制作電壓控制LC振蕩器原理及實現(xiàn)

2003年全國大學生電子設計競賽試題中的A題，要求設計并制作一個電壓控制LC振蕩器。本文對幾種采用比較多的方案進行簡潔的評析。
　　
設計制作題意的領會
　　
　　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可相互獨立的部分：一是制作15~35MHz的頻率間隔100kHz步進調整和指定頻率設置的LC振蕩器；二是工作于30MHz點頻的高效高頻功率放大器。隊員需把握好以下兩點：
　　
　　1．對于LC振蕩器
　　（1）輸出信號振幅穩(wěn)定(Up-p=1±0.1V)，波形無明顯失真的正弦波；（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(shù)倍數(shù)值在范圍內任意預置，同時在預置頻率點上能以最小頻率間隔步進增、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(shù)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點頻率高效高頻功率放大器
　　（1）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點頻，無帶寬要求，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等效的容性負載的純阻部分得到無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）濾波匹配網絡要處理好在純阻負載和容性負載時的匹配。寧可讓高頻功率放大器工作在略過壓狀態(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(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振蕩器頻率產生選用的方案有四種：開環(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)模混合AGC。
　　（1）LC振蕩器頻率產生方案

　　
　　①開環(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)預置數(shù)值由單片機產生相應的數(shù)字量，通過D/A轉換器產生控制電壓去控制VCO中的變容二極管實現(xiàn)電調改變VCO的工作頻率。方案的特點是電路簡單、經濟，輸出頻率可以連續(xù)調整，但工作頻率穩(wěn)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，變容二極管壓控靈敏度將降低，從而帶來了預置量與數(shù)字量變換的設計和調整困難，同時還要求D/A的分辨率較高。
　　②開環(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(shù)字量通過D/A轉換產生模擬量的正弦波信號。由改變查表速度來改變信號頻率。用預置于RAM存儲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，對相位增量進行累加，以累加相位值作為地址碼來讀取存放于波形存儲器內的波形數(shù)據(jù)，經D/A和濾波產生所需信號。直接數(shù)字頻率合成具有相對帶寬很寬，在15~35MHz內無需分波段，轉換時間短，頻率分辨率高的優(yōu)點。但電路復雜，不經濟。

　　
　　③閉環(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。基本原理是由單片機對輸出信號的頻率進行測量，由這一頻率量（測量量）同所需的頻率量（預置量）進行比較處理，產生數(shù)字增量，在預置量的基礎上形成一個控制的數(shù)字量經D/A轉換去控制VCO中的變容二極管來完成電調和AFC功能。AFC是由預置頻率數(shù)字量同實測頻率數(shù)字量增量來實現(xiàn)的。這一方案的特點是充分利用電路資源，且簡單、頻率穩(wěn)定度較高、調整方便、頻率可連續(xù)調整，但AFC時間長。
　　 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量來產生分頻比的控制數(shù)字量，分別改變程序分頻器和參考分頻器的分頻比。VCO的輸出信號頻率經前置分頻（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）經參考分頻器輸出的基準頻率在鑒相器鑒相，產生誤差電壓經低通濾波器濾波來控制VCO的變容二極管，改變VCO的工作頻率，一旦進入鑒相器的兩個信號頻率相同，則鑒相輸出一固定的電壓，從而VCO穩(wěn)定地工作在預置頻率上。通過單片機控制程序分頻器和參考分頻器的分頻比，來改變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(wěn)定度高，準確度好的特點。但輸出信號頻率不能連續(xù)可調，只能以頻率間隔步進調整和按頻率間隔的整倍數(shù)值設置。
　　（2）LC振蕩器信號幅度穩(wěn)定方案

　　
　　①分立元件BJT或FET穩(wěn)幅，原理圖如圖5所示。 結型場效應管穩(wěn)幅，是UDS很小時在UGS的控制下，導電溝道呈現(xiàn)線性電阻特征，導電溝道的電阻值隨UGS變化。圖5a中場效應管T等效一受控電阻RDS，Uo=（1+R/RDS）Ui。故在Vp-p變化時，UGS相應變化，使RDS變化，則Uo相反變化，從而實現(xiàn)穩(wěn)幅；BJT是利用Up-p變化來改變T的工作點，使其對應的增益變化來實現(xiàn)穩(wěn)幅。這種方案簡單、經濟，但穩(wěn)幅性能不佳。
　　②數(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，是通過改變放大器的反饋量來調整放大器增益。只是這種調整量利用Vp-p檢波的直流電壓經A/D轉換由單片機產生數(shù)字量控制數(shù)字電位器的阻值，電路的特點是控制精度高、穩(wěn)幅性能好，但電路復雜、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)模可控增益放大器AGC電路原理方框如圖7所示。從框圖可見，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A/D、單片機和D/A去控制可控增益放大來穩(wěn)幅。該穩(wěn)幅電路最大的特點是高頻性能好，調整方便（可設置輸出幅度），穩(wěn)幅精度高，但電路復雜。
　　由上述分析可知：LC振蕩器頻率產生采用閉環(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構成穩(wěn)幅電路。單片機和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是失真要小、效率要高、輸出功率要大。難點在電源電壓E=12V時，保證純阻負載和容性負載電阻上的高頻不失真功率要達到Po≥20mW。
　　為了減小功率放大器對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）的電路結構，性能優(yōu)劣集中表現(xiàn)為濾波匹配網絡的設計上。
　　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絡是關鍵：進行阻抗變換保證激勵級至末級，末級至負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。

　　
　　激勵級輸出與末級輸入之間采用的濾波匹配網絡因激勵級負載是末級的輸入阻抗基本不因末級負載變化而變化。設計要求重點是把末級的輸入阻抗在30MHz工作頻率上變換為激勵級所要求的Re，而末級的濾波匹配網絡除了要濾除30MHz基波以外的諧波，同時要保證末級由50Ω純阻負載變?yōu)?0pF電容和50Ω純阻串聯(lián)構成的容性負載，50Ω純阻上的不失真功率Po≥20mW，該網絡選用兩種類型的濾波匹配網絡級聯(lián)，前一級濾波匹配網絡的有載品質因數(shù)選大點，其幅頻特性在fo=30MHz時BW0.7稍小，對諧波的抑制能力增強，減小波形失真，后一級濾波匹配網絡的有載品質因數(shù)選小一點，由于后級有載品質因數(shù)較小，其幅頻特性在30MHz時BW0.7稍大，保證當20pF電容與50Ω電阻串聯(lián)構成容性負載時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量
　　
正確地測量是保證作品成功完成的重要環(huán)節(jié)，圖8是測量的連接方框圖。
測量時要注意：

（1） LC振蕩器至功率放大器的連線盡可能短；

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

（3）測量儀器單臺獨立測量相應項目，選用性能好的探頭，工作頻率不低于50MHz；

（4）負載電阻用三只150Ω/1W金屬膜電阻并聯(lián)構成，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。

測量方法需按項目說明，測量儀器標明型號、類型，測量的數(shù)據(jù)要列表，并根據(jù)原始數(shù)據(jù)結合題目要求列表評價