制作電壓控制LC振蕩器原理及實(shí)現(xiàn)
2003年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽試題中的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
?。?)輸出信號(hào)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(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。
(1)LC振蕩器頻率產(chǎn)生方案
?、匍_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。
?、陂_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)字量增量來實(shí)現(xiàn)的。這一方案的特點(diǎn)是充分利用電路資源,且簡單、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。
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。通過單片機(jī)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(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。
(2)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變化來改變T的工作點(diǎn),使其對(duì)應(yīng)的增益變化來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。這種方案簡單、經(jīng)濟(jì),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(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。
?、?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,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)量儀器單臺(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)目說明,測(cè)量儀器標(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)
評(píng)論