率步进波形仿真

通过按键，对频率进行递增或递减，观察递进频率值。初始时，输出波形如图4.4所示:

图4.4 初始时输出波形

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可发现，波形周期约为67ns，即14.92MHz，按递增键，得输出波形如图4.5所示:

图4.5 按下递增键后的输出波形

观察得，输出波形的周期变为63.43ns，即15.8MHz，步进0.8MHz，与设计要求有一定的误差。

4.4 峰峰值及输出频率显示

初始时，输出频率为15MHz，电压测量为990mV，如图4.6所示:

图4.6 峰峰值及输出频率LCD显示

按下频率步增S2键，频率输出变为16MHz，如图4.7所示，可见步长为

1MHz。

图4.7 按下S2键后的显示

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5. 心得体会

电子技术的快速发展，使一些新型电子器件和集成芯片应用越来越广泛，电子系统

ro teus和Multisim等软件的运用使得电子设计电路的功能越来越强大，电子设计软件P

更加方便，而我做为通信工程专业的学生，应该熟练掌握各种电路编辑软件，在这次的设计中我深刻的体会到电子产品的快乐，当我看到显示屏上仿真正确的波形出现时，感觉到自己的进步，这意味着我的设计成功了，几天努力的方案设计，和实践工作我从中熟练各种电子的技术和强大，并不断地总结经验。这次课设对我们来说非常重要，好的开头是成功的第一步，只有经历过，才会懂得过程的重要性。

此外，此次课设所涉及的知识面相当广泛，对我是一个重要的考验和历练。设计电压控制LC振荡器，包含了基本的模电知识、数电知识、高频原理，同样也需要掌握单片机知识、EDA知识。无论是对于软件的设计还是硬件的设计，都有着相当高的要求。

这次课程设计的多样化可以开发思维，鼓励创新，同时也检验了自己对所学知识的牢固性，没有扎实的理论基础是不可能有自己的设计方案的，此次设计也让我有了不小的成就感。使我获益匪浅。

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6. 参考文献:

1 高吉祥，黄智伟，陈和.高频电子线路[M]. 北京:电子工业出版社，2003年第一版 2.黄智伟.无线数字收发电路设计[M]. 北京:电子工业出版社，2003年，