3.15压控振荡器

315压控振荡器一实验目的1.了解压控振荡器的组成和工作原理。2.掌握压控振荡器的基本参数指标及测试方法。二设计原理电压控制振荡器简称为压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator,缩写为VCO），是一种将直流电平变换为相应频率的脉冲变换电路，或者说是输出脉冲频率与输入信号电平成正比例的电路。他被广泛地应用在自动控制、自动检测与检测技术等技术领域。压控振荡器的控制电压可以有不痛的输入方式。如用直流电压作为控制电压，电路可制成频率调节十分方便的信号源；用正弦电压作为控制电压，电路就成为调频振荡器；而用锯齿电压作为控制电压，电路将成为扫频振荡器。压控振荡器由控制部分、方波、三角波发生器组成，其框图如图3-15-1所示。反相器1反相器2模拟开关方波、三角波发生器三角波方波控制电压图3-15-1 压控振荡器方框图1. 方波、三角波发生器方波的产生有很多种方法，而用运算放大器的非线性应用电路图电压比较器是一种产生方波的最简单的电路之一。三角波则可以通过方波信号积分得到。电路如图3-15-2所示。设t=0,vc=0,vo1=+VZ ,则vo =-vc =0,运放A1的同相端对地电压为 v+=VZR1R1+R2+v0R0R1+R2 （3-15-1）此时，v01通过R向C恒流充电，vc 线性上升，v0 线性下降，从而使v+下降。由于运放反相端接地，因此当v+下降略小于0是，A1 翻转，v01跳变为-VZ。图3-15-3反映了t=t1时的波形。根据式3-15-1可知，此时v0略小于-R1R2VZ。在t=t1时，vc=-V0=R1R2VZ，vo1=-VZ，运放A1的同相端对地电压为v+=+VZR1R1+R2+v0R2R1+R2此时，电容C恒流放电，vc线性下降，vo线性上升，则v+也上升。当v+上升到略大于0时，A1翻转，v0跳变为VZ，如此周而复始，就可在v0端输出幅度为R1R2VZ的三角波。同时在v01端得到幅度为VZ的方波。如图3-15-3所示，在t1t2期间，电容C的放电时间T1=t2-t1=CVcic=C(-2R1R2VZ)-VZR=2RCR1R2在t2t3期间，电容C恒流充电，同理，可得充电时间T2=2RCR1R2因此，周期和频率依次为 T=T1+T2=4RCR1R2 (3-15-2) f=1T=R24RCR1 (3-15-3) 2. 锯齿波若上升时间与下降时间不同，则三角波就变成了锯齿波。锯齿波得下降时间远小于一般上升时间。只要让图3-15-2电路中的R4远小于R，就可以得到图3-15-4所示的锯齿波。3. 压控振荡器（1） 工作原理如前所述，三角波发生器的振荡频率与积分器的电容充放电时间有关。而充放电时间与放电电流大小有关，有ic=VZR。因此改变VZ大小可以调节振荡频率。假如积分器的输入端不与迟滞比较器的输出端相连，而是图3-15-5那样与开关S的一个固定触电相连，开关的另两个触电分别与Vi相连，开关S在+Vi和-Vi之间的转接受控于迟滞比较器的输出电压，当其输出电压为-VZ，则开关S接向-Vi，当其输出电压为+VZ时，则开关S接向+Vi。此时接分歧输出的三角波和迟滞比较器输出的方波的频率均受输入电压Vi的控制。典型电路如图3-15-6所示。图3-15-6中A3、A4是两个相互串联的反相器，它们的输出电压相等，相位相反，即有VO4=-VO3=Vi。途中D2、D4状态受A2输出控制，当A2输出高电位时，其值大于Vo4（vi），D3截止，D4导通，积分器A1对Vo4（vi）积分。反之，当A2输出为低电位时，其值小于Vo3（-vi）,则D3导通，D4截止，积分器A1对Vo3（-vi）积分。D3、D4在电路中起一个开关的作用。图中A1、A2构成的为一个方波-三角波产生电路。由于电路中电容C的充放电时间相等，因此求出电容C的放电时间即可得到电路的振荡周期，从而得到振荡频率。电容的放电电流为ic=-viR，在t1t2放电期间，电容上的电压变化量为vc=-2R1R2VZ，由此可得放电时间 Ti=Cvcic=C(-2R1R2VZ)-viR=2RCR1VZR2Vi (3-15-4)因此电路的震荡周期 T=2T1=4RCR1VZR2vi 3-15-5相应的振荡频率 f=1T=R24RCR1VZvi 3-15-6由式3-15-6可知，vi改变时，f随vi的改变而成正比例变化，但不影响三角波和方波的幅值。如果vi为直流电压，则电路震荡频率的调节十分容易；当vi的频率远小于f的正弦信号时，则压控振荡器成为调频振荡器，它能输出抗干扰能力很强的调频波。方波输出幅值为VOM(VZ)，三角波输出幅度为VOLM，它们的关系式为 VOLM=R2R1VOM 3-15-7具体公式推导可由学生自行完成。由式3-15-6可知 vo1=R2R1vo=1RC0T4vidt=viT4RC 3-15-8即振荡频率 f=R2vi4R1RCVOM 3-15-9由式3-15-8、3-15-9可知，当改变控制电压vi时，积分常数改变，三角波将上升、下降的斜率发生改变，即振荡频率改变，从而实现电压控制震荡频率的目的。（2） 参数确定与原件选择a. 确定积分时间常数R、C。由式（3-15-9）可知，振荡频率f与积分电容C、积分电阻R的取值有关，当电容C或电阻R增大时，震荡频率f将随之减小。在进行电路设计时，可以先选定一个C值，然后再选取R。b. 确定反馈回路电阻R1、R2。由式（3-15-7）和式（3-15-9）可知，正反馈回路电阻R1与R2的取值不但与输出三角波的峰值有关，而且与振荡频率的大小有关。因此在选取R1、R2的阻值时，应同时兼顾两方面得因素。首先根据设计所要求的三角波的输出幅度和运算放大器的最大输出电压VOM，由式（3-15-7）确定R1/R2的比值，然后再选定R1和R2，最后应将各参数的设定值带入式（3-15-9），验算是否满足设计要求。c. R6R11的确定。由于A3、A4为反相器，故R6=R7=R8/2，其中R8=R9=R10=R11。三、预习要求1.设计一个压控振荡器可控电压范围为010V，频率范围为200Hz10kHz，方波VOM=6V，三角波VOM=3V。2.提高题若在上题基础上，增加正弦波输出，频率范围和输出电压大小与三角波相同。四、实验内容1.根据所设计的电路，连接好元器件。2.用示波器观察输出波形，并调节输入信号，输出信号频率应随输入信号的变化而变化。3.测试V-f特性，自定输入点数级电压值，记录对应输出波形频率、幅度，应均匀并绘出V-f曲线，算出线性度。五、实验报告要求1.绘出实验电路图，简要叙述电路工作原理。2.整理实验数据，并对实验数据进行误差分析。3.绘出实验V-f特性曲线。4.总结实验过程中的