电子系统设计第七讲 高频电子系统设计举例

第七讲高频电子系统设计举例电子系统设计与实践LC谐振放大器1设计任务及要求（1）衰减器指标：衰减量40±2dB，特性阻抗50Ω，频带与放大器相适应。（2）放大器指标：谐振频率：f0=15MHz；允许偏差±100kHz；增益：不小于60dB(80dB)；3dB带宽：2Δf0.7=300kHz；带内波动不大于2dB；输入电阻：Rin=50；矩形系数小于4.5；失真：负载电阻为200Ω，输出电压1V时，波形无明显失真。稳压电源供电（电源自备）。功耗最大不允许超过360mW，尽可能减小功耗。2总体方案设计系统组成：电源模块、衰减匹配网络、三级单调谐放大网络、AGC网络衰减网络40dBAGC网络50阻抗匹配第一级单调谐放大第二级单调谐放大第三级单调谐放大负载外围屏蔽盒POWER图1系统总体框图3各单元电路方案1）电源模块采用常用的78系列线性稳压器AC2+1AC34b2BRIDGE2200uFC3100nFC40.1uFC7INPUT1GND2OUTPUT3LM7805GNDD1LED012P13Header2AC1AC2AC1AC2DC+15DC-150.33UFC5C6GNDGNDGNDGNDGNDDC+152200uFC20.1uFC1GNDGND1KR1Res1OUT5V图2电源电路2）衰减匹配网络T形匹配衰减器Z1Z3Z2Z01Z02Z01Z02兀形匹配衰减器Z1Z3Z2Z01Z02Z01Z0251.01Ω51.01Ω2499.75ΩZ01Z02Z01Z02衰减量与构成匹配衰减器的各电阻值(50Ω系列)衰减量（dB）π形衰减器T形衰减器R2R1，R3R1，R3R2-1.05.77869.552.88433.34-2.014.61436.215.73215.24-3.017.61292.408.55141.93-4.023.85220.9711.31104.83-5.030.40178.4914.0182.24-6.037.35150.4816.6166.93-7.044.80130.7319.1255.80-8.052.84116.1421.5347.31-9.061.59104.9923.8110.59-10.071.1596.2525.9734.14-11.081.6689.2428.0130.62-12.093.2583.5429.9226.81-13.0106.0778.8431.7123.57-14.0120.3174.9333.3720.78-15.0136.1471.6334.9018.36-20.0247.5061.1140.9110.10-25.0433.1655.9644.685.64-30.0789.7853.2746.933.17-40.02499.7551.0149.011.03）单调谐电路设计CR0LACQ2Q1ω0R01R02Q1Q2R01R02谐振频率LC10特性阻抗LC10品质因数CRLRCLRQ000001000pFC1312Q42SC3355R1R2312R4R3C4GNDC2L1C3VCCUiUo))((121000NNNNLQrKLi放大倍数4）AGC电路输入回路AGC信号放大AGC检波高频放大器混频器AGC信号延迟中频放大器检波器Uo（t）图3具有AGC电路接收机方框图R1R2C1C3C2Ui(t)VDUo(t)UAGCVD、C1、R1、组成包络检波器.检波器的输出电压中包含直流成分和音频信号。检波器的输出电压的一路信号送往低频放大器；另一路送往由R2、C3组成的低通滤波器，经低通滤波器后输出直流电压UAGC。由于UAGC为检波器输出电压中的平均值，所以称之为平均值式AGC电路。低通滤波器的时间常数要正确选择。若τ太大，则控制电压UAGC跟不上外来信号电平的变化，接收机的电压增益得不到及时的调整，从而使AGC电路失去应有的控制作用；反之，如果时间常数f选择过小，则UAGC将随外来信号的包络变化，这样会使放大器产生额外的反馈作用，从而使调幅渡受到反调制，一般选择τ=(5～10)Ωmin。图4平均值式AGC原理图延迟式AGC电路平均值式AGC电路的主要缺点是，一旦有外来信号，AGC电路立刻起作用，接收机的增益就因受控制而减小，这对提高接收机的灵敏度是不利的，这一点对微弱信号的接收尤其不利。为了克服这个缺点，可采用延迟式AGC电路。延迟式AGC电路原理图如图3-17所示。在该图中，由二极管VD1、C1、R1组成包络检波器；由二极管VD2、C3、R3和直流电源VD组成AGC检波器。在AGC检波器中加有固定偏压VD，VD被称为延迟电平。只有当检波器输出电压超过VD时，二极管VD2才导通，即AGC检波器才开始工作，所以称之为延迟式AGC电路。当检波器输出电压没有超过VD时，二极管VD2截止，AGC电压UAGC等于零，即没有AGC作用。R1R2C1C3C2Ui(t)VD1Uo(t)UAGCVD2R3VD4实际电路设计采用三级单调谐电路：增益分配30dB、26dB、26dBT2SC3355R4R5C31000pR1R21000pC1R3C2L1C4100pC547uC6100pC71uL2330uH+3.6V到下一级++51pF+-多级单调谐电路的带宽为LnQfBW0112多级单调谐电路的矩形系数为121100111.0nnKr晶体管2SC3355，fT=6.5GHz，结电容小，确保电路工作稳定。静态工作点，VB可设为1.0V左右。R4取1kΩ，R5使用2kΩ的多圈电位器，通过调整其值可以调整静态工作点，一方面可改变增益，另一方面可调整放大器的稳定性。旁路电容C3取1000pF，以减小对交流增益的影响。电容C2(51pF)确定后，用Ф0.18mm的漆包线在中周骨架上饶14匝，7匝出抽出，通过电容耦合接入下一级，使用中间抽头的电感器可将较大的前级放大器输出阻抗与后级电路较小的输入阻抗相匹配。R3并联在LC谐振回路两端降低了回路的Q值，可有效防止电路自激。实际R3值的选择需要在增益和稳定性上取折衷值。单级放大器增益调节范围10-30dB。完整电路及说明T12SC3355R4R5C31000pR1R21000pC1R3C2L1C4100pC547uC6100pC71uL2330uH++51pF+-T22SC3355R9R10C91000pR6R7R8C8L3C10100pC1147uC12100pC131u++51pFT32SC3355R13R14C151000pR11R12C14L3C16100pC1747uC12100pC131u+3.6V++51pFRL200调试时可将第一级电路的谐振频率设为稍低于15MHz，第二级电路的谐振频率调为15MHz，第三级电路的谐振频率稍高于15MHz，多级联调时用扫频仪可很快完成调试。特别说明的是，每级放大器均需要单独设计电源滤波和退耦网络，而且每级放大电路的静态工作点均不同，需要实际调试确定。电源退耦滤波和级间耦合回路设计不当，则多级电路很容易产生自激振荡。电源滤波采用π型非对称电路，可以有效抑制高频信号对直流电源的影响，滤波电路须靠近晶体管集电极并处于晶体管和电源之间。级间耦合电路采用两个电容的并联，可以有效消除自激和提高电路的稳定性。PCB设计考虑环路最小原则：信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越少。走线的方向控制规则：相邻层的走线方向成正交结构。短线规则：在设计时让布线长度尽量短，以减少干扰问题。倒角规则：PCB设计中应避免锐角和直角，产生不必要的辐射，提高工艺性能，无特殊情况统一采用45度倒角，倒角长度大于3倍线宽。器件去藕规则：去藕电容，滤除电源上的干扰信号，使电源信号稳定。3W规则：为了减少线间串扰，应保证线间距足够大，当线中心间距不少于3倍线宽时，则可保持70%的电场不互相干扰，称为3W规则。如要达到98%的电场不互相干扰，可使用10W的间距。抗干扰措施接地问题：仪器共地电路接地：高频电路多点接地。在设计高频印制电路板时，如果是单层板，可将未布线区域大面积敷铜接地。如果是双层板，则可一面全部敷铜用来接地，一面放元器件。为提高抗干扰效果，最好采用网格敷铜，网格大小与电路的工作频率有关。屏蔽措施：导线采用同轴电缆和专用SMA接口。电路屏蔽采用金属屏蔽罩，防止外部干扰和辐射干扰信号源RSRIRORIO示波器被测电路电路1电路2电路3电路实物图数据测试及结果频率/MHz12.5914.29615.00815.40817.120幅度/Vp-p0.1Vmax0.7VmaxVmax0.7Vmax0.1Vmax0.211.472.081.470.20输入（mVrms）输出（Vpp）增益1.001.1222400（87dB）2.002.0020000（86dB）3.022.4416159（84dB）4.022.8013930（82.9dB）5.012.9111577（81.3dB）输入信号：2mV有效值f0=15.003MHz（1~5mVrms输入）增益测量结果3dB带宽：B0.7=1.11MHz；B0.1=4.53MHz矩形系数：K0.1=4.08PLL频率合成器设计要求及指标：（1）输出频率范围：30MHz~50MHz；（2）最大输出电压500mV；（3）电源电压：5V；（4）最大频率分辨率：25kHz；总体方案设计MCU控制步进频率和频率显示MB1504提供鉴相器和分频器MC1648提供VCOLPFVCO/RPD/NMCU显示键盘晶振图5总体框图MB1504-1MB1504系列采用双极——CMOS工艺，是一种具有吞脉冲功能的单片串行输入数据的集成锁相环频率合成器。集成有参考晶体振荡器、鉴相器、双模高速前置分频器、参考分频器、可编程程序分频器和一位控制锁存器等。可以采用串行输入方式实现送数置数。图6封装引脚图MB1504-2图7MB1504内部结构图MB1504控制VCO特性实线1所示，即振荡频率随控制电压升高而升高，此时FC（引脚12）应置高电平或悬空；虚线2所示，即振荡频率随控制电压升高而降低，此时FC应置低电平或接地。本系统设计中要求振荡频率随控制电压升高而升高，即压控振荡器的特性要求符合图中实线1，则本系统MB1504的FC（引脚12）置高电平或悬空。图8MB1504控制VCO特性外接环路滤波器图9简单的无源比例积分滤波器和简单的RC积分滤波器串联电路MC1648的连接方式图10MC1648的三种连接方式MC1648是单片集成的射极耦合振荡器，输出MECL电平。电路工作时，外接电感L和电容C的并联谐振回路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。电路的5端为AGC，改变AGC的电位，则振荡幅度改变，经放大输出的波形也不一样，通过AGC调节，电路可以输出正弦波，也可以输出方波。MC1648应用电路图11输出正弦信号图12典型的频率合成器框图MC1648构成的VCO电路图11MC1648压控振荡器振荡器频率由来决定，其中C为变容二极管电容。改变输出频率，可以有两种方法，可以改变电容的大小，也可以改变电感的大小，改变电容的大小就如图中所示，通过变容二极管来实现，很适合电路自动完成，常作为压控振荡的受控元件；改变电感可以用波段开关来实现，从而可以用于达到扩充频段的目的。LCf210软件流程图开始初始化是否有键按下去抖按键是否正确修改频率递增递减任意显示YNNY开始液晶初始化延时5微秒检测忙信号获取显示RAM的地址延时5微秒写入相应的数据返回数据是否显示完毕BF是否为零YNYN图12频率设置程序流程图图13频率显示程序流程图