电压控制LC振荡器设计说明书 1.docx

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电压控制LC振荡器设计说明书1

摘要

本设计描述了电压控制LC振荡器的设计思路，实现的方法及测试方法和测试结果。

本设计采用西勒振荡器作为振荡器的主题部分，解决了基本三点式振荡设计改变振荡频率必改变反馈系数的矛盾，通过改变变容二极管两端的电压来调节振荡器输出频率实现输出在15MHz-35MHz范围内可变，通过VCO改变频率实现频率合成并稳定频率，通过功率放大器使电路输出电压控制在1V。

关键词：

电压控制；LC振荡器；西勒振荡器；变容二极管；功率放大器

目录

摘要1

1引言3

1.1振荡器概述3

1.2本课题设计意义3

2系统总体设计方案5

2.1设计要求5

2.1.1设计依据5

2.1.2基本要求5

2.2设计思路5

2.3整体框图5

2.4方案比较与论证6

2.4.1电压控制LC振荡器的设计与比较6

2.4.2功率放大器的设计和比较7

2.4.3LC振荡器控制信号的实现比较8

3单元电路设计9

3.1压控振荡器的设计9

3.1.1振荡电路原理9

3.1.2西勒振荡器电路9

3.1.3电压控制LC振荡电路10

3.2变容二极管的设计11

3.3功率放大电路的设计12

4硬件电路的制作与调试14

4.1硬件设计14

4.2系统调试主要测试仪器14

4.3系统调试14

4.4误差分析15

5结束语16

参考文献17

致谢18

附录1元器件清单19

1引言

1.1振荡器概述

振荡器广泛应用于各行各业中，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压:

在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热；某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制；电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。

在通信系统电路中，压控振荡器（VCO）是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等电路中更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO压控振荡器几乎与电流源电路和运放电路具有同等重要的地位。

压控振荡器（VCO）的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。

对压控振荡器的技术要求主要有：

频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。

晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。

电压控制LC振荡器在任何一种LC振荡器电路中都是将压控可变电抗元件插入振荡回路中，本设计中采用变容二极管作为压控可变点抗元件，这样就可形成LC压控振荡器。

早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来大都使用了变容二极管。

在微波频段，用反射极电压控制频率的反射速调管振荡器和用阳极电压控制频率的磁控管振荡器等也都属于压控振荡器的性质。

在通信技术、测量技术、计算机技术等各种领域中，常常要用到精度比较高，频率稳定度高且方便可调的信号源，电压控制振荡器是如今使用非常广泛的一类电子器件，为电—光转换电路、移动式手持设备等提供了很好的解决方案。

1.2本课题设计意义

随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。

在无线电技术发展的初期，振荡器就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。

本设计电压控制LC振荡器是如今使用非常广泛的一类电子器件，为电一光转换电路、移动式手持设备等提供了很多的解决方案。

本文设计的是电压控制LC振荡器，设计中采用了改进型电容三点式西勒振荡器电路作为本设计的主要组成部分，解决了基本三点式振荡电路设计中存在的改变振荡频率必改变反馈系数的矛盾，通过调节压控变容二极管两端电压来改变振荡器的输出频率，使设计系统达到15MHz～35MHz输出频率可变的要求。

在LC振荡器的LC回路中，使用电压控制电容器（变容二极管器），就可以在一定频率范围内构成电压调谐振荡器，即电压控制LC振荡器。

压控振荡器可广泛使用于频率调制器，锁相环路，以及无线电发射机和接收机中。

本设计电压控制LC振荡器采用了变容二极管来实现电压控制的功能，末级功率放大器采用了三极管9018，实现了功率放大的功能，并使其三极管工作在丙类状态，以提高工作效率。

若负载为容性阻抗，采用串联谐振回路以提高输出功率。

系统主要选用LC振荡器来实现振荡，并改变电路输入电压来控制电路频率的变化。

LC振荡器因谐振回路具有很高的选择性，即使放大器工作在非线性区，振荡电压也非常接近正弦形，达到设计要求。

但因它的谐振元件LC之值只限于体积不宜过大，振荡频率不宜太低一般为几百千赫到几百兆赫。

频率稳定度一般为10-2～10-4量级，略优于RC振荡电路，但比石英晶体振荡器要低几个数量级。

谐振元件L或C的数值调节方便，可借以改变振荡频率，因而为广播、通信、电子仪器等电子设备所广泛采用。

压控振荡器的应用范围很广，集成化是重要的发展方向。

石英晶体压控振荡器中频率稳定度和调频范围之间的矛盾也有待于解决。

随着深空通信的发展，将需要内部噪声电平极低的压控振荡器。

2系统总体设计方案

2.1设计要求

2.1.1设计依据

（1）与电子电路设计有关的国家和行业的法规、技术标准与规范等；

（2）本电压控制LC振荡器设计任务书要求的技术范围。

2.1.2基本要求

（l）振荡器输出为正弦波，波形无明显失真。

（2）输出频率范围：

15～35MHz。

（3）输出频率稳定度：

优于。

（4）输出电压峰——峰值：

Vp_p=1V±0.1V。

2.2设计思路

本课题要求设计并制作一个电压控制的LC正弦波振荡器，即用电压控制LC类型的振荡器并实现输出电压的峰峰值恒定在1V±0.1V并能用示波器显示输出电压的峰峰值。

根据以上要求可知，该设计除具有压控LC振荡电路外还要有频率合成、幅度控制、峰峰值检测和示波器显示输出波形和频率输出的组成。

由于输出频率范围很宽，LC振荡电路还需要根据频率范围分段切换来实现对15MHz～35MHz频率范围的覆盖。

本设计通过电压改变变容二极管两端的电压改变输出频率。

本课题要求设计一个电压控制LC振荡器，振荡器输出波形为无失真的正弦波。

设计中采用分立元件组成电压控制LC振荡器，采用西勒振荡电路实现振荡效果，采用滑动变阻器改变输入电压，采用电压反馈电路使输出电压幅值稳定在1V±0.1V。

2.3整体框图

本设计主要通过振荡器电路产生一定的振荡频率，选用西勒振荡器达到输出为不失真的正弦波，其稳定度优于10-3。

电路通过输入电压控制振荡频率，通过改变输入电压来控制变容二极管两端的电压，使频率随着电压的变化而变化。

振荡电路输出的电压经过耦合电容连接到放大电路中，放大后的电压使其输出值控制在1V左右，从而达到本设计的设计指标。

系统整体设计框图如图2—1所示。

图2—1系统整体设计框图

2.4方案比较与论证

2.4.1电压控制LC振荡器的设计与比较

人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。

在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。

1、振荡器的比较

在各种振荡电路中，LC振荡电路是比较常见的一种。

常用的LC振荡电路有以下几种：

方案一：

采用互感耦合振荡器形式。

调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较稳定。

调发电路只能解决起始振荡条件和振荡频率的问题，不能决定振幅的大小。

调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，幅度较大谐波成分较小。

互感耦合振荡器在调整反馈（改变耦合系数）时，基本上不影响振荡频率。

但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器，而且灵活性较差。

一般应用于中、短波波段。

方案二：

采用电感三点式振荡。

由于两个电感之间有互感存在，所以很容易起振。

另外，改变谐振回路的电容，可方便地调节振荡频率，由于反馈信号取自电感两端压降，而电感对高次谐波呈现高阻抗，故不能抑制高次谐波的反馈，因此振荡器输出信号中的高次谐波成分较大，信号波形较差。

方案三：

采用电容三点式振荡器。

电容三点式振电路的基极和发射极之间接有电容，反馈信号取自电容两端，它对谐波的阻抗很小，谐波电压小，因而使集电路电流中的谐波分量和回路的谐波电压都较小。

反馈信号取自电容两端，由于电容对高次谐波呈现较小的容抗，因而反馈信号中高次谐波分量小，故振荡输出波形好，而且电容三点式振荡器的频率稳定，适于较高工作频率。

考虑到本设计中要求频带较宽，输出波形好，所以选择方案三，采用电容三点式振荡器作为本设计振荡器类型。

2、压控LC振荡模块

方案一：

采用高稳定度适用于产生固定频率场合的克拉泼（Clapp）经典振荡电路。

方案二：

采用高稳定度的西勒（Seiler）经典振荡电路，如图2—2所示。

图2—2西勒振荡电路

以上两种方案中，方案一采用克拉泼电路，该电路振荡频率较为稳定，但该振荡的频率覆盖范围较窄，一般为1.2～1.3，若要覆盖15～35MHz，至少要分3～4段。

而且该振荡在一个较宽的波段内输出幅度不均匀，频率升高后不易起振。

因此该方案不予采纳。

而方案二采用西勒振荡电路，克服了克拉波振荡器的缺点在电感上并接一个可调电容调节振荡频率，电路较易起振，振荡频率也较为稳定，当参数设计得当时，覆盖范围可达1.4～1.6，因此只需2～3段即可覆盖设计要求的15～35MHz的频率范围。

故采纳方案二的设计。

这种电路的特点是：

振荡频率由C3、C4决定，但反馈系数由C1、C2决定，解决了基本三点式振荡设计中存在的改变振荡频率会引起反馈系数改变的矛盾。

本设计选用变容二极管取代C4实现本系统的核心模块—VCO电路，西勒振荡电路的原理图如图2—2所示。

2.4.2功率放大器的设计和比较

高频功率放大器有多种形式，有甲类（=）、乙类（=）、丙类（＜）、丁类。

理论上说导通角越小即导通时间越短，电路工作的效率越高，但为还原初始信号所需的后级电路也越复杂。

甲类互补放大器和乙类放大器适用于线性放大，多用于宽带功率放大，但是效率较低，理论最大值分别为50％和78.5％；丙类、丁类适用于固定频率的放大电路中在放大等幅信号时，放大器一般工作在丙类状态，而放大高频调幅信号时一般工作在乙类状态，丙类放大器的效率高，且具有选频作用的谐振网络能滤去谐波，从严重失真的电流波形中得到不失真的电压输出。

放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。

为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。

但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。

低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类。

高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集。

电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。

因而工作在丙类状态，其谐振网络主要是用来从失真的电流脉冲中选出基波、滤除谐波，从而得到不失真的输出信号。

根据实际要求该放大器属于选择频率段的放大器，丁类在规定时间内较难设计制作，由于丙类放大器效率较高且容易制作和调试，且具有选频作用的谐振网络能滤去谐波，从严重失真的电流波形中得到不失真的电压输出。

所以我们选择了丙类谐振放大器作为本设计的功率放大器。

2.4.3LC振荡器控制信号的实现比较

方案一：

采用VCO,函数发生器，如ICL8038。

它通过改变外加控制电压，改变芯片內的电容充电电流，从而可以输出一定频率的正弦波。

但是其输出的频率较低，而且频率的稳定度差，频率的难以控制检测。

方案