制作電壓控制LC振蕩器原理及實(shí)現(xiàn)

2003年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題中的A題，要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)電壓控制LC振蕩器。本文對(duì)幾種采用比較多的方案進(jìn)行簡(jiǎn)潔的評(píng)析。
　　
設(shè)計(jì)制作題意的領(lǐng)會(huì)
　　
　　電壓控制LC振蕩器應(yīng)將基本部分和發(fā)揮部分綜合考慮。明確要求設(shè)計(jì)制作兩個(gè)可相互獨(dú)立的部分：一是制作15~35MHz的頻率間隔100kHz步進(jìn)調(diào)整和指定頻率設(shè)置的LC振蕩器；二是工作于30MHz點(diǎn)頻的高效高頻功率放大器。隊(duì)員需把握好以下兩點(diǎn)：
　　
　　1．對(duì)于LC振蕩器
　　（1）輸出信號(hào)振幅穩(wěn)定(Up-p=1±0.1V)，波形無(wú)明顯失真的正弦波；（2）輸出信號(hào)的頻率范圍要為15~35MHz，且工作頻率可按最小頻率間隔的整數(shù)倍數(shù)值在范圍內(nèi)任意預(yù)置，同時(shí)在預(yù)置頻率點(diǎn)上能以最小頻率間隔步進(jìn)增、減輸出信號(hào)的頻率；（3）顯示預(yù)置的頻率和輸出信號(hào)的測(cè)量頻率及輸出信號(hào)Vp-p數(shù)值； （4）LC振蕩器工作于短波的高端，要做好信號(hào)緩沖隔離和電磁屏蔽，要做好元器件固定和電源及控制信號(hào)的凈化。
　　
　　2．對(duì)于30MHz點(diǎn)頻率高效高頻功率放大器
　?。?）信號(hào)源是LC振蕩器，功率放大器輸入要不影響LC振蕩器性能；（2）功率放大器是工作于30MHz點(diǎn)頻，無(wú)帶寬要求，盡可能做窄帶功率放大；（3）只能是在單電源E=12V條件下工作，而且要求在純阻負(fù)載和一個(gè)等效的容性負(fù)載的純阻部分得到無(wú)明顯失真正弦波的功率Po≥20mW；（4）提高功率放大器效率需選丙類高頻功率放大器；（5）濾波匹配網(wǎng)絡(luò)要處理好在純阻負(fù)載和容性負(fù)載時(shí)的匹配。寧可讓高頻功率放大器工作在略過(guò)壓狀態(tài)，而不要工作在欠壓狀態(tài)。

　　
采用的幾種方案評(píng)析
　　
設(shè)計(jì)制作方案根據(jù)題意同樣分LC振蕩器和功率放大器兩部分。
　　
1．LC振蕩器
　　LC振蕩器頻率產(chǎn)生選用的方案有四種：開(kāi)環(huán)頻率合成有電壓頻率合成和直接數(shù)字頻率合成（DDS）；閉環(huán)頻率合成有鎖相環(huán)頻率合成和含AFC的電壓頻率合成。
　　LC振蕩器穩(wěn)幅選用的方案有三種：分立元件BJT或FET的AGC、數(shù)字電位器AGC、數(shù)?；旌螦GC。
　?。?）LC振蕩器頻率產(chǎn)生方案

　　
　　①開(kāi)環(huán)頻率合成中的電壓頻率合成，其原理方框圖如圖1所示。 其基本原理是根據(jù)預(yù)置數(shù)值由單片機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生控制電壓去控制VCO中的變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)電調(diào)改變VCO的工作頻率。方案的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，輸出頻率可以連續(xù)調(diào)整，但工作頻率穩(wěn)定度較低（能達(dá)到10-3要求）。最主要的是變?nèi)荻O管壓控特性存在非線性，壓控靈敏度不一致，隨著外加電壓增加，壓控特性曲線斜率逐漸變小，變?nèi)荻O管壓控靈敏度將降低，從而帶來(lái)了預(yù)置量與數(shù)字量變換的設(shè)計(jì)和調(diào)整困難，同時(shí)還要求D/A的分辨率較高。
　　②開(kāi)環(huán)頻率合成中的直接頻率合成（DDS），其原理方框圖如圖2所示。
　　基本原理是利用計(jì)算機(jī)查尋表格上所存儲(chǔ)的正弦波取樣值，正弦波的數(shù)字量通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生模擬量的正弦波信號(hào)。由改變查表速度來(lái)改變信號(hào)頻率。用預(yù)置于RAM存儲(chǔ)器中所需波形的量化數(shù)據(jù)，按照控制字要求，以K為步進(jìn)，對(duì)相位增量進(jìn)行累加，以累加相位值作為地址碼來(lái)讀取存放于波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A和濾波產(chǎn)生所需信號(hào)。直接數(shù)字頻率合成具有相對(duì)帶寬很寬，在15~35MHz內(nèi)無(wú)需分波段，轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。但電路復(fù)雜，不經(jīng)濟(jì)。

　　
　?、坶]環(huán)頻率合成中的帶AFC電壓頻率合成，其原理方框圖如圖3所示?；驹硎怯蓡纹瑱C(jī)對(duì)輸出信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量，由這一頻率量（測(cè)量量）同所需的頻率量（預(yù)置量）進(jìn)行比較處理，產(chǎn)生數(shù)字增量，在預(yù)置量的基礎(chǔ)上形成一個(gè)控制的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換去控制VCO中的變?nèi)荻O管來(lái)完成電調(diào)和AFC功能。AFC是由預(yù)置頻率數(shù)字量同實(shí)測(cè)頻率數(shù)字量增量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這一方案的特點(diǎn)是充分利用電路資源，且簡(jiǎn)單、頻率穩(wěn)定度較高、調(diào)整方便、頻率可連續(xù)調(diào)整，但AFC時(shí)間長(zhǎng)。
　　 ④ 閉環(huán)頻率合成中的鎖相（PLL）頻率合成，其原理組成框圖如圖4所示。
　　其工作原理是利用單片機(jī)把預(yù)置頻率量及步進(jìn)量來(lái)產(chǎn)生分頻比的控制數(shù)字量，分別改變程序分頻器和參考分頻器的分頻比。VCO的輸出信號(hào)頻率經(jīng)前置分頻（固定分頻）、程序分頻（可變分頻）得到的頻率特征信號(hào)與參考頻率（晶體振蕩器）經(jīng)參考分頻器輸出的基準(zhǔn)頻率在鑒相器鑒相，產(chǎn)生誤差電壓經(jīng)低通濾波器濾波來(lái)控制VCO的變?nèi)荻O管，改變VCO的工作頻率，一旦進(jìn)入鑒相器的兩個(gè)信號(hào)頻率相同，則鑒相輸出一固定的電壓，從而VCO穩(wěn)定地工作在預(yù)置頻率上。通過(guò)單片機(jī)控制程序分頻器和參考分頻器的分頻比，來(lái)改變VCO輸出信號(hào)的頻率以及頻率調(diào)整的頻率間隔。鎖相頻率合成具有頻率穩(wěn)定度高，準(zhǔn)確度好的特點(diǎn)。但輸出信號(hào)頻率不能連續(xù)可調(diào)，只能以頻率間隔步進(jìn)調(diào)整和按頻率間隔的整倍數(shù)值設(shè)置。
　?。?）LC振蕩器信號(hào)幅度穩(wěn)定方案

　　
　?、俜至⒃﨎JT或FET穩(wěn)幅，原理圖如圖5所示。 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管穩(wěn)幅，是UDS很小時(shí)在UGS的控制下，導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)線性電阻特征，導(dǎo)電溝道的電阻值隨UGS變化。圖5a中場(chǎng)效應(yīng)管T等效一受控電阻RDS，Uo=（1+R/RDS）Ui。故在Vp-p變化時(shí)，UGS相應(yīng)變化，使RDS變化，則Uo相反變化，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅；BJT是利用Up-p變化來(lái)改變T的工作點(diǎn)，使其對(duì)應(yīng)的增益變化來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。這種方案簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但穩(wěn)幅性能不佳。
　?、跀?shù)字電位器穩(wěn)幅原理圖如圖6所示。 數(shù)字電位器AGC的工作原理與FET相似，是通過(guò)改變放大器的反饋量來(lái)調(diào)整放大器增益。只是這種調(diào)整量利用Vp-p檢波的直流電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換由單片機(jī)產(chǎn)生數(shù)字量控制數(shù)字電位器的阻值，電路的特點(diǎn)是控制精度高、穩(wěn)幅性能好，但電路復(fù)雜、成本高，并且數(shù)字電位器高頻特性差。
　　③ 采用可控增益放大器穩(wěn)幅，數(shù)?？煽卦鲆娣糯笃鰽GC電路原理方框如圖7所示。從框圖可見(jiàn)，可控增益的放大器選用高頻特性好的IC，由Vp-p檢波后的電壓經(jīng)A/D、單片機(jī)和D/A去控制可控增益放大來(lái)穩(wěn)幅。該穩(wěn)幅電路最大的特點(diǎn)是高頻性能好，調(diào)整方便（可設(shè)置輸出幅度），穩(wěn)幅精度高，但電路復(fù)雜。
　　由上述分析可知：LC振蕩器頻率產(chǎn)生采用閉環(huán)AFC電壓頻率合成和閉環(huán)PLL頻率合成滿足題目要求，但以PLL為佳。穩(wěn)幅電路宜選用高頻特性好的可控增益放大器來(lái)構(gòu)成穩(wěn)幅電路。單片機(jī)和A/D、D/A等資源要優(yōu)化，且充分利用。

　　
2．高效高頻功率放大器
　　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(shí)，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Po≥20mW。
　　為了減小功率放大器對(duì)LC振蕩器的影響和高效率輸出大功率，選用有推動(dòng)級(jí)、激勵(lì)級(jí)及末級(jí)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(jì)上。
　　功率放大器由推動(dòng)級(jí)、激勵(lì)級(jí)和末級(jí)三部分組成。為了提高效率，末級(jí)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(lì)級(jí)至末級(jí)，末級(jí)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ηk=P1/P，盡可能接近1。

　　
　　激勵(lì)級(jí)輸出與末級(jí)輸入之間采用的濾波匹配網(wǎng)絡(luò)因激勵(lì)級(jí)負(fù)載是末級(jí)的輸入阻抗基本不因末級(jí)負(fù)載變化而變化。設(shè)計(jì)要求重點(diǎn)是把末級(jí)的輸入阻抗在30MHz工作頻率上變換為激勵(lì)級(jí)所要求的Re，而末級(jí)的濾波匹配網(wǎng)絡(luò)除了要濾除30MHz基波以外的諧波，同時(shí)要保證末級(jí)由50Ω純阻負(fù)載變?yōu)?0pF電容和50Ω純阻串聯(lián)構(gòu)成的容性負(fù)載，50Ω純阻上的不失真功率Po≥20mW，該網(wǎng)絡(luò)選用兩種類型的濾波匹配網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)，前一級(jí)濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的有載品質(zhì)因數(shù)選大點(diǎn)，其幅頻特性在fo=30MHz時(shí)BW0.7稍小，對(duì)諧波的抑制能力增強(qiáng)，減小波形失真，后一級(jí)濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的有載品質(zhì)因數(shù)選小一點(diǎn)，由于后級(jí)有載品質(zhì)因數(shù)較小，其幅頻特性在30MHz時(shí)BW0.7稍大，保證當(dāng)20pF電容與50Ω電阻串聯(lián)構(gòu)成容性負(fù)載時(shí)輸出功率有較小的下跌，功率放大器效率也只有微小的減小。
　　
LC振蕩器和功率放大器測(cè)量
　　
正確地測(cè)量是保證作品成功完成的重要環(huán)節(jié)，圖8是測(cè)量的連接方框圖。
測(cè)量時(shí)要注意：

（1） LC振蕩器至功率放大器的連線盡可能短；

（2）功率放大器至負(fù)載的連線盡可能短，負(fù)載電容、電阻及SW3的引線盡可能短，固定好；

（3）測(cè)量?jī)x器單臺(tái)獨(dú)立測(cè)量相應(yīng)項(xiàng)目，選用性能好的探頭，工作頻率不低于50MHz；

（4）負(fù)載電阻用三只150Ω/1W金屬膜電阻并聯(lián)構(gòu)成，電容選耐壓100V的云母電容器；

（5）選用精度滿足要求的儀器，正確地操作使用。

測(cè)量方法需按項(xiàng)目說(shuō)明，測(cè)量?jī)x器標(biāo)明型號(hào)、類型，測(cè)量的數(shù)據(jù)要列表，并根據(jù)原始數(shù)據(jù)結(jié)合題目要求列表評(píng)價(jià)