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1、摘要随着现代通信技术的发展,各种通信设备层出不穷,涉及信息收发的各种仪器在调制和解调过程中,都必须依靠高精度的振荡源,否则信息将无法发送和接收,因而个正通信设备中几乎都离不开高稳定度的振荡源。振荡器的种类有很多,包括反馈式振荡器、负阻式振荡器等,本次课程设计主要完成正弦波压控振荡器VCO的设计。包含有压控元件作为频率控制器件的振荡器就称为压控振荡器,压控振荡器广泛应用于各种发射机载波源、扩频通讯载波源或作为混频器本振源。本次设计利用晶体管、变容二极管等分立元件完成相关设计,并达到设计要求。关键字：正弦波 振荡器 变容二极管 VCO / AbstractWith the development
2、of modern communications technology, a variety of communications equipment and related information sent to or from a variety of instruments in the modulation and demodulation process, must rely on high-precision oscillations, otherwise the information will not be able to send and receive, and thus a
3、 positive communication equipment almost without high stability of oscillations. Oscillator types include feedback oscillator, negative resistance oscillator, etc, this course is designed mainly to complete the sine wave voltage controlled oscillator design. Contains a voltage-controlled components
4、as the oscillator frequency control device is called a voltage controlled oscillators, voltage controlled oscillators widely transmitters carrier source, spread spectrum communications carrier source or as a mixer local oscillator. This design using transistors, varactor diodes, etc to complete disc
5、rete components, and related design meet the design requirements.Keywords: sine wave oscillatorvaractor VCO1 正弦波压控震荡器介绍1.1正弦波振荡器正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。广泛应用于各种电子设备中,特别是在通信系统中起着重要作用,它是无线电发送设备的心脏部分,也是超外差式接收机的主要部分。根据选频网络所采用的器件可以分为LC振荡器、RC振荡器、晶体振荡器,其中RC振荡器一般用在频率较低的场合。LC最常用的电路是三点式,即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极
6、分别连接而成的电路。如图1所示图1-1三端振荡器从相位平衡条件判断,三端式振荡器能否震荡的原则为：（1） X1和X2的电抗性质相同；（2） X3与X1、X2的电抗性质相反。1.2 两种改进型电容反馈振荡器三端式振荡器根据组成反馈网络元件的电抗性质,可分为电容反馈式振荡器和电感反馈式振荡器。由于电容反馈式振荡器具有工作频率高、波形好等优点,在许多场合得到了广泛应用。常用的两种改进型电容反馈的振荡器为克拉泼振荡器和西勒振荡器。分别如图1-2和图1-3所示,本课程设计的压控振荡器电路即根据西勒振荡器变化而来。图1-2克拉泼振荡器图1-3西勒振荡器2 VCO硬件电路设计2.1 压控振荡器压控振荡器指输
7、出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路,常以符号。其特性用输出角频率0与 输入控制电压Uc之间的关系曲线来表示。图2-1 压控振荡器特性曲线图2-1中,Uc为零时的角频率0称为自由振荡角频率；曲线在0处的斜率K0称为控制灵敏度。使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制,就可构成一个压控振荡器。2.2 压控振荡器的基本参数1 工作频率：规定调谐电压范围内的频率范围称作工作频率,通常单位为MHz或GHz。2 输出功率：在工作频段内输出功率标称值,用Po表示。通常单位为dBmw。3 输出功率平稳度：指在输出振荡频率范围内功率波动最大值,通常单位为dBmw。4 调谐灵敏度：定义为调
8、谐电压每变化1V时,引起振荡频率的变化量,在线性区内,灵敏度最高,在非线性区灵敏度降低。5 谐波抑制：定义在测试频点,二次谐波抑制=10LogP基波/P谐波dBmw。6 3dB调制带宽：是指特定用途的VCO在作调频使用时,调制信号为1Vp-p时,产生的调频频带宽度,主要有双端压控作调频时用户的要求作出设计2.3 正弦波压控振荡器设计方案2.3.1 方案一 基于积累型MOS变容器的正弦波压控振荡器 将MOS晶体管的漏、源和衬底短接便可成为一个简单的MOS电容,其电容值随栅极与衬底之间的电压VBG变化而变化。在反型区和积累去的PMOS电容值Cmos等于Cox氧化层电容。在强反型区和积累区之间还有三
9、个工作区域：中反型区、弱反型区和耗尽区。这些工作区域中只有很少的移动载流子,使得Cmos电容值减小,此时的Cmos可以看成Cox和Cb与Ci的并联电容串联构成。Cb表示耗尽区域电容的闭环,而Ci与栅氧化层界面的空穴数量有关。图2-3变容二极管压控振荡器图2-2 积累型MOS变容器2.3.2 方案二 利用变容二极管在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件后,即可对振荡频率实行控制。受控电抗元件常用变容二极管取代。 变容二极管的电容量Cj取决于外加控制电压的大小,控制电压的变化会使变容管的Cj变化,Cj的变化会导致振荡频率的改变。 对于图中,若C1、C2值较大,C4又是隔直电容,容量
10、很大,则振荡回路中与L相并联的总电容为： C=Cj + C3串C2串C1=Cj + C变容管是利用半导体PN结的结电容受控于外加反向电压的特性而制成的一种晶体二极管,它属于电压控制的可变电抗器件,其压控特性的典型曲线如图所示。图中,反向偏压从3V增大到30V时,结电容Cj从18pF减小到3pF,电容变化比约为6倍。对于不同的Cj,所对应的振荡频率为 VR为最小 VR为最大图2-4 变容二极管变容特性通常将fmax和fmin的比值称为频率覆盖系数,以符号Kf表示,上述振荡回路的频率覆盖系数通过以上分析可知,本设计满足振荡器的起振条件和平衡条件,振荡器的另一个重要指标是频率稳定度,因此在本次设计中
11、各器件参数的选择必须满足频率稳定度的要求。因此我们选用用变容二极管作此设计3 设计过程3.1 正弦振荡器电路正弦压控振荡电路的论证本设计选用西勒振荡电路作为VCO。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必改变反馈系数的矛盾。综合考虑稳幅输出和调谐方便,本设计选用变容二极管取代c4实现本系统的核心模块VC0。图3-1 正弦振荡电路3.2 稳幅控制的选择与论证方案一采用带有自动增益控制的运放,对VCO输出信号进行放大的同时又稳定输出幅度。这种设计方案要求运放有较高的带宽增益积,价格比较贵,性价比不高,故不采用。方案二采用
12、自动增益控制的办法,对VCO的输出进行检波,检波输出信号经滤波后反馈回振荡器,控制振荡器的静态工作点,使VCO输出幅度基本保持不变。这种闭环控制的方法理论上会有很好的效果。但具体实现电路复杂。重要的是这种方案在振荡器起振前,无法给出正确的静态工作点,故不采用此方案。方案三对方案二进行改进,用软硬件结合的办法,通过幅度测定反馈,实时动态调整静态工作点,实现稳幅输出。具体实现办法为：利用数控电位计控制基极的电压。为使VCO顺利起振,预先测试好每个频率基本稳幅输出所需的基极电压,量化做表,存ROM中,在控制锁相环设定频率的同时给出该频率起振所需的基极电压。在振荡器起振后,通过检波和AD采样,实时检测
13、输出电压,根据检测结果由单片机随时调整数控电位计的工作状态,构成稳定的反馈回路。思考证明的实验三应该是最佳选择,但是由于我们对单片机控制电路,不甚了解,时间有限,所以为了避免电容产生的非线性因素通常利用串联或并联电容的方法来调整回路总电容。3.3 缓冲电路设计图3-2 缓冲电路设计信号从三极管的基极输入,射级输出。输入电阻很大,输出电阻很小,可以有效的提高电路的功率利用率。再次晶体管后面接一跟随器,就可以减小级间影响,因为本电路设计无级间连接,故跟随器没有显示出来4 总体电路设计图4 总体电路设计5 振荡电路参数的确定与仿真5.1参数选择要求振荡频率为10MHz,根据公式,可以假设,C3,C2
14、,C4分别为18pF,10pF,33pF。再确定变容二极管。在实际应用中,Cj作为回路电容总会出现非线性,输出信号的频率稳定度也将下降。因此,通常利用串联或并联电容的方法来调整回路总电容。根据上述电容的取值,可以求出,电感L大约为200uH。为了使三极管工作在合适的静态工作点,需要设置合适的偏置电路。我们不妨取偏置电阻R1,R2分别为1k 欧姆与3k 欧姆,缓冲级电阻R3,R4皆取1k 欧姆。如此,可以满足q点的要求。另外,一些阻直流,通交流；阻交流,通直流的非线性原件取合适的值,便可以将高频信号与直流源隔离开,使得输出效果更好。5.2 基于Multisim的仿真调试5.2.1 静态工作点测量 表5.1 静态工作点测量UbQVUceVIcQmAIbQVUbeV1.33.712.21.220.75.2.2 振荡电路性能测量 表5.2 振荡电路性能测量偏置电压V3568振荡频率MHz11.79512.3412.62313.8电压幅度V1.11.231.361.575.2.3 同时仿真测得输出波形由于元器件不稳定及偏置电压设置不足够准确等原因,波形不大稳定,有失真。图9 仿真波形6 元件清单及整体电路序号名称型号数量1电阻1、2、3k各12电容1u13电阻10p、50p、68p各14电感22mH15电感
