压控振荡器组件的改进设计

汶迎春，赵素梅，赵 健

(1.陕西凌云电器集团有限公司工艺所，陕西宝鸡 721006;2.陕西凌云电器集团有限公司设计所，陕西宝鸡 721006;3.陕西凌云电器集团有限公司总装分厂，陕西宝鸡 721006)

压控振荡器组件的改进设计

汶迎春1，赵素梅2，赵 健3

(1.陕西凌云电器集团有限公司工艺所，陕西宝鸡 721006;2.陕西凌云电器集团有限公司设计所，陕西宝鸡 721006;3.陕西凌云电器集团有限公司总装分厂，陕西宝鸡 721006)

介绍了某导航设备频率合成器的原理。针对导航设备压控振荡器组件故障率高的缺点，对其进行了改进设计。设计中压控振荡器组件采用改进型电容三点式振荡电路，并对组件的实现方法进行了阐述。经过生产验证，新压控振荡器组件生产性好、调试量小、输出频率稳定、抗震性好、工作可靠、满足整机性能指标，完全可以替代原压控振荡器组件。

锁相环路;压控振荡器;改进型电容三点式振荡电路;电感三点式振荡电路

频率合成是由一个或几个参考频率源产生一个或多个频率系统元件的组合。频率合成技术从20世纪70年代开始，先后经历了直接模拟式(DAS)、间接锁相式、直接数字式(DDS)及混合式4个发展阶段。其中，锁相式频率合成器具有结构简单、体积小、易于集成、调试方便、杂散低的特点，应用广泛［1－4］。

1 频率合成器原理

频率合成器由锁相环路(Phase Locked Loop，PLL)构成，PLL是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。频率合成器原理框图如图1所示。

频率基准由晶体振荡器经分频后产生频率为fv的信号，送给鉴相器作为基准信号。鉴相器是一个相位比较装置，用来检测基准信号与反馈信号之间的相位误差，输出误差信号，经环路滤波后控制压控振荡器的输出。环路滤波器起着低通滤波器作用，它对环路参数调整起着决定性的作用，对环路的各项性能都有着重要影响。

图1 频率合成器原理框图

压控振荡器(VCO)是一个电压－频率变换装置，在环路中作为被控振荡器，它的振荡频率应随输入控制电压线性变化［5］。VCO输出信号经过可变分频器N分频，分频器输出信号送到鉴相器，与基准信号比相，鉴相器输出的误差信号通过低通滤波器，滤波后误差信号被变成直流校准电压信号，它可控制VCO的振荡频率。当环路锁定时，VCO的输出信号频率就等于Nfv，其中N是由外围电路中的频率控制程序提供的。由于分频比N是以整数可变，所以VCO输出信号频率是以fv的整数倍变化的。

2 压控振荡器组件的实现方法

压控振荡器组件为某型导航设备频率合成器的核心部件，输出频率范围为14.140～15.760 MHz，控制电压范围在3.8～15.5 V之间。原组件在使用过程中故障率高，且不可修复。为提高产品的可靠性，对此压控振荡器组件进行了改进设计。压控振荡器组件由环路滤波器、三点式振荡电路和选频放大器3部分组成，组成框图如图2所示。

图2 压控振荡器组件组成框图

环路滤波器采用比例积分器对控制电压进行滤波，在频率锁定方面起着关键作用。振荡电路分为电容三点式振荡电路和电感三点式振荡电路，原组件采用电感三点式振荡电路，由可调电感形成反馈电路，新组件采用改进型电容三点式振荡电路，由电容形成反馈电路，取消了可调电感，比电感三点式振荡电路更易实现。选频放大器采用负反馈选频放大电路，对振荡器的输出电压进行放大和选频，以提高组件输出信号的幅度和杂散抑制。

在控制电压的控制下，组件输出信号频率在14.150～15.750 MHz之间可变，其控制电压由鉴相器产生，经过比例积分滤波器滤波后加到变容二极管的负极，如图3和图4所示，变容二极管的结电容随着其两端电压的升高而减小，电感器、电容器和变容二极管的可变电容决定了振荡器的输出频率，振荡器输出信号经过选频放大电路驱动后送到信道分机的第一混频器和频率合成器的双模分频器。

2.1 原压控振荡器组件的实现方法

原压控振荡器组件采用电感三点式振荡器，如图3所示。此电路的缺点是输出波形较差，这是因为电路中反馈是通过可调电感来实现的，电感支路对高次谐波呈现高阻抗，滤波作用较差的原故。

图3 电感三点式振荡电路

振荡器的振荡频率

图3中L1为可调电感，采用环氧树脂灌封工艺，通过改变螺纹磁芯在骨架中的位置调整电感量，其值在3.9～4.7 μH 之间，将电感值4.3 μH 带入式(1)，并假定工作频率为15 MHz，解得电容值为26 pF，变容二极管线性区间的电容值为8～24 pF，给V1并联一个8 pF电容C2，这样使得电容C3的变化范围为32～16 pF，通过调整电感的值改变频率覆盖范围，指标合格后对组件进行灌封、锡焊封壳。当设备频率转换或受外界条件影响时，由于受磁芯螺纹间隙的影响，电感量容易发生变化，振荡器频率产生漂移，环路需重新捕获信号，这个过程引起环路短暂的失锁，重新调谐后又达到锁定，导致设备接收信道产生“咕咕叫”现象，严重时电感量远远偏离振荡频率所需的电感值，环路无法锁定，这就是该组件故障率高的原因。该组件不可维修，一旦发生故障只能更换，影响了设备的生产进度。

2.2 改进后压控振荡器组件的实现方法

改进后的压控振荡器组件采用改进型电容三点式振荡电路，如图4所示，输出波形比较平滑。这是因为电路中反馈是通过电容实现的，电容支路对高次谐波呈现低阻抗，有较好的滤波作用。另外，晶体管的输入、输出电容和回路电容并联，适当增大回路电容，就可减弱晶体管电容的不稳定性对振荡频率的影响，从而提高了频率稳定度［6］。

回路的总电容 C是 C1、C2、C3这3个电容的串联和

振荡器的振荡频率可由式(1)得出

图4 改进型电容三点式振荡电路

电容C1和C2只是整个回路电容的一部分，晶体管以部分接入的方式与回路连接，这就减弱了晶体管与回路的耦合。当C1和C2的串联电容大于或远大于C3时，振荡回路电容将主要由C3决定。这样，与C1、C2并联的极间电容的变化对回路电容及振荡频率的影响就小了。从减小晶体管的极间电容影响出发，应将C1、C2选大些，但应保证使C/C1的值不能太小。此电路选定的电容C1、C2值为180 pF，C3为可变电容，选用变容二极管MBV109，它的电压控制范围为0.5～25 V，按降额设计选用线性区间的4～12 V电压范围，在原VCO控制电压范围内。控制电压为4 V时变容二极管的电容值为24 pF，控制电压为12 V时变容二极管的电容值为8 pF。为了不使C/C1过小，给V1并联一个12 pF电容C4，这样使得电容C3变化范围为36～20 pF，将C3=30 pF代入式(1)，并假定工作频率为 15 MHz，解得电感值为 3.7 μH，实际选用 3.3 μH标称电感，设计中应考虑一些极间参数、分布参数以及元器件的通用性，避免使用可调电感。

在实际生产过程中，个别组件存在频率覆盖范围不足的现象，这与电感、电容的容差有关，因此将图4中的C4设为调试电容，调试范围为10～18 pF，解决了这一问题。由于在变容二极管的选用时采用了降额设计，这样即使在温度和环境变化时，电感、电容的值发生变化，组件仍可满足指标要求。同时，这样的冗余量设计也使组件对元器件的精度要求降低，一般5%精度的电容、电感就可满足设计要求。

组件实测工作频率和控制电压值如表1所示，用示波器测得的频率为15 MHz信号波形如图5所示。

表1 工作频率和控制电压实测值

图5 信号波形

3 两种压控振荡器组件的优缺点

原理方面，原组件采用电感三点式振荡器，此种电路的优点是起振容易，缺点是输出波形较差，频率稳定性较差;新组件采用改进型电容三点式振荡器，此种电路的缺点是起振困难，需要合理设置电容值。优点是输出波形好、频率稳定性好、抗震性好，从根本上解决了某系列导航设备普遍存在的频率转换或振动时产生的“咕咕叫”问题。结构方面，二者外形尺寸一致，可原位替代。加工工艺方面，原组件由于使用了可调电感，体积较大，调试好之后必须采用灌封、上盖板锡焊工艺方法，不可拆卸、维修性差、抗震性差，一旦损坏只能报废;新组件所用元器件大多数为贴片元件，上盖板用螺钉固定在壳体上，无需灌封、加工工艺简单、可反复拆卸、元器件可更换，提高了产品的维修性。可靠性方面，原组件使用的可调电感由于灌封工艺所限、容易损坏，可靠性差;新组件在电路设计时进行了冗余设计，所用元器件为通用元器件，无可调电感，且所有元器件均采用了降额设计，可靠性大大提高。

4 结束语

经过生产验证，新压控振荡器组件生产性好、调试量小、输出频率稳定、抗震性好、工作可靠，满足整机性能指标，可以替代原压控振荡器组件。

［1］VADIM M W.频率合成原理与设计［M］.何松柏，宋亚梅，鲍景富，译.北京:电子工业出版社，2008.

［2］杨檍，鲍景富.现代频率合成技术的研究进展［J］.电讯技术，2007，47(2):1 －5.

［3］陈科，叶建芳，马三涵.基于DDS+PLL技术频率合成器的设计与实现［J］.国外电子测量技术，2010，29(4):43－47.

［4］廖福玮，马忠松.S波段频率合成器设计［J］.国外电子测量技术，2010，29(5):43 －46.

［5］张厥盛，郑继禹，万心平.锁相技术［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1994.

［6］范希鲁.模拟集成电路系统［M］.北京:中国铁道出版社，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，工程师，研究方向:滤波器设计与仿真。赵素梅(1977—)，女，工程师，研究方向:无线电导航与通讯。赵健(1975—)，男，工程师，研究方向:无线电导航与通讯。