葉雯靜

（重慶能源職業(yè)學(xué)院，中國 重慶402260）

1 總體設(shè)計

根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，為了實現(xiàn)電壓控制LC 振蕩器工作頻率的寬范圍調(diào)節(jié)和輸出電壓、工作頻率的精確測量，提高工作頻率穩(wěn)定度、輸出電壓的平坦度及高頻功率放大器的效率，可采用多種方案實現(xiàn)。 本設(shè)計著重考慮采用兩個獨立的VCO 振蕩器和寬帶放大器獲得不同波段正弦信號，波段內(nèi)頻率調(diào)節(jié)方便，平坦度好，系統(tǒng)不需設(shè)置AGC 放大器，設(shè)計調(diào)試方便。

圖1 系統(tǒng)組成圖

該方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。為了達(dá)到輸出頻率要求的覆蓋范圍并達(dá)到要求的平坦度，本方案采用兩個LC 壓控振蕩器分別構(gòu)成兩個波段，每個波段的頻率變化范圍相對較窄，容易保證輸出電壓的平坦度，而不需設(shè)置AGC 放大器。波段的選擇由單片機(jī)根據(jù)輸出頻率值用繼電器控制轉(zhuǎn)換。為提高輸出工作頻率穩(wěn)定度，采用了鎖相技術(shù)，鎖相環(huán)的分頻次數(shù)由單片機(jī)進(jìn)行程序控制。為使輸出電壓達(dá)到設(shè)計任務(wù)要求，在壓控振蕩器之后分別設(shè)置了兩個寬帶放大器，每個寬帶放大器放大一個波段，放大后的信號經(jīng)緩沖器輸出，對于30MHz 的信號經(jīng)高頻功率放大器放大輸出。為提高高頻功率放大器的效率采用丙類功率放大器。 為實現(xiàn)輸出頻率的實時測量，其頻率信號從寬帶放大器輸出端采集，并經(jīng)前置分頻后送入單片機(jī)進(jìn)行測量和顯示。 為實現(xiàn)輸出電壓的實時測量并盡量減少占用單片機(jī)口線，輸出的高頻電壓經(jīng)高頻檢波后由V/F 變換器把電壓信號變換成頻率信號，并送入單片機(jī)進(jìn)行測量和顯示。 考慮到在整個工作頻率范圍內(nèi)檢波器輸出電壓的不一致性，為了盡可能提高電壓測量精度，單片機(jī)將對檢測到的信號進(jìn)行軟件擬合。 為保證系統(tǒng)關(guān)閉后再次開機(jī)時仍保持關(guān)機(jī)前輸出頻率，系統(tǒng)設(shè)置了輸出參數(shù)記憶電路。為使顯示內(nèi)容豐富、直觀清晰，顯示部分采用液晶顯示（功能采用中文提示，工作頻率和輸出電壓同時顯示）。

2 主要電路設(shè)計與分析

壓控振蕩器及寬帶放大器：

電壓控制LC 振蕩器由兩個壓控振蕩器組成。 其中IC1、T1 等器件組成21MHz～36MHz 振蕩與放大電路，IC2、T2 等器件組成14MHz～23MHz 振蕩與放大電路。 波段的選擇由單片機(jī)根據(jù)輸出頻率的大小通過繼電器進(jìn)行控制，振蕩信號經(jīng)射級跟隨器輸出。 射級跟隨器輸出的信號同時送至鎖相環(huán)電路，鎖相環(huán)輸出的信號經(jīng)低通濾波后作為本電路的壓控信號UT。

LC 振蕩器的核心部分是用調(diào)頻發(fā)射組件芯片MC2833 中的RF振蕩器與外接變?nèi)荻O管、電感等元件構(gòu)成的電容三點振蕩器，振蕩信號通過MC2833 中的緩沖器輸出。變?nèi)荻O管選用MV1401，其標(biāo)稱電容為550～120pF， 調(diào)諧率為10～14， 電容指數(shù)為2， 頻率比為3.2～3.7，屬于超突變結(jié)調(diào)諧二極管，頻率調(diào)諧范圍較寬，適合于本課題選用。 為了提高調(diào)諧線性和電容調(diào)節(jié)量，本設(shè)計采用每三個變?nèi)荻O管并聯(lián)對接的連接方式。 采用這種連接方式后，變?nèi)荻O管的電容量可增大三分之一。

圖2 LC 振蕩器與寬帶放大器電路

設(shè)高頻段為22MHz～36MHz，中心頻率為30MHz，變?nèi)荻O管組的電容量為80pF,則由下式可算出所需電感量。

該電感采用0.8mm 漆包線繞制成直徑為5mm 的空心線圈， 線圈匝數(shù)為9 匝。

設(shè)低頻段（14MHz～23MHz）的中心頻率為18MHz。 同理可算得低頻段振蕩線圈L 的電感量為0.9μH。該電感采用0.8mm 漆包線繞制成直徑為5mm 的空心線圈，線圈匝數(shù)為9 匝。

壓控振蕩器輸出的電壓幅度約為220mmVP-P～250 mmVP-P ，為了獲得1VP-P 的輸出電壓， 所需寬帶放大器的電壓放大倍數(shù)約為5倍。 寬帶放大器采用3358，其截止頻率為7GHz，完全能夠滿足本設(shè)計的要求。 放大器采用一級共發(fā)放大器與一級射級跟隨器級聯(lián)，不僅能夠滿足增益的要求，同時與后級具有一定的隔離度。

（1）鎖相環(huán)電路

上面介紹的壓控LC 振蕩器由于元器件參數(shù)將會隨溫度的變化而變化，導(dǎo)致工作頻率不穩(wěn)定，且無法實現(xiàn)步進(jìn)控制。為了提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，實現(xiàn)工作頻率的步進(jìn)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)采用了鎖相技術(shù)，使之構(gòu)成一個相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)。 該控制部分的核心器件是MC13111A，MC13111A 中含有時間基準(zhǔn)、鑒相器和程控分頻器。 壓控LC 振蕩器輸出的信號送入程控分頻器輸入端（TX VCO），其分頻次數(shù)由單片機(jī)以串行方式送入Data 端對分頻比進(jìn)行控制， 分頻器輸出的相位信號θ1（t）與內(nèi)部產(chǎn)生的相位信號θ2（t）進(jìn)行比較，輸出一個與相差θ（t）=θ2（t）-θ1（t）成函數(shù)關(guān)系的誤差信號ud(t)。

圖3 瑣相環(huán)電路

誤差信號ud(t)從6 腳輸出送至環(huán)路濾波器。 該環(huán)路濾波器由無源比例濾波器和RC 積分濾波器級聯(lián)構(gòu)成，具有低通特性。 無源比例濾波器的傳遞函數(shù)為：

RC 積分濾波器的傳遞函數(shù)為：

式中τ1、τ2、τ3由電路中相應(yīng)的R、C 元件決定。它們的濾波特性如圖4 所示。

圖4 濾波特性圖

濾波器輸出的直流誤差信號送至直流電壓放大器， 放大10 倍后送至壓控LC 振蕩器。

由式：

可知，若取R1=10K，則RF=100K，R2= R1//RF=9.1K為了提高輸出電壓，運放采用NE5532。

（2）輸出功率放大器

圖5 功率放大器電路

輸出功率放大器電路如圖5 所示，由前置放大電路和丙類功放兩部分組成。 前置級和功放級均以選頻網(wǎng)絡(luò)為負(fù)載，以便形成匹配和濾波功能，選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率為30MHz，據(jù)此可粗略計算選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振參數(shù)。

根據(jù)設(shè)計要求為了盡可能提高效率，采用了丙類功率放大器。 功放消耗的電源功率、輸出功率和效率可由下式計算：

其中：γ 為波形系數(shù)，在1～2 之間。 ξ 為電壓利用系數(shù)。

丙類功放效率較高，理論上可達(dá)到90%。 當(dāng)γ=2 時，效率最高，但這種情況不可取，因為此時沒有功率輸出。為了兼顧功率和效率，并考慮到選頻網(wǎng)絡(luò)的損耗，實際效率將低于理論最大值，本設(shè)計的實際效率為73%。

（3）前置分頻電路

圖6 前置分頻電路

考慮到單片機(jī)的時鐘頻率為12MHz，15MHz～35MHz 的信號不能直接送入單片機(jī)進(jìn)行測量，壓控LC 振蕩器輸出的信號在送入單片機(jī)進(jìn)行測頻之前必須進(jìn)行預(yù)分頻和電平變換。圖6 所示電路為實現(xiàn)前置分頻和電平變換的電路。 MB506 將壓控LC 振蕩器輸出的頻率信號放大整形后進(jìn)行256 次分頻。 分頻后得到的脈沖信號其幅度為1.5V 左右，經(jīng)過74HC04 等元件組成的電平變換電路變換成邏輯電平后送入單片機(jī)。前置分頻電路輸出的邏輯信號頻率為58kHz～117kHz，周期為17μs～8.5μs。 設(shè)測頻時的閘門時間為1 秒，則±1 個字的測量誤差不大于，完全能夠滿足設(shè)計要求。

（4）高頻電壓測量電路

高頻電壓測量電路由高頻電壓檢波器、壓頻變換器組成，檢波器輸出的直流電壓經(jīng)壓頻變換器線性地變換成頻率信號后送單片機(jī)，單片機(jī)通過測量壓頻變換器輸出的頻率間接測量出被測信號的電壓峰-峰值?？紤]到檢波器的非線性，為提高測量精度單片機(jī)在顯示結(jié)果前，先對測量結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)修正。

高頻電壓檢波電路如圖7 所示，由峰值檢波器、光電偶合差動變換器、直流放大器組成。 檢波二極管用C3358 高頻晶體管構(gòu)成，該管工作頻率高線性度好，特別適合于高頻檢波。為提高檢波器的性能，檢波管的偏置電壓和檢波結(jié)果由TP521-2 雙光電偶合器構(gòu)成的差動電路實現(xiàn)，檢波器的工作電源由基準(zhǔn)電源TL431 提供。采取上述措施后，使得檢波器的輸出電壓非常穩(wěn)定，漂移很小。 光電偶合放大器輸出的直流電壓經(jīng)運放LF358 放大后送壓頻變換器進(jìn)行變換。

圖7 高頻電壓檢波器

圖8 壓頻變換器

壓頻變換電路如圖8 所示。 變換器采用LM331，LM331 線性度好（最大可達(dá)0.01%）、溫度穩(wěn)定度好（達(dá)±50×10-6/℃）、脈沖輸出與所有邏輯形式兼容， 因此特別適合作A/D 變換。 由于被測電壓峰-峰值為1Vp-p 時，檢波電路輸出的直流電壓為1V，為了方便單片機(jī)測量，壓頻變換器的壓頻變換比設(shè)為1V/KHz，即:

其中，IR=10～50μA，t0=1.1RtCt，改變RS可改變電壓頻率轉(zhuǎn)換比。

（5）單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖9 所示， 由89C52 單片機(jī)、FM12232B液晶顯示模塊、E2ROM24C01，控制鍵盤和復(fù)位電路等組成。 單片機(jī)最小系統(tǒng)主要完成頻率測量與顯示、峰值電壓測量與顯示、工作頻率的步進(jìn)控制、波段自動轉(zhuǎn)換控制、鎖相環(huán)波段控制、工作參數(shù)記憶（用24C01 保存）等功能。

3 系統(tǒng)工作原理及軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是實現(xiàn)信號測量、頻率步進(jìn)控制、提高頻率穩(wěn)定度的關(guān)鍵。 整個軟件由主程序、T2 定時器處理程序、按鍵處理程序三大部分組成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、讀出頻率記憶值、啟動定時器、判斷有無按鍵按下和測量、處理、顯示被測信號頻率及電壓值。 T2 定時器處理程序主要是完成頻率測量所需的1s 閘門控制，保存測量數(shù)據(jù)。 按鍵處理程序主要是判斷所按下鍵的功能、修改步長、保持當(dāng)前頻率值。

（1）主程序流程圖(略)

（2）T2 定時器處理程序(略)

（3）按鍵處理程序（略）

圖9 單片及最小系統(tǒng)

4 系統(tǒng)試報告

通過仿真調(diào)試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性能良好。

［1］尚洪生.現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用設(shè)計[M].科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2000.

［2］曹龍漢，劉安才.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].重慶通信學(xué)院出版社，1998.

［3］樓然苗，李光飛.51 系列單片機(jī)設(shè)計實例[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2003.