电压控制LC振荡器制作原理及实现

2003年全国大学生电子设计竞赛试题中的A题，要求设计并制作一个电压控制LC振荡器。本文对几种采用比较多的方案进行简洁的评析。
　　
设计制作题意的领会
　　
　　电压控制LC振荡器应将基本部分和发挥部分综合考虑。明确要求设计制作两个可相互独立的部分：一是制作15~35MHz的频率间隔100kHz步进调整和指定频率设置的LC振荡器；二是工作于30MHz点频的高效高频功率放大器。队员需把握好以下两点：
　　
　　1．对于LC振荡器
　　（1）输出信号振幅稳定(Up-p=1±0.1V)，波形无明显失真的正弦波；（2）输出信号的频率范围要为15~35MHz，且工作频率可按最小频率间隔的整数倍数值在范围内任意预置，同时在预置频率点上能以最小频率间隔步进增、减输出信号的频率；（3）显示预置的频率和输出信号的测量频率及输出信号Vp-p数值； （4）LC振荡器工作于短波的高端，要做好信号缓冲隔离和电磁屏蔽，要做好元器件固定和电源及控制信号的净化。
　　
　　2．对于30MHz点频率高效高频功率放大器
　　（1）信号源是LC振荡器，功率放大器输入要不影响LC振荡器性能；（2）功率放大器是工作于30MHz点频，无带宽要求，尽可能做窄带功率放大；（3）只能是在单电源E=12V条件下工作，而且要求在纯阻负载和一个等效的容性负载的纯阻部分得到无明显失真正弦波的功率Po≥20mW；（4）提高功率放大器效率需选丙类高频功率放大器；（5）滤波匹配网络要处理好在纯阻负载和容性负载时的匹配。宁可让高频功率放大器工作在略过压状态，而不要工作在欠压状态。

　　
采用的几种方案评析
　　
设计制作方案根据题意同样分LC振荡器和功率放大器两部分。
　　
1．LC振荡器
　　LC振荡器频率产生选用的方案有四种：开环频率合成有电压频率合成和直接数字频率合成（DDS）；闭环频率合成有锁相环频率合成和含AFC的电压频率合成。
　　LC振荡器稳幅选用的方案有三种：分立元件BJT或FET的AGC、数字电位器AGC、数模混合AGC。
　　（1）LC振荡器频率产生方案

　　
　　①开环频率合成中的电压频率合成，其原理方框图如图1所示。 其基本原理是根据预置数值由单片机产生相应的数字量，通过D/A转换器产生控制电压去控制VCO中的变容二极管实现电调改变VCO的工作频率。方案的特点是电路简单、经济，输出频率可以连续调整，但工作频率稳定度较低（能达到10-3要求）。最主要的是变容二极管压控特性存在非线性，压控灵敏度不一致，随着外加电压增加，压控特性曲线斜率逐渐变小，变容二极管压控灵敏度将降低，从而带来了预置量与数字量变换的设计和调整困难，同时还要求D/A的分辨率较高。
　　②开环频率合成中的直接频率合成（DDS），其原理方框图如图2所示。
　　基本原理是利用计算机查寻表格上所存储的正弦波取样值，正弦波的数字量通过D/A转换产生模拟量的正弦波信号。由改变查表速度来改变信号频率。用预置于RAM存储器中所需波形的量化数据，按照控制字要求，以K为步进，对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码来读取存放于波形存储器内的波形数据，经D/A和滤波产生所需信号。直接数字频率合成具有相对带宽很宽，在15~35MHz内无需分波段，转换时间短，频率分辨率高的优点。但电路复杂，不经济。

　　
　　③闭环频率合成中的带AFC电压频率合成，其原理方框图如图3所示。基本原理是由单片机对输出信号的频率进行测量，由这一频率量（测量量）同所需的频率量（预置量）进行比较处理，产生数字增量，在预置量的基础上形成一个控制的数字量经D/A转换去控制VCO中的变容二极管来完成电调和AFC功能。AFC是由预置频率数字量同实测频率数字量增量来实现的。这一方案的特点是充分利用电路资源，且简单、频率稳定度较高、调整方便、频率可连续调整，但AFC时间长。
　　 ④ 闭环频率合成中的锁相（PLL）频率合成，其原理组成框图如图4所示。
　　其工作原理是利用单片机把预置频率量及步进量来产生分频比的控制数字量，分别改变程序分频器和参考分频器的分频比。VCO的输出信号频率经前置分频（固定分频）、程序分频（可变分频）得到的频率特征信号与参考频率（晶体振荡器）经参考分频器输出的基准频率在鉴相器鉴相，产生误差电压经低通滤波器滤波来控制VCO的变容二极管，改变VCO的工作频率，一旦进入鉴相器的两个信号频率相同，则鉴相输出一固定的电压，从而VCO稳定地工作在预置频率上。通过单片机控制程序分频器和参考分频器的分频比，来改变VCO输出信号的频率以及频率调整的频率间隔。锁相频率合成具有频率稳定度高，准确度好的特点。但输出信号频率不能连续可调，只能以频率间隔步进调整和按频率间隔的整倍数值设置。
　　（2）LC振荡器信号幅度稳定方案

　①分立元件BJT或FET稳幅，原理图如图5所示。 结型场效应管稳幅，是UDS很小时在UGS的控制下，导电沟道呈现线性电阻特征，导电沟道的电阻值随UGS变化。图5a中场效应管T等效一受控电阻RDS，Uo=（1+R/RDS）Ui。故在Vp-p变化时，UGS相应变化，使RDS变化，则Uo相反变化，从而实现稳幅；BJT是利用Up-p变化来改变T的工作点，使其对应的增益变化来实现稳幅。这种方案简单、经济，但稳幅性能不佳。
　　②数字电位器稳幅原理图如图6所示。 数字电位器AGC的工作原理与FET相似，是通过改变放大器的反馈量来调整放大器增益。只是这种调整量利用Vp-p检波的直流电压经A/D转换由单片机产生数字量控制数字电位器的阻值，电路的特点是控制精度高、稳幅性能好，但电路复杂、成本高，并且数字电位器高频特性差。
　　③ 采用可控增益放大器稳幅，数模可控增益放大器AGC电路原理方框如图7所示。从框图可见，可控增益的放大器选用高频特性好的IC，由Vp-p检波后的电压经A/D、单片机和D/A去控制可控增益放大来稳幅。该稳幅电路最大的特点是高频性能好，调整方便（可设置输出幅度），稳幅精度高，但电路复杂。
　　由上述分析可知：LC振荡器频率产生采用闭环AFC电压频率合成和闭环PLL频率合成满足题目要求，但以PLL为佳。稳幅电路宜选用高频特性好的可控增益放大器来构成稳幅电路。单片机和A/D、D/A等资源要优化，且充分利用。

　　
2．高效高频功率放大器
　　高效高频功率放大器重点是失真要小、效率要高、输出功率要大。难点在电源电压E=12V时，保证纯阻负载和容性负载电阻上的高频不失真功率要达到Po≥20mW。
　　为了减小功率放大器对LC振荡器的影响和高效率输出大功率，选用有推动级、激励级及末级工作于丙类（C类）的电路结构，性能优劣集中表现为滤波匹配网络的设计上。
　　功率放大器由推动级、激励级和末级三部分组成。为了提高效率，末级工作于丙类，晶体管选用高频功率管。功率放大器中的滤波匹配网络是关键：进行阻抗变换保证激励级至末级，末级至负载高效率获得所需的功率；充分滤除不需要的高次谐波，减小波形的失真；让滤波传输效率ηk=P1/P，尽可能接近1。

　　
　　激励级输出与末级输入之间采用的滤波匹配网络因激励级负载是末级的输入阻抗基本不因末级负载变化而变化。设计要求重点是把末级的输入阻抗在30MHz工作频率上变换为激励级所要求的Re，而末级的滤波匹配网络除了要滤除30MHz基波以外的谐波，同时要保证末级由50Ω纯阻负载变为20pF电容和50Ω纯阻串联构成的容性负载，50Ω纯阻上的不失真功率Po≥20mW，该网络选用两种类型的滤波匹配网络级联，前一级滤波匹配网络的有载品质因数选大点，其幅频特性在fo=30MHz时BW0.7稍小，对谐波的抑制能力增强，减小波形失真，后一级滤波匹配网络的有载品质因数选小一点，由于后级有载品质因数较小，其幅频特性在30MHz时BW0.7稍大，保证当20pF电容与50Ω电阻串联构成容性负载时输出功率有较小的下跌，功率放大器效率也只有微小的减小。
　　
LC振荡器和功率放大器测量
　　
正确地测量是保证作品成功完成的重要环节，图8是测量的连接方框图。
测量时要注意：