VCO压控振荡器实验报告

VCO压控振荡器实验报告目录章节设计要求及方案选择2框内电路设计（EWB仿真）5总电路叙述10器件表12总电路图13问题及修改方案13体会14参考书目及文献资料17附录：总电路图17设计要求及方案选择1 设计内容V/F转换（VCO压控振荡器）2. 设计要求输入010V电压，输出020KHz脉冲波（或者010KHz对称方波）。绝对误差在正负30Hz以内。3. 设计方案（1）RC压控振荡器（2）双D触发器式的VCO电路图片来源 CIC中国IC网如图所示为双D触发器式的VCO。电路输出一个占空比50的方波信号，而消耗的电流却很小。当输入电压为512V时，输出频率范围从2070kHz。首先假设IC-A的初始状态是Q=低电平。此时VDl被关断，Vi通过Rl向Cl充电。当Cl上的电压达到一定电平时，IC-A被强制翻转，其Q输出端变成高电平，Cl通过VDl放电。同时，IC-A的CL输入端也将变成低电平，强制IC-A再翻回到Q=低电平。由于R2和C2的延时作用，保证了在IC-A返回到Q为低电平以前，把Cl的电放掉。IC-A输出的窄脉冲电流触发IC-B，产生一个占空比为50的输出脉冲信号。（3）具有三角波和方波输出的压控振荡器图片来源 CIC中国IC网如图所示为具有三角波和方波输出的压控振荡电路。该电路是一个受控制电压控制的振荡器。它具有很好的稳定性和极好的线性，并且有较宽的频率范围。电路有两个输出端，一个是方波输出端，另一个为三角波输出端。图中，A1为倒相器，A2为积分器，A3为比较器。场效应管Q1用来变换积分方向。比较器的基准电压是由稳压二极管D1、D2提供，积分器的输出和基准电压进行比较产生方波输出。电阻R5、R6用来降低Q1的漏极电压，以保证大输入信号时Q1能完全截止。电阻R7、R8和二极管D3、D4是为了防止A3发生阻塞。按图中所标元件数值，电源电压用+15V，则变换系数为1kHzV。电路在100：1频率范围内具有低于0.5的线性误差。4. 方案选择选择第一套设计方案。理由是，设计思路比较简单易于实现；所需要的元器件以及设备实验室可以提供；该设计方案精确度高，并且频率可调。框内电路设计（EWB仿真）1. 电源部分电源部分采用采用两个15V的直流电源串联形成将其中一个电源的正极与另一个电源的负极相连并接地，从而获得+15V和-15V的电源电压。同时，在+15V的正极后面串联一个47K的定值电阻和一个100K的滑动变阻器，使得下一个原件，即电压跟随器能够得到010V的电压。2. 电压跟随器电压跟随器采用353芯片中的电压跟随器。作用是使电源电阻对后续电路不产生影响，从而确保后续电阻的线性性能。3. 反向积分器反向积分器的电阻部分采用了一个51K的定值电阻和一个阻值为10K的滑动变阻器串联形成。目的是为了更方便和更精确的调整反向积分器的积分时间。电容的大小暂定为0.01F，这个值是根据EWB仿真实验测定出来的。但是，由于仿真实验的环境是完全理想的，所以，在实际的实验当中这个电容的大小非常不合适，因此做了较大的修改。这个问题将在后续的“问题及修改方案”章节中涉及到。使用二极管的目的是使得反向积分器的输出电压控制在-0.7V以上。反向积分器中的预算放大器同样使用的是353芯片中提供的。相关计算：令输入电压为10V，则根据反响积分电路的计算公式则有，可以推出-10V=*10V*T，其中T=1/F=0.05ms。因为要求输出波形是脉冲波形，所以，反向积分器的正向充电时间必须是反向充电时间的4倍以上。所以，-10V=*10V*0.8*T 。输出波形如图：4.555单稳态触发器555构成的单稳态触发器的相关计算：当555单稳态触发器的TRI端（即2脚）的电压小于1/3Vcc（即5V）时，单稳态触发器的OUT端（即3脚）输出高电频。经过一段时间后自动恢复到低电频。高电频的时间又构成单稳态触发器的电阻R6和电容C2共同决定的，计算公式为TPO=1.1*R6*C2=1.1*3k*2000pF=6*10-6S555单稳态触发器OUT端的输出波形5.开关电路当555构成的单稳态触发器的OUT端（即2脚）输出高电频时，三极管的基极电压大约为-1V左右，三极管的发射极电压在稳压管的作用下大约为-3V左右，三极管导通。当555构成的单稳态触发器的OUT端（即2脚）输出低电频时，三极管的基极电压大约为-7.5V左右，三极管的发射极电压在稳压管的作用下大约为-3V左右，三极管截止。 定值电阻R11的作用是稳定稳压管支路的电流，是稳压管不会因为电流过大而被击穿，R11=(-3V)-(-15V)/8mA=1.5k。为了保证较大的反向充电电流，R7应该较小，故取200。总电路叙述 1. 电路功能整个电路用来实现VOC压控振荡器的功能，作用是将010V的输入电压线性转化成为020KHz的脉冲信号输出。这种电路多用于构成锁相环，实现模数转换和在通信系统中产生本振信号。2. 电路原理接通电源后，电路的1号节点在电压跟随器的作用下呈现出电源经过滑动变阻器之后的输出电压，为正值。经过反向积分器的积分作用后，在电路的2号节点呈现负电压。由于电路的2号节点呈现负的电压值，从而使得电路中的3号节点处的电压小于5V，也即1/3Vcc。导致由555构成的单稳态触发器的OUT端（即3脚）即电路的4号节点产生高电频。在电路的4号节点呈现高电压时，电路的5号节点的电压大约为-1V左右，即三极管的基极电压为-1V。而此时，由于稳压二极管的作用，三极管的发射极电压被钳制在-3V左右。这样使得三极管导通，开关电路的开关闭合。又由于IC近似等于IE，所以，相当于反向积分器中运算放大器的负极经过两个电阻之后直接连在电路中的7号节点上，该节点的电压由于稳压二极管的作用稳定在-3V左右。反向积分器中运算放大器的负极电压在这种情况下呈现负值。通过反向积分器后，电路中2号节点的电压为正值。此时，由555构成的单稳态触发器的TRI端（即2脚）的输入电压大于+5V，单稳态触发器的OUT端（即3脚）输出低电频。在这种情况下，电路中的5号节点电压变为-7.5V，即三极管的基极电压。而三极管的发射极电压仍然为-3V左右。三极管截止，开关电路的开关断开。此时反向积分器中运算放大器的负极电压重新回到正值，经过反向积分器之后再次输出负电压。由555构成的单稳态触发器再次输出高电频。整个电路如此循环往复。形成一定频率的脉冲信号输出。器件表1.多功能电子电路试验箱 1个包括（面包板 1快，各种阻值的滑动变阻器 若干）2.LF353双运放集成芯片 1片3.555集成芯片 1片4.三极管 1只5.普通二极管 1只6.3V稳压二极管 1只7. 定值电阻47k，51 k，4.3 k，20 k，3k，2k，1k，200 各1个20k 3个8.2200pF电容 2个9.0.01F电容 1个10.470F电解质电容 2个11.导线 若干12. 可调式双通道直流稳压稳流电源 1台13. 双踪示波器 1台14. 万用表 1台总电路图（见附录）问题即修改方案1. 在实际电路实验中，电路输出的脉冲周期不能达到实际要求。实际周期远大于目标值。在修改时，首先更换更小阻值的电阻，试图通过减小电阻增大反向积分器的充电电流来减小充电的时间。但是电阻的阻值减小对电路输出脉冲信号的周期影响并不是十分明显。而且，当电阻的阻值减小到10K一下的时候电路便不能正常工作。所以，只能通过修改反向积分器中的电容来减小电路输出脉冲的周期。由于，事先对电容的计算值是2nF左右（但是由EWB仿真得出的值是0.01F）。所以，更换为2200pF的电容。问题马上得到了解决，并且电阻仍然是51K。2. 在示波器上显示波形不稳定而且波形中含有较多的干扰。解决方案，在电源与地之间接入尽量大的电容，用以滤去干扰信号。电路如图：心得体会两周一共四次课的时间，要完成从选择电路到各种元器件的参数计算和型号选择，再在算机上进行EWB的仿真实验，最后完成组装和调试，从而达到要求的频率和精度。这样的实验是我以前从来都没有经历过的试验方式。原来的实验基本上都是在现成的图纸和参数下只要完成组装就完成了的。虽然也有一定的难度和考察效果，但是毕竟不明显。这个实验，虽然难度并不是很大，但是从一开始它就需要我们自己独立的进行各种参数的计算和设计。第一次上课的时候，老师给我们讲解了一种VCO压控振荡器的实现方法，就是积分器与555单稳态触发器构成的压控振荡器。并且，老师告诉我们关于VCO压控振荡器的实现方法有很多，而且这个并不是最简单的，希望我们可以自己通过各种渠道多去了解一些，并从中进行比较做出选择。于是，我在网上开始搜索相关的资料。果然，各种各样的压控振荡器电路图出现在我的面前。其中，有极为简单的由双D触发器构成的压控振荡器；也有功能十分强大，精度很高的并且具有三角波和方波双输出的压控振荡器；当然，老师提供的压控振荡器电路也在其中。各种不同的压控振荡器都由自己的特点和不足。最后，结合元器件、实现难度和精度等各方面因素，我还是采用了老师提供的电路图。第二个步骤就是计算数据了。这个步骤确实让我费了很大的功夫。尽管是上个学期才学过的课程，可是经过一个暑假的时间，剩下的记忆已经寥寥无几了。于是，我又拿出原来的课本，翻看公式、例题，以及笔记。同时，电路图上有不明白的问题，马上请教老师和同学。最终，计算出来一组理论上可行的数据，接下来要做的就是EWB仿真。电脑上装了一年多的EWB软件终于可以派上用场了。电路图连接好之后，开始设置参数，很快，一个模拟的实验环境就已经搭建完成了。在点击实验开始的按钮的时候，心情是三分兴奋七分紧张。不了，害怕的事情还是出现了。电路一直在运行，可就是看不见波形出来。示波器上一条直线显得比以往任何时候都平坦。在仔细的检查过所有参数和元器件的连接之后，仍然没有发现错误。于是，我有对数据进行了第二次演算，以确定不是数据的问题。无计可施的情况下，我赶紧找到老师帮我解决这个问题。最后，终于在把C1电容改成0.01F之后，示波器显示出了比较理想的波形。剩下的任务就是调整其他参数使输出的波形在精度上符合设计要求。最后一步就是在电路板上实际连接各种器件。可是新的问题出现了，输出波形是正确的，但是精度却怎么也调整不到要求的范围。最后，在同学的建议下，我把C1电容换成了与最初的计算值近似的2200pF，问题马上得到了解决。为了使输出的信号更加稳定，在老师的提示下，我有在电源与地面之间加装了两个470F的电容，用来过滤干扰信号。到此，这个实验的操作部分算是完成了。回顾一下整个做实验的过程。虽然有一些步骤是在请教了老师和同学之后才完成的。但是，这个实验仍然交给我很多以往的实验中学不到的东西。在这个实验中，老师不再像以前一样让我们照着既定的电路图连接，我们要从众多方案中挑选出一个相比之下更加合适的方案，为此，我了解了电路方案选择时要考虑多种因素。同样，这个实验中，老师没有给出任何参数以供使用，在进行实验之前我要先进行电路参数的计算，以保证在实际连接电路时不会出现危险或是烧坏器件。EWB的仿真操作也是我通过这个实验得到的经验。在EWB方便的操作环境下，我可以根据实际情况的需要，随意的更改各种元器件和参数，不用担心短路等其他问题。这样可以让我，更快更精确的调整输出的波形，更好的达到实验的要求。最后，在器