電壓控制LC振蕩器原理及制作方法

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
　?。?）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。
　?。?）LC振蕩器頻率產生方案

　　
　?、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。
　?、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，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，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。

　　
　?、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。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。
　?。?）LC振蕩器信號幅度穩(wěn)定方案