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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

r />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
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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 0—10V 电压, 输出 0—20KHz 脉冲波 (或者 0—10KHz 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

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(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 5~12V 时,输出频率范围从 20~70kHz。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。
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(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。
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按图中所标元件数值,电源电压用+15V,则变换系数为 1kHz /V。 电路在 100: 频率范围内具有低于±0.5%的线性误差。 1 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 0— 10V 的电压。

2. 电压跟随器
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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 0.01μF,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
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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 uO = ?
1 u I dt RC ∫


可 以 推 出 -10V=

?

1 RC

*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= ?
1 *10V*0.8*T RC



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
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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*3kΩ*2000pF=6*10-6S

555 单稳态触发器 OUT 端的输出波形

5.开关电路
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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 Ω。 为了保证较大的反向充电电流,R7 应该较小,故取 200 Ω。

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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 0 —10V 的输入电压线性转化成为 0—20KHz 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
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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。
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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 包括(面包板 1 快,各种阻值的滑动变阻器 1 个 若干) 1片 1片 1只 1只 1只

2.LF353 双运放集成芯片 3.555 集成芯片 4.三极管 5.普通二极管 6.3V 稳压二极管 7. 定值电阻

47kΩ,51 kΩ,4.3 kΩ,20 kΩ,3kΩ,2kΩ,1kΩ, 200Ω 20kΩ 8.2200pF 电容 9.0.01μF 电容 10.470μF 电解质电容 11.导线 12. 可调式双通道直流稳压稳流电源 13. 双踪示波器 14. 万用表
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各1个 3 个 2个 1个 2个 若干 1 台 1台 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 0.01μF) 。 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。

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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,
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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
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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 0.01μF 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 470μF 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
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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,在器件的连接过程中也让我了解到,EWB 仿真中的环境是一种非常理想的环境,这个环境与实验室的 环境还是有这很大差别的。所以,在实际的操作中还需要在 对一些参数进行适当的调整以达到要求。同时,这个实验让 我第一次把从模电和数电课本上学到的知识运用到平时,这 更加深了我对书本知识的理解,在以后的工作中可以更好的 运用这方面的知识。

参考书目即文献资料
《电子技术基础(模拟部分) 康华光 主编 高等教育出版 》 社 《数字电子技术基础》 张申科 崔葛瑾 主编 版社 电子工业出

图片及其说明资料来自 CIC 中国 IC 网

附录: 附录: 总电路图

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