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电压控制LC振荡器.doc
电压控制 LC 振荡器
李刚 唐晓庆 廖艳闺
摘要:本设计主要由锁相环频率合成器、幅度稳幅控制模块、幅度可调控制模块、
高频功率放大器和单片机键盘显示处理等模块组成，实现了输出正弦波的频率在
15MHz~100MHz 连续可调，频率步进为 5KHz，频率稳定度高达 10-6；幅度峰峰
值 0.5~8V 连续可调，幅度步进 10mV。当输出信号峰峰值稳幅在 1V 时，单电源
12V 对功率放大器供电，对固定的 30MHz 信号进行功率放大，可以在 50Ω纯电
阻和容性负载实现≥35mW 功率输出，具有较高的效率。
一、 方案论证与选择
1、 正弦压控振荡电路（VCO）方案论证
方案一：电感三点式振荡器
采用电感三点式振荡器构成 VCO，电路压控特性较好，起振容易、调整方
便。但由于反馈支路为感性支路，对高次谐波呈现高阻抗，故对于 LC 回路中的
高次谐波反馈较强，导致输出波形不好，且在频率较高时，不易起振。
方案二：电容三点式振荡器
采用电容三点式振荡器，频率较稳定，且反馈支路为电容支路，对高次谐波
呈现低阻抗，故对高次谐波反馈减弱，使得输出波形失真较小。但是该方案频率
的覆盖范围较小。
方案三：集成电路振荡器
采用集成电路振荡器，振荡反馈由其内完成，仅需在外部接入 LC 回路。外
接电感和可变电容组成并联谐振回路，容易使用变容二极管改变振荡频率，输出
波形为正弦波，波形失真较小，电路简单，且频率覆盖范围较大。
综上所述，选用方案三，集成电路振荡器选用压控振荡芯片 MC1648，该振
荡器构成的 VCO 能达到所需要求。
2、 扩展频率范围方案论证
方案一：波段切换法
将 15M~100MHz 划分成两个频段，即 15M~35MHz，35M~100MHz。选用合
适的电感，波段选择由单片机根据输出频率值用继电器切换回路电感从而达到切
换波段的目的。
方案二：混频法
采用混频法将 VCO 振荡在高频的信号搬移至所需的低频段，从而增加频率
覆盖系数。
方案一波段切换法电路简单，频率范围大。方案二混频法电路实现较复杂，
且还需产生较高的本振信号。故采用方案一波段切换法。
3、 VCO 控制电压产生模块方案论证
方案一：D/A 控制
预先测试和计算好所要产生频率所需的控制电压，将其量化存于 ROM 中，
利用单片机查表控制 D/A 转换即可。该方案硬件较容易，但频率步进不能做得
很小，且为开环系统致使频率稳定性不是很好。
方案二：锁相环（PLL）技术
采用如图 1 所示的原理方框图，这是一个闭环控制的系统。鉴相器的输出可
自动调整 VCO 的控制电压，产生振荡频率的稳定度与晶振相同。VCO 的输出频
率由以下公式给出：
Mf
N f
r
由公式可知只需改变 M、N 的值，即可实现有效压控从而产生所需频率。采用
大规模集成电路组成 PLL，该方案元件器小、体积小、重量轻、性能价格比较高。
综上所述，采用方案二。其中 PLL 芯片采用大规模芯片 PLL 芯片 MC145152，
图 1 锁相环基本原理框图
其集成度高、工作性能稳定。
二、 总体方案及系统框图
本系统以单片机 AT89C52 和 CPLD570 为核心，由 LC 压控振荡器，锁相环
频率合成器，幅度可调控制模块及稳幅模块等功能单元电路组成。系统框图如图
2 所示。
图 2 系统总体框图
锁相环路模块采用基于 MC145152 芯片的频率合成器，波段选择由单片机根
据输出频率值用继电器控制转换，输出频率 15MHz~100MHz。参考晶振为
10.24MHz，采用高稳定温补晶体振荡器，晶振稳定度达 10-6，鉴相频率为 5KHz，
锁相环路得到 5KHz 的步进频率。环路滤波器由 NE5532 及相关元件构成。VCO
由芯片 MC1648 构成，VCO 信号经缓冲放大，得到峰-峰值为 1V 左右的输出信
号。可实时测量输出 OUT2 的电压频率及峰-峰值，并用液晶显示器实时显示。
单片机通过 DAC 预置输出电压幅值，VCO 输出信号的峰-峰值通过幅度可调控
制模块后可在 0~5V 连续可调，幅度步进为 10mV。末级功放模块采用互补推挽
电路，做成宽带功率放大器。使用 12V 的单直流电源给功率放大器供电，在
30MHz 的单频点时，50Ω纯电阻负载上功率不小于 30mW，在输出负载为容性
负载即为 50Ω电阻与 20pF 电容串联时，用一个串联谐振回路提高其输出功率。
三、 主要单元电路的理论分析与实现
1、 压控振荡器和稳幅电路
压控 LC 振荡器主要由压控振荡芯片 MC1648、变容二极管 BB112，以及 LC
谐振回路构成。MC1648 外接电感和变容二极管组成并联谐振回路，由于变容二
极管的电容比有限，要使振荡频率达到 15MHz~100MHz，需将其至少划分两个
波段，即 15MHz~35MHz 和 35MHz~100MHz，通过单片机利用继电器切换回路
电感从而达到切换波段的目的。VCO 产生的振荡频率范围和变容二极管的压容
特性有关。电源采用+5V 的电压，一对串联变容二极管 BB112 背靠背与谐振回
路相连，环路滤波器的输出电压加在变容二极管上，振荡器输出频率随加在变容
二极管上的电压大小改变而改变。电路图如图 3 所示。
图 3 VCO 及稳幅电路
VCO 芯片 MC1648 引脚 3 为缓冲输出端，5 脚为自动增益控制电路（AGC）
的反馈端。将 3 脚输出电压通过一反馈电路接到 5 脚，可以在输出频率不同的情
况下自动调整输出电压的幅值并使其稳定下 1V 左右。在输出信号电平变化时，
MC1648 内部 AGC 电路用改变增益的办法维持输出信号电平基本不变，从而达
到稳幅的目的。
2、 锁相环频率合成器
锁相环的基本原理框图如图 4 所示。锁相环频率合成器采用大规模集成 PLL
芯片 MC145152 为核心，MC145152 集成了参考分频器、鉴频鉴相器和可编程分
频器等。前置分频器采用集成芯片 MC12022，分频比 P=64/65。
图 4 锁相环原理框图
前置分频器 MC12022 和 MC145152 中的÷A 计数器和÷N 计数器一起构成吞
脉冲程序分频器。MC12022 的模式选择信号 MC 为高电平时，分频比为 P+1，
低电平时为 P。MC145152 内的÷N 计数器和÷A 计数器均为减计数器，A 计数
器计数期间，MC 为低电平；N 计数器计数（N-A）期间，MC 为高电平。则吞
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脉冲程序分频器的总分频比为 D=NP+A（A 的范围为 0~63，N 的范围为 0~1023），
由此可以计算出输出频率和 A、N 的对应关系，利用 CPLD 控制器改变其值，便
可达到改变输出频率的目的。MC145152 外接 10.24MHz 的晶振，它的频率稳定
度可达 10-6。参考分频器的计数器 R 取值为 2048，晶振振荡频率经 R 分频器分
频后形成 Rf =5KHz，即频率间隔为 5KHz，即为输出频率步进。压控振荡器信号
经 MC12022 双模（P/P+1）分频器分频，再经 A、N 计数器分频器后形成 Vf 信
。 Rf 信号和 Vf 信号在鉴相器中鉴相，输出的误差信号（ R 、
f
号，
V
V ）经环路低通滤波器形成直流信号，直流信号再去控制压控振荡器的频率。
电路如下所示：
NP A
f
VCO
/(
)
图 5
锁相环频率合成电路
3、 环路低通滤波器
采用运放芯片 NE5532 构成有源比例积分低通滤波器，用于滤除鉴相器输出
的误差电压中的高频分量和瞬变杂散干扰信号，以获得控制电压，提高环路稳定
性和改善环路跟踪性能和噪声性能。
在设计时首先选择合适的电容 C，然后，再根据 n 、N 、 nK 、 dK 和计算 1R
和 2R 的值。
R K K
1
R
2
/(
v
2 /
C
n
d
2
C
n
)
N
K
d
/ 2
V
DD
图 6
式中， vK 为压控振荡器电调灵敏
， DDV 是运放的工作电压，N 为总分频次数；为锁相环的阻
度，
尼系数，的合适取值范围为 0.5~1.0 之间，通常取最佳起始点 0.707
； n 为
环路自然谐振角频率， n 值的选择将直接影响环路滤波特性和捕着时间，为了
保证环路对噪声有较好的抑制， n 应远小于鉴相频率 d ，通常选取
比例积分滤波电路
d
n
/(30 ~ 100)
当噪声来源于参考频率和分频器时， n 可以选择得小；当噪声来源于压控振
荡器时， n 可以选取得大些。
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实际调示过程中对电阻值和电容值做了微调，使其性能达到最好。环路滤波
电路如图 7 所示：
4、 幅度可调控制模块
图 7 环路低通滤波器
该模块核心器件采用 TI 公司的压控放大器 VCA822 芯片。VCA822 具有 150MHz
带宽与 1700V/μs 压摆率，通过调整外置电阻器可在 0dB (1 V/V) 至 40dB
(100 V/V) 的范围内设置最大增益，通过对外部提供的增益电压进行动态调整，
还可实施超过 40dB 的增益调整范围，同时，还能在 dB/V 或 V/V 的线性增益
间进行选择。
图 8 幅度可调节控制电路
如图 8 所示，首先通过 DAC7611 产生一个预置直流电压 Vd，作为比较器 LM311
的一路输入信号。VCA822 的输出电压 Vout 经固定放大后进行峰值检波得到的直
流电压 Vo 作为 LM311 的另一路输入信号。LM311 的输出电压 Vgin 经无源 RC 低
通滤波得到一直流信号 Vg，作为 VCA822 的增益电压 Vg 引脚的输入电压。Vo 大
于 Vd 时，LM311 输出电压 Vgin 为低电平 V_，当 Vo 小于 Vd 时，Vgin 为高电平
V+，所以当 Vo 在 Vd 上下变动时 Vgin 是占空比不同的矩形信号，Vgin 经低通滤
波后得到的直流信号 Vg 也相应变化。Vg 变化则对 VCA822 的增益进行调整，使
Vout 相应变化，Vout 变化又改变了 Vo。如此循环下去，最终会达到动态平衡，
从而得到稳定的 Vout 信号。于是，通过 D/A 调整预置电压 Vd，便可以得到幅度
连续可调的稳定 Vout 信号。
5、 宽带功率放大器
采用乙类互补推挽对称功率放大电路，采用单电源+12V 供电，电路如图 9
所示。高频功率放大器的设计需要先考虑晶体管的选择。通常在选择过程中晶体
管的极限参数将是选择的主要依据。这些参数包括：集电极最大允许电流，反向
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击穿电压，二次击穿，集电极最大允许损耗功率，晶体管的安全工作区等。根据
设计要求，选择晶体管 JE9018、JE9012 和 JE9013，它们的参数基本上满足所需
要求。
图中 T4 管组成射集跟随器，实现与前级的有效阻抗变换，T3 管组成前置放
大级，T1、T2 组成互补对称输出级。调节 Rb1 可以给 T1、T2 提供一个合适的
偏置，从而使 K 点的电位
，则输出交流信号的最大值是电源电压值的
一半。则有：
V
V
K
/ 2
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2
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当输出信号频率为 30MHz，负载为容性时，串联一个电感 L，使负载构成串
联谐振，抵消容性的影响，从而使输出功率最大。电感值可按下式计算：
2
f
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LC
，
L
25300
2
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uH
)
图 9 功率放大电路
四、 软件设计
软件设计的关键是对 PLL 芯片 MC145152 的控制、频率波段选择、控制 D/A
产生预置电压实现输出信号幅度连续可调和绘制操作界面等。软件流程图如图
10 所示：
五、 测试方案及测试结果
1、测试仪器
高频示波器
超高频毫伏表
频率计
数字多用表
TDS1002
DA22A
HC-F 1000L
FLUKE 45
(TEK485)
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图 10 系统总程序流程图
2、测试方案及测试结果
1） 频率范围测试
先不接入功率放大器，用高频双踪示波器观察系统输出波形无失真的情况下，
用频率计测量输出正弦信号的频率。测试数据如下表：
表 1-1
单位：MHz
预置频率 10．0000 12．0000 15．0000 15．0050 18．0000 20．0000
输出频率 10．0050 12．0055 15．0000 15．0050 18．0000 20．0000
预置频率 30．0000 30．0050 30．0100 35．0000 40．0000 50．0000
输出频率 30．0000 30．0050 30．0100 35．0000 40．0001 50．0000
90．0000 98．0000 100．000
预置频率 60．0000 70．0000 80．000
输出频率 60．0020 70．0006 80．000
89．9999 97．9880 99．9952
2） 频率稳定度测试
系统在锁相环控制下，用频率计测量输出频率为 30MHz 时，测量时间维持 5
分钟，观察频率无变化，测量输出频率为 90MHz 时，测量时间 5 分钟，观察频
率变化 1KHz，算得输出频率的稳定度为 1.1E-6。
3） 幅度稳定度测试
断开功率放大器，通过幅度可调模块将输出信号峰-峰值调至 1V，用高频双
踪示波器观察系统输出波形无失真的情况下，在示波器测量正弦信号的峰-峰值。
测试幅度数据如表 1-2 所示。
表 1-2
输出频率/MHz 15．00 20．00 35．00 50．00 80．00 90．00 100．0
幅度实测值/V 1．010 1．000 1．012 1．005 0．998 0．990 0．950
预置幅度值/V 1．000 1．000 1．000 1．000 1．000 1．000 1．000
4） 幅度可调范围测试
断开功率放大器，调整输出频率为 35MHz，用高频双踪示波器观察系统输出
波形无失真的情况下，通过按键预置不同的幅度值，用示波器测量正弦信号的峰
-峰值。测试幅度范围数据如表 1-3 所示。
表 1-3
预置幅度/V 0.500 0.800 1.000 1.010 2.000 5.000 5.010 5.100 8.000
实测幅度/V 0.492 0.799 1.000 1.012 2.001 4.998 5.010 5.095 7.950
5） 功率放大器测试
调整输出频率为 30MHz，调整输出峰-峰值为 1V，接上高频功率放大器。用
示波器观察波形不失真的情况下，用超高频毫伏表测量 50Ω负载电阻上的电压，
并计算输出功率。测试数据如表 1-4 所示。
负载
负载电阻上电压（Vp-p）/V 4.9
60.0
输出功率/mW
50Ω电阻+20pF 电容
3.8
36.1
50Ω电阻
六、 测试结果分析及总结
我们设计、制作的压控 LC 振荡器不仅很好的完成了题目所规定的基本要求
和所有发挥要求，而且在许多指标和功能上有较大的提高。
波形无失真的情况下，输出频率范围达到 15MHz~100MHz。10MHz~15MHz
时波形略有失真，这可能是由于波段设置问题，可以再设一个波段，让波形无失
真情况下最低频率可降到 10MHz 以下。频率步进达到 5KHz，但由于要满足使
MC145152 中 N>A，则在较低频段内有些频率值会使 N>A 无法满足，因此有些
频率无法实现 5KHz 的步进。之所以使 N>A 无法满足，是因为前置分频器
MC12022 的 P 为 64 较大，使 PLL 总分频比为 NP+A 时有些频率值无法使 N>A。
这个问题可以采用双模分频器 MC12011 芯片解决，MC12011 的 P=8 较小，则相
应分频时增大了 N 值。
输出幅度可以稳定在 1V 左右，幅度也可以连续可调，可调步进为 10mV。
在高频段如 80M 以上时，输出幅度比预置值有较明显减小，这可能是因为压控
增益芯片 VCA822 的增益带宽积不够大，仅有 150MHz。如果采用带宽为 420MHz
的 VCA824 可以解决该问题。
整机对 30MHz 信号进行功率放大，可以在 50Ω电阻和 20pF 电容的容性负
载实现不小于 35mW 的功率输出，具有较高的效率。功率放大模块采用了乙类
互补推挽对称功放电路，开始主要想到它的效率也较高，虽然没有丙类功放大，
但它可以做到宽带功放，不仅适合单频点 30MHz 时的功率放大，还可以在其它
频率点做为功放。丙类适合做单频点的功放，且具有较高的效率。
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