汶迎春，趙素梅，趙 健

(1.陜西凌云電器集團(tuán)有限公司工藝所，陜西寶雞 721006;2.陜西凌云電器集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)所，陜西寶雞 721006;3.陜西凌云電器集團(tuán)有限公司總裝分廠，陜西寶雞 721006)

壓控振蕩器組件的改進(jìn)設(shè)計(jì)

汶迎春1，趙素梅2，趙 健3

(1.陜西凌云電器集團(tuán)有限公司工藝所，陜西寶雞 721006;2.陜西凌云電器集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)所，陜西寶雞 721006;3.陜西凌云電器集團(tuán)有限公司總裝分廠，陜西寶雞 721006)

介紹了某導(dǎo)航設(shè)備頻率合成器的原理。針對導(dǎo)航設(shè)備壓控振蕩器組件故障率高的缺點(diǎn)，對其進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中壓控振蕩器組件采用改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路，并對組件的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了闡述。經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，新壓控振蕩器組件生產(chǎn)性好、調(diào)試量小、輸出頻率穩(wěn)定、抗震性好、工作可靠、滿足整機(jī)性能指標(biāo)，完全可以替代原壓控振蕩器組件。

鎖相環(huán)路;壓控振蕩器;改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路;電感三點(diǎn)式振蕩電路

頻率合成是由一個或幾個參考頻率源產(chǎn)生一個或多個頻率系統(tǒng)元件的組合。頻率合成技術(shù)從20世紀(jì)70年代開始，先后經(jīng)歷了直接模擬式(DAS)、間接鎖相式、直接數(shù)字式(DDS)及混合式4個發(fā)展階段。其中，鎖相式頻率合成器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于集成、調(diào)試方便、雜散低的特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛［1－4］。

1 頻率合成器原理

頻率合成器由鎖相環(huán)路(Phase Locked Loop，PLL)構(gòu)成，PLL是一個能夠跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。頻率合成器原理框圖如圖1所示。

頻率基準(zhǔn)由晶體振蕩器經(jīng)分頻后產(chǎn)生頻率為fv的信號，送給鑒相器作為基準(zhǔn)信號。鑒相器是一個相位比較裝置，用來檢測基準(zhǔn)信號與反饋信號之間的相位誤差，輸出誤差信號，經(jīng)環(huán)路濾波后控制壓控振蕩器的輸出。環(huán)路濾波器起著低通濾波器作用，它對環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用，對環(huán)路的各項(xiàng)性能都有著重要影響。

圖1 頻率合成器原理框圖

壓控振蕩器(VCO)是一個電壓－頻率變換裝置，在環(huán)路中作為被控振蕩器，它的振蕩頻率應(yīng)隨輸入控制電壓線性變化［5］。VCO輸出信號經(jīng)過可變分頻器N分頻，分頻器輸出信號送到鑒相器，與基準(zhǔn)信號比相，鑒相器輸出的誤差信號通過低通濾波器，濾波后誤差信號被變成直流校準(zhǔn)電壓信號，它可控制VCO的振蕩頻率。當(dāng)環(huán)路鎖定時，VCO的輸出信號頻率就等于Nfv，其中N是由外圍電路中的頻率控制程序提供的。由于分頻比N是以整數(shù)可變，所以VCO輸出信號頻率是以fv的整數(shù)倍變化的。

2 壓控振蕩器組件的實(shí)現(xiàn)方法

壓控振蕩器組件為某型導(dǎo)航設(shè)備頻率合成器的核心部件，輸出頻率范圍為14.140～15.760 MHz，控制電壓范圍在3.8～15.5 V之間。原組件在使用過程中故障率高，且不可修復(fù)。為提高產(chǎn)品的可靠性，對此壓控振蕩器組件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。壓控振蕩器組件由環(huán)路濾波器、三點(diǎn)式振蕩電路和選頻放大器3部分組成，組成框圖如圖2所示。

圖2 壓控振蕩器組件組成框圖

環(huán)路濾波器采用比例積分器對控制電壓進(jìn)行濾波，在頻率鎖定方面起著關(guān)鍵作用。振蕩電路分為電容三點(diǎn)式振蕩電路和電感三點(diǎn)式振蕩電路，原組件采用電感三點(diǎn)式振蕩電路，由可調(diào)電感形成反饋電路，新組件采用改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路，由電容形成反饋電路，取消了可調(diào)電感，比電感三點(diǎn)式振蕩電路更易實(shí)現(xiàn)。選頻放大器采用負(fù)反饋選頻放大電路，對振蕩器的輸出電壓進(jìn)行放大和選頻，以提高組件輸出信號的幅度和雜散抑制。

在控制電壓的控制下，組件輸出信號頻率在14.150～15.750 MHz之間可變，其控制電壓由鑒相器產(chǎn)生，經(jīng)過比例積分濾波器濾波后加到變?nèi)荻O管的負(fù)極，如圖3和圖4所示，變?nèi)荻O管的結(jié)電容隨著其兩端電壓的升高而減小，電感器、電容器和變?nèi)荻O管的可變電容決定了振蕩器的輸出頻率，振蕩器輸出信號經(jīng)過選頻放大電路驅(qū)動后送到信道分機(jī)的第一混頻器和頻率合成器的雙模分頻器。

2.1 原壓控振蕩器組件的實(shí)現(xiàn)方法

原壓控振蕩器組件采用電感三點(diǎn)式振蕩器，如圖3所示。此電路的缺點(diǎn)是輸出波形較差，這是因?yàn)殡娐分蟹答伿峭ㄟ^可調(diào)電感來實(shí)現(xiàn)的，電感支路對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，濾波作用較差的原故。

圖3 電感三點(diǎn)式振蕩電路

振蕩器的振蕩頻率

圖3中L1為可調(diào)電感，采用環(huán)氧樹脂灌封工藝，通過改變螺紋磁芯在骨架中的位置調(diào)整電感量，其值在3.9～4.7 μH 之間，將電感值4.3 μH 帶入式(1)，并假定工作頻率為15 MHz，解得電容值為26 pF，變?nèi)荻O管線性區(qū)間的電容值為8～24 pF，給V1并聯(lián)一個8 pF電容C2，這樣使得電容C3的變化范圍為32～16 pF，通過調(diào)整電感的值改變頻率覆蓋范圍，指標(biāo)合格后對組件進(jìn)行灌封、錫焊封殼。當(dāng)設(shè)備頻率轉(zhuǎn)換或受外界條件影響時，由于受磁芯螺紋間隙的影響，電感量容易發(fā)生變化，振蕩器頻率產(chǎn)生漂移，環(huán)路需重新捕獲信號，這個過程引起環(huán)路短暫的失鎖，重新調(diào)諧后又達(dá)到鎖定，導(dǎo)致設(shè)備接收信道產(chǎn)生“咕咕叫”現(xiàn)象，嚴(yán)重時電感量遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離振蕩頻率所需的電感值，環(huán)路無法鎖定，這就是該組件故障率高的原因。該組件不可維修，一旦發(fā)生故障只能更換，影響了設(shè)備的生產(chǎn)進(jìn)度。

2.2 改進(jìn)后壓控振蕩器組件的實(shí)現(xiàn)方法

改進(jìn)后的壓控振蕩器組件采用改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路，如圖4所示，輸出波形比較平滑。這是因?yàn)殡娐分蟹答伿峭ㄟ^電容實(shí)現(xiàn)的，電容支路對高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，有較好的濾波作用。另外，晶體管的輸入、輸出電容和回路電容并聯(lián)，適當(dāng)增大回路電容，就可減弱晶體管電容的不穩(wěn)定性對振蕩頻率的影響，從而提高了頻率穩(wěn)定度［6］。

回路的總電容 C是 C1、C2、C3這3個電容的串聯(lián)和

振蕩器的振蕩頻率可由式(1)得出

圖4 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路

電容C1和C2只是整個回路電容的一部分，晶體管以部分接入的方式與回路連接，這就減弱了晶體管與回路的耦合。當(dāng)C1和C2的串聯(lián)電容大于或遠(yuǎn)大于C3時，振蕩回路電容將主要由C3決定。這樣，與C1、C2并聯(lián)的極間電容的變化對回路電容及振蕩頻率的影響就小了。從減小晶體管的極間電容影響出發(fā)，應(yīng)將C1、C2選大些，但應(yīng)保證使C/C1的值不能太小。此電路選定的電容C1、C2值為180 pF，C3為可變電容，選用變?nèi)荻O管MBV109，它的電壓控制范圍為0.5～25 V，按降額設(shè)計(jì)選用線性區(qū)間的4～12 V電壓范圍，在原VCO控制電壓范圍內(nèi)?？刂齐妷簽? V時變?nèi)荻O管的電容值為24 pF，控制電壓為12 V時變?nèi)荻O管的電容值為8 pF。為了不使C/C1過小，給V1并聯(lián)一個12 pF電容C4，這樣使得電容C3變化范圍為36～20 pF，將C3=30 pF代入式(1)，并假定工作頻率為 15 MHz，解得電感值為 3.7 μH，實(shí)際選用 3.3 μH標(biāo)稱電感，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮一些極間參數(shù)、分布參數(shù)以及元器件的通用性，避免使用可調(diào)電感。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，個別組件存在頻率覆蓋范圍不足的現(xiàn)象，這與電感、電容的容差有關(guān)，因此將圖4中的C4設(shè)為調(diào)試電容，調(diào)試范圍為10～18 pF，解決了這一問題。由于在變?nèi)荻O管的選用時采用了降額設(shè)計(jì)，這樣即使在溫度和環(huán)境變化時，電感、電容的值發(fā)生變化，組件仍可滿足指標(biāo)要求。同時，這樣的冗余量設(shè)計(jì)也使組件對元器件的精度要求降低，一般5%精度的電容、電感就可滿足設(shè)計(jì)要求。

組件實(shí)測工作頻率和控制電壓值如表1所示，用示波器測得的頻率為15 MHz信號波形如圖5所示。

表1 工作頻率和控制電壓實(shí)測值

圖5 信號波形

3 兩種壓控振蕩器組件的優(yōu)缺點(diǎn)

原理方面，原組件采用電感三點(diǎn)式振蕩器，此種電路的優(yōu)點(diǎn)是起振容易，缺點(diǎn)是輸出波形較差，頻率穩(wěn)定性較差;新組件采用改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器，此種電路的缺點(diǎn)是起振困難，需要合理設(shè)置電容值。優(yōu)點(diǎn)是輸出波形好、頻率穩(wěn)定性好、抗震性好，從根本上解決了某系列導(dǎo)航設(shè)備普遍存在的頻率轉(zhuǎn)換或振動時產(chǎn)生的“咕咕叫”問題。結(jié)構(gòu)方面，二者外形尺寸一致，可原位替代。加工工藝方面，原組件由于使用了可調(diào)電感，體積較大，調(diào)試好之后必須采用灌封、上蓋板錫焊工藝方法，不可拆卸、維修性差、抗震性差，一旦損壞只能報(bào)廢;新組件所用元器件大多數(shù)為貼片元件，上蓋板用螺釘固定在殼體上，無需灌封、加工工藝簡單、可反復(fù)拆卸、元器件可更換，提高了產(chǎn)品的維修性。可靠性方面，原組件使用的可調(diào)電感由于灌封工藝所限、容易損壞，可靠性差;新組件在電路設(shè)計(jì)時進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，所用元器件為通用元器件，無可調(diào)電感，且所有元器件均采用了降額設(shè)計(jì)，可靠性大大提高。

4 結(jié)束語

經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，新壓控振蕩器組件生產(chǎn)性好、調(diào)試量小、輸出頻率穩(wěn)定、抗震性好、工作可靠，滿足整機(jī)性能指標(biāo)，可以替代原壓控振蕩器組件。

［1］VADIM M W.頻率合成原理與設(shè)計(jì)［M］.何松柏，宋亞梅，鮑景富，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［2］楊檍，鮑景富.現(xiàn)代頻率合成技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.電訊技術(shù)，2007，47(2):1 －5.

［3］陳科，葉建芳，馬三涵.基于DDS+PLL技術(shù)頻率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.國外電子測量技術(shù)，2010，29(4):43－47.

［4］廖?，|，馬忠松.S波段頻率合成器設(shè)計(jì)［J］.國外電子測量技術(shù)，2010，29(5):43 －46.

［5］張厥盛，鄭繼禹，萬心平.鎖相技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1994.

［6］范希魯.模擬集成電路系統(tǒng)［M］.北京:中國鐵道出版社，1991.

Improved Design of Voltage Control Oscillation Subassembly

WEN Yingchun1，ZHAO Sumei2，ZHAO Jian3
(1.Department of Techniques，Shaanxi Lingyun Electronics Group Co.，Ltd.，Baoji 721006，China;2.Department of Design，Shaanxi Lingyun Electronics Group Co.，Ltd.，Baoji 721006，China;3.Department of Assembly，Shaanxi Lingyun Electronics Group Co.，Ltd.，Baoji 721006，China)

The principles of a navigation equipment's frequency synthesizer are introduced.To reduce the high malfunction rate of its voltage control oscillation subassembly，an improved voltage control oscillation is designed.In this design，the voltage control oscillation subassembly is implemented by an improved three-dot capacitance oscillation circuit.Its implementation method is presented.This voltage control oscillation subassembly has good performance，simple testing，stable output frequency and good reliability.It meets the performance index of the complete device and can replace the original voltage control oscillation subassembly.

PLL;VCO;improved three-dot capacitance oscillation;three-dot inductance oscillation

TN752

A

1007－7820(2012)08－020－03

2012-01-14

汶迎春(1975—)，女，工程師，研究方向:濾波器設(shè)計(jì)與仿真。趙素梅(1977—)，女，工程師，研究方向:無線電導(dǎo)航與通訊。趙健(1975—)，男，工程師，研究方向:無線電導(dǎo)航與通訊。