摘要
本系统以89C51为控制核心，由键控LCD显示、频率合成、功率放大、自动稳幅控制、电压峰值检测、频率步进与测量显示等功能模块组成。系统可以实现：按键选频或步进为1MHz 100KHz和100KHz的12MHz-40MHz稳定无失真频率输出；对输出电压峰峰值进行自动稳幅控制并实时检测送LCD显示；采用丙类功率放大电路其输出效率达50％；并能对12MHz-40MHz范围内各频段进行语音或TTL电平调制。经测试指标基本能达到要求。
一 方案选择与论证
1.振荡控制方式选择
方案一：LC谐振法。在本振回路中使用LC调谐回路，通过改变L或C的值来改变本振频率，进而达到频率输出。利用LC回路易于实现，但是稳定性欠佳，要做到题目发挥部分要求的各项参数有困难。
方案二：电压合成谐振。单片机各种控制信号经D/A转换后，将得到的调谐电压送本振回路，通过改变容二极管两端电压来改变本振频率。从而实现电压合成谐振。该方式结构简单，信噪比较高，但是由于本振属于开环方式，LC回路Q值较低，使得频率稳定度不高，另外，由于变容二极管压控特性的非线性，使得控制电压改变时，各电压控灵敏度不同。这将对D/A转换器件提出跟高的要求，制作难度较大。
方案三：PLL频率合成方式。利用锁相频率合成技术，可以获得高稳定度的本振信号。通过改变可编程分频器的预制数值，可以得到一系列的本振信号，此时本振的稳定度与晶振的频率稳定度相同，而且能在单片机的控制下实现频率步进输出1MHz100K和100K的功能。本系统采用此方案。
2.锁相环频率合成器的选择
方案一：单片集成锁相环L562。L562集成锁相环中除了包含有鉴相器（和双平衡模拟乘法器）和压控振荡器（射极定时多谐振荡器）之外，还有三个放大器（A1.A2.A3）限幅器和稳压电路等器件。因此它的环路性能和通用性能的非常好，是属于通用型的集成锁相环。它各集成部件之间有部分连接，能使它完成某几种功能，但该集成的压控振荡器的频段跨
越范围不宽且工作频率最高才可达到35MHz。
方案二：吞脉冲式集成锁相频率合成MC145151-2。该芯片是一块14位并行码输入的单模、单片锁相环频率合成器，片内包括一个晶体振荡器的分频器、一个可编程序分频器、一个鉴相器和锁定检测器。采用标准的CMOS逻辑。参考分频带有12位计数器，参考分频比通过三个输入端控制的存储及编码。最大可变分频比为16383，最高工作频率为60MHz。该集成配合独立VCO便能满足系统设计的要求。所以本系统选用该集成。
3．压控振荡器（VCO）的选择
此方案的选择是本系统的重点、难点。
张镇中方案一：采用常规的电容、电感与分立元件组成振荡器。它是经典的方法，电路成熟，材料容量采购，也容易制作成功，但其频率范围只有10M左右难以达到本题所要求的15M-35M的频率跨越。若用级联的方式，则可以满足甚至超出题目所要求的频段范围，但电路复杂度增加、调试控制难度加大，且最大缺点是它的频率稳定度最高也只能达到，元器件受环境、温度影响较大，未能达到频率高稳定的要求。
方案二：选用集成芯片MC1648。该IC是单片集成的射极耦合振荡电路，输出MECL电平。电路工作时，外接电感L和电容C的并联谐振回即可形成固定频率的振荡器。若外接变容二极管，控制变容管的直流偏置即可构成LC压控振荡器。其最高工作频率达225M，接单可调电感即可满足题目所要求的频段跨越，且电路简单、易于调试，各参数受环境、温度影响较小，频率输出稳定度达、波形无明显失真。
综合考虑，本系统采用方案二。
二、系统简介及单元电路分析
1、系统简介
该系统由单片机控制、频率合成、压控LC振荡、峰值检测、自动稳幅控制及功率放大等模块组成。
系统方框图如图12_1所示。
输
出
图12_1
本系统是通过键盘输入所需要的振荡频率，经单片机运算转换后送频率合成模块从而控制VCO锁住所需的频率；从VCO输出的信号经稳幅自动控制后送功率放大输出；同时，从稳幅控制输出的信号经检波电路后送给峰值检测模块对其峰-峰值进行采样后送单片机比较；并在LCD上显示锁住的频率和电压峰-峰值。
2、单元电路
（一）LC振荡部分
1、VCO中的变容管
在了不起的盖茨比2012LC中频率的改变通过改变变容管两端的电压来完成的。变容管的电容随控制电压V的变化而变化，其变化规律如下式所示
其中，是变容管的电容； 0.65V；是控制电压；K是比例常数；n称为变容指数。目前，国产变容管多数属于突变结型，其n=0.5。对于超突变型，其n=1-2。的绝对量的大小则由K所决定。K代表=1V时的值。若要更大或更小的电容值时可用并联或串联的方法来实现。经分析，本系统采用参数为
2、 VCO的压控非线性系数，及频率的相对覆盖
压控非线性系数定义为
它的意义可以从图12-2中看出。下标min与max分别代表变容管的控制电压位于高端和低端。如果=1，则压控曲线是一根直线。若1，说明VCO的压控特性存在非线性；偏离1越大，则非线性越严重。合成器中所有的VCO对要求一般为或。值的大小，受以下三方面的影响：（1）变容管的n值；（2）变容管接入振荡回路的方式；（3）的摆动幅度。
在本系统中，变容管的n值为0.5，以并联的形式接入振荡回路，的摆动幅度为8V。
u
1v 9v Vrc
图12-2
3、 MC1648的性能与使用
MC1648的工作电压为5V，最高工作频率。电路如图12_3：
图12-3
图12_4
电路中变容二极管是双管背对背串联连接，这样使得工作频率范围加宽，压控效果更好；从锁相集成输出控制电压通过1K限流电阻加至两管中间，通过改变其容值进而改变振荡频率；该电路还有AGC控制端，通过调节电位器改变AGC的电位，则集成内部Q8的基极电位随之变化，振荡幅度也就会不同，经放大输出的波形也不一样，所以也就可以通过
该端来调节波形的失真度，使其达到最佳状态。
（二） 锁相环控制部分
对于锁相集成我们选用的是MC145151-2并行输入PLL频率合成芯片。
该集成芯片带单模预制置计数器接口，分别用14条和杨震宁3条并行输入数据线位N计数器和R计数器编排程序，在特征上本器件包括参考振荡器，可选参考频率分频器，数字相位检测器和可以编程的除以N的14比特计数器。
MC145151-2是MC145151-1的性能经过改进的替补产品，功耗已经下降而ESD和锁定功能则大有改进。由CMOS技术的应用而取得的低功耗，电压范围从3～9v。
同时该集成可以利用÷N计数器的输出，单模并行编程。用户可以选择的8日本是亚洲之光个÷R值：8，128，256，512，1024，2048，2410，8192，÷N选择范围＝3～16383。
在其内部“线性化”的数字频率相位检测器的能改进传输函数的线性度，其内部结构如下图12-5：
单片机并行14位代码
图12-5
按方案设计，参考频率设定为10k，输出频率为15MHz_35MHz，可采用直接分频方式，环路的可编程分频器的分频比N由下式计算得：
计算得最小分频比=1500，最大分频比=3500。
在锁相环路中，环路滤波器的设计是十分重要的。本系统采用无源比例积分滤波器，其结构简单，性能稳定，调试方便。各个参数计算如下：
平均分频比
鉴相器灵敏度
压控灵敏度 （实际测得）
双馈风力发电机组环路自然谐振角频率
环路阻尼系数
取=0.707， =2.2Uf,根据上两式得=10K, =1.5K。为了使环路工作在最佳工作状态，在电路调试时要根据需要对、和的值作适当的调整。
国务院公报
图12-6
（三） 稳幅自动控制电路
电路结构如图12-7：
信号
输出
图12-7
图12-8
由VCO送来的信号幅度在几百毫伏之间，要达到输出10.1Vpp的要求，首先要经由Q1、Q2组成的放大射随电路，使电压峰值输出达到1Vpp以上。D1、D2是型号为ISV99的PIN二极管，由它组成电调衰减器。Q4设计成射随输出电路，以提高信号输出的驱动能力。本单元电路的增益控制在8-10dB之间，而电调衰减的增益在0- -15dB之间，使它留有一定的控制余量。
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