可調(diào)壓控振蕩器的設(shè)計(jì)

1、頻率、占空比可變的壓控振蕩電路的設(shè)計(jì)摘要：電壓/頻率轉(zhuǎn)換是模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)不可缺少的部分。在儀器儀表, 自動(dòng)控制中得到廣泛的應(yīng)用, 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中更是經(jīng)常碰到。課本中提供了一種簡(jiǎn)易壓控振蕩器的設(shè)計(jì)方法，本文將在理解課本基本思路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)頻率和占空比可變的電壓控制振蕩電路。關(guān)鍵詞：壓控振蕩電路 波形分析 電容儲(chǔ)能電壓控制振蕩電路有很多種設(shè)計(jì)方法，其中課本上采用的“電荷平衡式振蕩電路”和“復(fù)位式振蕩電路”都是基于積分電路來實(shí)現(xiàn)的。其基本設(shè)計(jì)思路可以通過倒推的方法來進(jìn)行復(fù)原：（1）首先需要輸出一定頻率的振蕩波形（假定為矩形波），對(duì)這一要求，滯回比較器就可以滿足；（2）滯回比較器需要閾值電壓才能進(jìn)行

2、跳轉(zhuǎn)，所以需要一個(gè)前級(jí)電路給它輸入閾值電壓，這一點(diǎn)如果要和“電壓幅值-時(shí)間”聯(lián)系起來最好的辦法就是對(duì)電壓幅值進(jìn)行積分，故我們需要一個(gè)積分電路來對(duì)輸入電壓的一個(gè)相關(guān)量進(jìn)行積分；（3）有了全部的兩級(jí)電路之后，為了使滯回比較器獲得“跳轉(zhuǎn)”的信號(hào)，需要將滯回比較器輸出的電壓反饋回來告訴積分電路何時(shí)進(jìn)行積分，當(dāng)不需要積分電路工作的時(shí)候，需要讓電容上積累的電荷釋放掉。至此，就可以完成一個(gè)對(duì)于壓控振蕩電路的設(shè)計(jì)。下面設(shè)計(jì)一個(gè)可以對(duì)同一輸入信號(hào)輸出頻率可調(diào)、占空比可調(diào)的壓控振蕩電路。1 電路設(shè)計(jì)和仿真波形參考課本對(duì)于壓控振蕩器的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)如下所示的電路圖，其中參數(shù)設(shè)置參考了8.5節(jié)部分內(nèi)容。 圖1 電路設(shè)

3、計(jì)原理圖 對(duì)輸出波形進(jìn)行測(cè)試，如下： 圖2 仿真波形1 改變電路參數(shù)之后重新進(jìn)行仿真，如下，可見實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能： 另外，還觀測(cè)到電路起振階段的波形，如下： 下面，對(duì)于電路進(jìn)行理論分析。2 電路分析接下來我將從理論分析和數(shù)值分析兩方面對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行討論。2.1 理論分析圖1中，U1組成積分運(yùn)算電路，U2組成滯回比較器。在二極管D3導(dǎo)通時(shí)，輸出端高電平，積分電路對(duì)流過C2的電流進(jìn)行積分，C2的電流等于流過R2的電流；在D3截止時(shí)，積分電路中電容C2中流過的電流變成了R1、R2之中電流。以下給出定量的計(jì)算。2.2 理論計(jì)算現(xiàn)將電路分為D3導(dǎo)通和D3截止分別進(jìn)行分析計(jì)算，最后計(jì)算得到頻率和占空比的

4、表達(dá)式。當(dāng)D3導(dǎo)通時(shí)：iC=0uN1R2=R4(R3+R4R2uIuo1=1R2CR4(R3+R4 uI(t1t0 +uo1(t0 當(dāng)D3截止時(shí)：iC=0uN1R1+R2=R4(R3+R4(R1+R2 uIuo1=1(R1+R2CR3(R3+R4 uI(t2t1 +uo1(t1 =1R2C0.5R3(R3+R4 uI(t2t1 +uo1(t1 故得到U1的輸出方程，它們的斜率即為它們?cè)谕恢芷谥畠?nèi)所占的比值，由此計(jì)算占空比得：=0.5R3R4+0.5R3=R32R4+R3根據(jù)半個(gè)周期內(nèi)積分電路的初值和終值，計(jì)算振蕩周期，再求倒數(shù)得到振蕩頻率，帶入R2和C 的值即：UT=20003R4(R3+R

5、4 uIR32R4+R3TUT T =3UT(R3+R4(2R4+R3 10000R3R4uI f =10000R3R43UT(R3+R4(2R4+R3 uI至此，壓控振蕩電路的輸出頻率、輸出占空比關(guān)于滑動(dòng)變阻器R3、R4、uI表達(dá)式都以得出，匯總：f =10000R3R43UT(R3+R4(2R4+R3 uI=0.5R3R4+0.5R3=R32R4+R3根據(jù)所需要的得到的輸出頻率和輸出占空比，代入上式后解二元一次方程組就可以得到想要的結(jié)果。3 設(shè)計(jì)仿真中存在的問題選取R3=R4=25k進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)得t1=568.182us，T=3.864ms，f=1/T=258.8Hz。除了頻率基本正確之外

6、，但是此時(shí)占空比的誤差較大。理論上t1應(yīng)該為1ms 左右，但是事實(shí)上t1的時(shí)間非常短。由于時(shí)間限制，并沒有對(duì)此做更加深入的分析，猜想可能是因?yàn)榉糯笃鬏斎腚娮璧鹊挠绊?，?dǎo)致計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相差較大。但是我們也可以采取工程的辦法來進(jìn)行調(diào)整，通過parameter sweep 等仿真功能進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)仿真中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)R3和R4取的非常小時(shí)電路會(huì)失去振蕩功能，這一特點(diǎn)希望在期末的復(fù)習(xí)中、乃至更長(zhǎng)遠(yuǎn)的學(xué)習(xí)中能夠找到答案。4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)本學(xué)期我們?cè)诶蠋煹膸ьI(lǐng)下，從非?；A(chǔ)的元器件學(xué)習(xí)如何利用它們組成基本的單管放大電路，再從單管放大電路開始組成多級(jí)放大電路，研究其幅值、頻率響應(yīng)，最后將其封裝組成基本的放大單

7、元運(yùn)算放大器。在這之后，我們學(xué)習(xí)了“反饋”這一重要概念，并在此基礎(chǔ)上組成了多種實(shí)用的電路單元（比例運(yùn)算器、波形發(fā)生器等等）。最后，我們又重點(diǎn)研究了對(duì)于電路的輸出級(jí)進(jìn)行功率放大的問題，并對(duì)“直流電源”這一對(duì)運(yùn)放非常重要的電路器件進(jìn)行了研究。在本次實(shí)驗(yàn)的過程中，我對(duì)負(fù)反饋這一概念的體驗(yàn)更加深刻。因?yàn)樵诖罱娐返倪^程中，有時(shí)候?qū)⒎答伣拥秸蜉斎攵嘶蛘呓拥椒聪噍斎攵藘烧叩膮^(qū)別是非常大的，也會(huì)對(duì)于實(shí)驗(yàn)進(jìn)程帶來非常大的干擾。最后，感謝老師和各位助教本學(xué)期辛勤的工作，祝老師身體健康，工作、科研事事順利！參考文獻(xiàn)或網(wǎng)站1童詩白 華成英，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版） 高等教育出版社 2006.52華成英，幫你學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)高等教育出版社 2004.13. 電子發(fā)燒友網(wǎng)，壓控振蕩器工作原理，4. 百度文庫，