制作電壓控制LC振蕩器原理及實(shí)現

2003年全國大學(xué)生電子設計競賽試題中的A題，要求設計并制作一個(gè)電壓控制LC振蕩器。本文對幾種采用比較多的方案進(jìn)行簡(jiǎn)潔的評析。
　　
設計制作題意的領(lǐng)會(huì )
　　
　　電壓控制LC振蕩器應將基本部分和發(fā)揮部分綜合考慮。明確要求設計制作兩個(gè)可相互獨立的部分：一是制作15~35MHz的頻率間隔100kHz步進(jìn)調整和指定頻率設置的LC振蕩器；二是工作于30MHz點(diǎn)頻的高效高頻功率放大器。隊員需把握好以下兩點(diǎn)：
　　
　　1．對于LC振蕩器
　?。?）輸出信號振幅穩定(Up-p=1±0.1V)，波形無(wú)明顯失真的正弦波；（2）輸出信號的頻率范圍要為15~35MHz，且工作頻率可按最小頻率間隔的整數倍數值在范圍內任意預置，同時(shí)在預置頻率點(diǎn)上能以最小頻率間隔步進(jìn)增、減輸出信號的頻率；（3）顯示預置的頻率和輸出信號的測量頻率及輸出信號Vp-p數值； （4）LC振蕩器工作于短波的高端，要做好信號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的凈化。
　　
　　2．對于30MHz點(diǎn)頻率高效高頻功率放大器
　?。?）信號源是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，而且要求在純阻負載和一個(gè)等效的容性負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(lèi)高頻功率放大器；（5）濾波匹配網(wǎng)絡(luò )要處理好在純阻負載和容性負載時(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)。

　　
采用的幾種方案評析
　　
設計制作方案根據題意同樣分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振蕩器穩幅選用的方案有三種：分立元件BJT或FET的AGC、數字電位器AGC、數?；旌螦GC。
　?。?）LC振蕩器頻率產(chǎn)生方案

　　
　?、匍_(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。 其基本原理是根據預置數值由單片機產(chǎn)生相應的數字量，通過(guò)D/A轉換器產(chǎn)生控制電壓去控制VCO中的變容二極管實(shí)現電調改變VCO的工作頻率。方案的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟，輸出頻率可以連續調整，但工作頻率穩定度較低（能達到10-3要求）。最主要的是變容二極管壓控特性存在非線(xiàn)性，壓控靈敏度不一致，隨著(zhù)外加電壓增加，壓控特性曲線(xiàn)斜率逐漸變小，變容二極管壓控靈敏度將降低，從而帶來(lái)了預置量與數字量變換的設計和調整困難，同時(shí)還要求D/A的分辨率較高。
　?、陂_(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。
　　基本原理是利用計算機查尋表格上所存儲的正弦波取樣值，正弦波的數字量通過(guò)D/A轉換產(chǎn)生模擬量的正弦波信號。由改變查表速度來(lái)改變信號頻率。用預置于RAM存儲器中所需波形的量化數據，按照控制字要求，以K為步進(jìn)，對相位增量進(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器內的波形數據，經(jīng)D/A和濾波產(chǎn)生所需信號。直接數字頻率合成具有相對帶寬很寬，在15~35MHz內無(wú)需分波段，轉換時(shí)間短，頻率分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。但電路復雜，不經(jīng)濟。

　　
　?、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對輸出信號的頻率進(jìn)行測量，由這一頻率量（測量量）同所需的頻率量（預置量）進(jìn)行比較處理，產(chǎn)生數字增量，在預置量的基礎上形成一個(gè)控制的數字量經(jīng)D/A轉換去控制VCO中的變容二極管來(lái)完成電調和AFC功能。AFC是由預置頻率數字量同實(shí)測頻率數字量增量來(lái)實(shí)現的。這一方案的特點(diǎn)是充分利用電路資源，且簡(jiǎn)單、頻率穩定度較高、調整方便、頻率可連續調整，但AFC時(shí)間長(cháng)。
　　 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把預置頻率量及步進(jìn)量來(lái)產(chǎn)生分頻比的控制數字量，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與參考頻率（晶體振蕩器）經(jīng)參考分頻器輸出的基準頻率在鑒相器鑒相，產(chǎn)生誤差電壓經(jīng)低通濾波器濾波來(lái)控制VCO的變容二極管，改變VCO的工作頻率，一旦進(jìn)入鑒相器的兩個(gè)信號頻率相同，則鑒相輸出一固定的電壓，從而VCO穩定地工作在預置頻率上。通過(guò)單片機控制程序分頻器和參考分頻器的分頻比，來(lái)改變VCO輸出信號的頻率以及頻率調整的頻率間隔。鎖相頻率合成具有頻率穩定度高，準確度好的特點(diǎn)。但輸出信號頻率不能連續可調，只能以頻率間隔步進(jìn)調整和按頻率間隔的整倍數值設置。
　?。?）LC振蕩器信號幅度穩定方案