主要电路工作原理
本电路实际上是一个小功率调频发射机，其调制部分采用了变容二极管直接调频技术，主要功能是实现87～108MHz频段内以100kHz为间隔的调频激励源；输入调频信号为音频(30Hz～15kHz)，要求实现最大频偏为75kHz，其框图如图4所示。
图4 调频发射机结构框图
下面简单分析一下各主要部分的工作原理。
VCO电路
VCO电路是实现频率调制与载波生成的关键性电路部分，其具体电路如图5所示。
图5 变容二极管调频电路中的vco电路
4个性能一致的超突变结变容二极管MV209采取较为复杂的串并联形式，通过电路的复杂性来换取性能的改善，并采用部分接入法接入谐振回路，即将变容二极管C与容量较小的耦合电容C1串联，再与一个电容C2并联，构成回路总电容。这样做不会改变变容二极管的调频特性，虽然会在一定程度上减小调频电路的最大频偏，但是可以改善变容二极管结电容随温度变化而带来的中心频率漂移问题，同时通过调整耦合电容C1的大小，可以保证变容二极管工作在线性区，并控制频偏大小。在保证最大频偏的前提下，尽量消除非线性失真、降低输出信号的相位噪声。
起振电路中选用具有低转角频率、低噪声指数的双极性晶体管2SC3356，以提高VCO电路频谱近端的频谱质量。在起振电路后附加一级射随器，以减小负载电路对起振电路的影响，从而获得良好的性能。已调信号通过射随器后，分为两路，一路反馈至MC145170的FIN端口，以构成锁相回路，另一路送入后端的放大电路，以满足系统的输出功率要求。
锁相稳频电路
鉴相器是稳定频率的核心部分，该部分由数字鉴相-鉴频集成芯片MC145170和环路低通滤波器组成，如图6所示。
图6 锁相稳频电路原理图
标准晶体振荡器选用MORION公司的温补晶振MV68系列(10MHz)，频率偏差小于5×10-6，短期频率稳定度为10-9/S，相位噪声小于-145dBc/Hz/10kHz，完全可以保证电路满足系统对频偏的要求。
锁相环集成芯片选用了摩托罗拉公司的MC145170，来实现调频激励源的中心频率在87～108MHz内以100kHz为间隔的变化。摩托罗拉公司生产的MC145170是一片可用于MF、HF和VHF波段的、串行码输入编程的单模CMOS锁相环频率合成器芯片。该芯片内含完全可编程的÷R和÷N计数器，输入译码器，在fin脚内置一放大器，可外接晶体振荡器，可编程的参考输出，具有线性转移功能的单端或双端鉴相器和可调整的C寄存器。
在实际电路中，选用10kHz的鉴相频率，因此设置R=1000，N=8700～10800。同时设置C寄存器为(C7C6C5C4C3C2C1C0)=(10000000)，选择φR与φV双端输出，禁止LD、fR、fV、REFOUT输出，以减小电路功耗，同时降低无用端口对电路的影响。
常用的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器。由它们的传递函数可知，有源比例积分滤波器具有两个独立可调参数，更重要的是具有滞后-超前特性，有利于环路的稳定。因此，在设计中采用有源比例积分滤波器，其电原理图如图7所示。
图7 有源比例积分滤波器电路原理图
由前面的分析可知，该锁相环是一窄带载波跟踪环，故BL应小于调制频率30Hz。因此应通过调整环路滤波器的参数R1、R2与C，使得BL小于30Hz。取ξ=0.7，令BL=10Hz，N=10000，Kd=Vdd/(2π)=5/(2π)=0.8(rad/v)，C=10μF，kv=2π×1.2×106(rad/v)≈7.54×106(rad/v)，则根据公式 ，可以得到R1=170kΩ，R2=7.5kΩ。
PCB板的设计与测试结果
频率合成器对馈电电源、地线分布等电磁兼容问题都有着较严格的要求。这是因为电源和数据总线的噪声能耦合到锁相环系统中，使得相噪和杂散变坏。因此，在布局PCB版图时，应做到一下几点。
- 对鉴相器、压控振荡器分别单独供电、单独稳压，稳压器的输入、输出端都接有Π型滤波电路；
- 布线、元件排列应该尽量整齐；
- 电源线应该加宽，约为1mm宽，信号线宽度也要达到0.75mm。
采取以上措施能够有效地滤除所有无用频率和电源纹波，抑制各种干扰和噪声，降低频率合成器的相位噪声和杂散。下面表1和表2给出了在载频为100MHz时的各项测试指标，表3则给出了该电路在各载频频点的调频信噪比指标。
表1 锁相环相位噪声指标
| 频率 |
50Hz |
100Hz |
500Hz |
1kHz |
5kHz |
10kHz |
50kHz |
100kHz |
| 相噪(dBc/Hz) |
-40 |
-55 |
-73 |
-83 |
-100 |
-103 |
-115 |
-118 |
表2 调频电路测试指标
| 音频 |
30Hz |
50Hz |
100Hz |
400Hz |
1kHz |
3kHz |
5kHz |
7kHz |
10kHz |
12kHz |
15kHz |
| 非线性 |
0.1 |
0.1 |
0.04 |
0.04 |
0.03 |
0.03 |
0.03 |
0.04 |
0.03 |
0.05 |
0.05 |
| 失真(％) |
7.55 |
7.67 |
7.88 |
7.96 |
7.95 |
7.95 |
7.93 |
7.90 |
7.85 |
7.84 |
7.80 |
表3 调频信噪比测试指标(音频信号为1 kHz)
| 频率(MHz) |
87 |
90 |
92 |
94 |
96 |
98 |
100 |
102 |
104 |
106 |
108 |
| 调频信噪比(dB) |
-82.3 |
-82.4 |
-82.3 |
-82.5 |
-82.9 |
-83.1 |
-83.1 |
-82.8 |
-82.5 |
-82.0 |
-81.8 |
从表中的数据可以看出，本电路完全满足了系统的要求，并且在相位噪声、非线性失真、音频频率响应和调频信噪比等方面都有很好的特性。相位噪声小于 -100dBc/Hz/10kHz，非线性失真小于0.1%，音频频率响应非常理想，调频信噪比达到80dB以上。与此同时，载波频率稳定度控制在200Hz以内，输出信号频率偏差不超过1kHz，各项指标满足国家广电总局的技术要求。而且，本电路调试量小，成本也不高，更易于进行批量生产。
参考文献
1 翁寿松.硅变容管的发展趋势.微电子技术.2001.6
2 王明亮等编著.广播、电视、调频技术.中国广播电视出版社.1993
3 张厥盛,郑继禹.万心平.锁相技术.西安电子科技大学出版社.2000
4 陆熊,张素文编.高频电子线路.高等教育出版社.1993
2/2 首页 上一页 1 2 |
