壓控振蕩器的電路設(shè)計(jì) EDA

1、 EDA課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目 壓控振蕩電路的設(shè)計(jì) 姓 名 專業(yè)班級(jí) .指導(dǎo)教師 日 期 10目 錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求3二、元器件清單及簡(jiǎn)介15三、設(shè)計(jì)原理分析18四、設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及改進(jìn)25五、總 結(jié)25六、參考文獻(xiàn)26 壓控振蕩電路的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1課程設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容 本課題的主要研究?jī)?nèi)容是采用集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)壓控振蕩器的電路，并使用multisim仿真工具對(duì)其進(jìn)行仿真。包括壓控鋸齒波發(fā)生器電路、壓控矩形波發(fā)生器電路、壓控三角波發(fā)生器電路、壓控方波發(fā)生器電路。所設(shè)計(jì)的電路應(yīng)具有相應(yīng)的功能及較好的性能。設(shè)計(jì)中要掌握電子電路設(shè)計(jì)的基本方法包括設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)公式、參數(shù)計(jì)算及電子元

2、器件的選擇，掌握multisim在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。1.2 壓控振蕩器設(shè)計(jì)要點(diǎn)壓控振蕩器一般分為晶體壓控振蕩器和LC壓控振蕩器對(duì)于各種用途的晶體壓控振蕩和LC壓控振蕩，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的指標(biāo)大體上可以分為以下幾個(gè)方面：(1)壓控曲線的線性度，靈敏度及壓控范圍。(2)振蕩頻率的精度及其穩(wěn)定度。(3)振蕩輸出的幅頻及其頻譜純度。(4)振蕩器功率及其負(fù)載能力。以上是對(duì)一般壓控振蕩器的總體要求，但對(duì)晶體壓控振蕩器和壓控振蕩器，甚至對(duì)不同用途的晶體壓控振蕩器及LC壓控振蕩器，其設(shè)計(jì)要求也不一樣，而且指標(biāo)之間有些是相互矛盾的。因此設(shè)計(jì)時(shí)只能根據(jù)需要，選定對(duì)系統(tǒng)影響最大的參數(shù)作為設(shè)計(jì)要點(diǎn)， 其它的則可相互折

3、衷考慮。1.2.1 選擇電路的類型振蕩電路型式主要是根據(jù)所給定的工作頻率和頻率穩(wěn)定度的要求來(lái)選擇的。由于不同型式的各種振蕩器所適用的工作頻率范圍和頻率穩(wěn)定度都差不多，所以電路選擇比較靈活，往往是不同形式的電路都可以滿足某種技術(shù)指標(biāo)的要求。LC壓控振蕩器常用于幾百千赫到幾十兆赫以至上百兆的頻率范圍，頻率穩(wěn)定度一般低于10-4，當(dāng)頻率穩(wěn)定度要求很高時(shí)。例如，要優(yōu)于10-5，則必須采用晶體壓控振蕩器。但對(duì)要求頻偏大、線性好及靈敏度高的電路，則必須選用LC壓控振蕩器至于頻譜純度要求，則可通過(guò)對(duì)壓控振蕩器及線路環(huán)中各參數(shù)的精密調(diào)試來(lái)達(dá)到。1.2.2 振蕩管的選擇目前，雖然也有用場(chǎng)效應(yīng)管作為振蕩管的，但還

4、是以用晶體管作振蕩管最多。在選擇晶體管的型號(hào)時(shí)，主要是從振蕩頻率、頻率穩(wěn)定度、振蕩功率以及能否滿足起振條件來(lái)考慮。另外，在很多應(yīng)用場(chǎng)合，還應(yīng)考慮管子的基噪等問(wèn)題。1.3 變?nèi)莨艿倪x擇由于壓控振蕩器頻率的改變是借助變?nèi)莨茈娙莸母淖儊?lái)完成的。因此，壓控振蕩器的許多重要指標(biāo)，如頻偏、線性度、靈敏度甚至基噪等，都與它有關(guān)。因此，無(wú)論對(duì)晶體壓控振蕩器，還是LC壓控振蕩器，變?nèi)荻O管都是一個(gè)相當(dāng)關(guān)鏈的另件。在選擇變?nèi)荻O管時(shí)，應(yīng)綜合考慮頻偏。壓控靈敏度、非線性失真、中心頻率及最高反向工作電壓諸因素。1.4 適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘河汕€(圖3.1)可知，一般的變?nèi)荻O管在反向偏壓較高時(shí)，電容變化很小，即斜率較小，有

5、可能達(dá)不到對(duì)靈敏度的要求。面在反向偏壓較低時(shí)，電容變化雖然較大， 但其受溫度影響也較大，而且在這兩個(gè)區(qū)域，壓控曲線線性度差，所以一般變?nèi)荻O管的工作偏壓選在C-V特性曲線線性較好，而斜率又不太小的區(qū)段。由于變?nèi)荻O管參數(shù)有一定的離散性，因此，有條件的話，可測(cè)試選用的變?nèi)荻O管的壓控曲線，以便選定最佳位置。圖3.1 曲線1.5集成電路選擇由于集成電路可以實(shí)現(xiàn)很多單元電路甚至整機(jī)電路的功能，所以選擇集成電路設(shè)計(jì)單元電路和總體電路既方便又靈活，它不僅是系統(tǒng)體積縮小，而且性能可靠，便于調(diào)試及運(yùn)行，在multisim元器件庫(kù)中選擇集成電路，可通過(guò)其性能表或功能真值表了解集成電路的參數(shù)和工作條件。集成電路

6、有模擬集成電路和數(shù)字集成電路。二、元器件清單及簡(jiǎn)介2.1電路元器件的選擇表5-1 壓控矩形波電路元器件選擇原件名稱原件標(biāo)注參數(shù)型號(hào)集成運(yùn)放A1741電阻R14.918K電阻R220K電阻R31K電阻R50K電阻Rw150K電容C0.01uF電源VEE-15V電源VCC15V穩(wěn)壓管D35V穩(wěn)壓管D55V示波器XSC1頻率計(jì)數(shù)器XFC1二極管D1SB320二極管D2SB320萬(wàn)用表XMM12.2壓控振蕩器部分元器件介紹 圖2.1 multisim中電阻元器件電阻，它是導(dǎo)體的一種基本性質(zhì)，與導(dǎo)體的尺寸、材料、溫度有關(guān)。電阻的基本單位是歐姆，用希臘字母“”表示。有這樣的定義：導(dǎo)體上加上一伏特電壓時(shí)，產(chǎn)

7、生一安培電流所對(duì)應(yīng)的阻值。電阻的主要職能就是阻礙電流流過(guò)。它的作用有限流，分流，分壓。 圖2.2 multisim中電位器元器件電位器是一種可調(diào)的電子元件。電位器的作用是調(diào)節(jié)電壓（含直流電壓與信號(hào)電壓）和電流的大小。 圖2.3 multisim中穩(wěn)壓二極管元器件 穩(wěn)壓二極管的作用，穩(wěn)壓二極管也稱齊納二極管或反向擊穿二極管，在電路中起穩(wěn)定電壓作用。它是利用二極管被反向擊穿后，在一定反向電流范圍內(nèi)反向電壓不隨反向電流變化這一特點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)壓的。圖2.4 multisim中二極管元器件二極管的主要特性是單向?qū)щ娦?，也就是在正向電壓的作用下，?dǎo)通電阻很??；而在反向電壓作用下導(dǎo)通電阻極大或無(wú)窮大。

8、圖2.5 multisim中NPN晶體管元器件 晶體管（是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開(kāi)關(guān)，基于輸入的電壓，控制流出的電流，因此晶體管可做為電流的開(kāi)關(guān)，和一般機(jī)械開(kāi)關(guān)不同處在于晶體管是利用電訊號(hào)來(lái)控制，而且開(kāi)關(guān)速度可以非常之快，在實(shí)驗(yàn)室中的切換速度可達(dá)100GHz以上。 圖2.6 multisim中電容元器件所謂電容，就是容納和釋放電荷的電子元器件。電容的基本工作原理就是充電放電， 當(dāng)然還有整流、振蕩以及其它的作用。另外電容的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，主要由兩塊正負(fù)電極和夾在中間的絕緣介質(zhì)組成，所以電容類型主要是由電極和絕緣介質(zhì)決定的

9、。圖2.7 multisim中三端集成運(yùn)算放大器元器件運(yùn)算放大器（常簡(jiǎn)稱為“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。 三、設(shè)計(jì)原理分析3.1 壓控矩形波發(fā)生器3.1.1設(shè)計(jì)說(shuō)明1.概述 矩形波發(fā)生電路在測(cè)量、自動(dòng)控制、通訊、無(wú)限電廣播和遙控等技術(shù)技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，甚至在收音機(jī)、電視臺(tái)和電子表等日常生活用品也離不開(kāi)它。總之矩形波發(fā)生電路廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域中。2.設(shè)計(jì)方案選擇論證 矩形波發(fā)生電路實(shí)際上是由一個(gè)滯回比較器和一個(gè)RC

10、充回電電路組成。其中，集成運(yùn)放和電阻R1和R2組成滯回比較器，電阻R和電容C構(gòu)成充放電回路，穩(wěn)壓器和電阻R3的租用是鉗位，將滯回比較器的電壓限制在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ。在矩形波發(fā)生電路中，如圖1所示電位器Rw和二極管D1、D2的作用是將電容充電和放電的回路分開(kāi)，并調(diào)節(jié)充電和放電兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的比。 矩形波發(fā)生電路沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，它有兩個(gè)暫態(tài)，一個(gè)是低水平，另一個(gè)是高電平，要想達(dá)到這種效果可采用滯回比較器，同時(shí)利用RC充放電回路來(lái)改變集成運(yùn)放反向輸入端的輸入電壓u-=uc。當(dāng)電容上的電壓上升到u-=u+時(shí)，滯回比較器的輸出端將發(fā)生跳變，由高電平跳變成低電壓。當(dāng)電容上的電壓下降到u-=u+時(shí)，滯回比較器的

11、輸出端再次發(fā)生跳變，由低電壓跳變成高水平。以后又重復(fù)上述過(guò)程。如此電容反復(fù)地進(jìn)行充電和放電，滯回比較器的輸出端反復(fù)地在高水平和低水平之間跳變，于是產(chǎn)生了正負(fù)交替的矩形波。因此，在選擇矩形波發(fā)生電路時(shí)，采用滯回比較器和RC充放電回路來(lái)構(gòu)成矩形波發(fā)生電路。3.單元電路設(shè)計(jì) 滯回比較器滯回比較器可用于產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒波等各種非正弦波信號(hào)，也可用于波形交換電路。用于控制系統(tǒng)是，滯回比較器的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)輸入信號(hào)受干擾或噪聲的影響而上下波動(dòng)時(shí)，只要根據(jù)干擾或噪聲電平適當(dāng)調(diào)整滯回比較器兩個(gè)門(mén)限電平UT+和UT-的值，就可以避免比較器的輸出電壓在高、低電平之間反復(fù)跳變。滯回比較器的輸入電壓經(jīng)

12、電阻R1加在集成運(yùn)放的反響輸入端，參考電壓UREF經(jīng)電阻R2接在同向輸入端，此外從輸出端通過(guò)電阻RF引回同向輸入端。電阻R和背靠背穩(wěn)壓管VDZ的作用是限幅，將輸出電壓的幅度限制在±UZ。當(dāng)集成運(yùn)放反向輸入端和同向輸入端的電位相等，即U+=U_時(shí)，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。其中U_=UIU+則由參考電壓UREF及輸出電壓UO兩者共同決定，而UO有兩種可能的狀態(tài)：+UZ或-UZ。由此可見(jiàn)，使輸出電壓由+UZ跳變成-UZ所需的輸入電壓是值是不同的。也就是說(shuō)，這兩種比較器有兩個(gè)不同的門(mén)限電平，傳輸特性呈滯回形狀。利用疊加原理可求的門(mén)限電平 在矩形波發(fā)生電路中，如上圖一所示的電位器Rw和二極管D

13、1,D2的作用是將電容充電和放電的回路分開(kāi)，并調(diào)節(jié)充電和放電兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的比例。若將電位器的滑動(dòng)端向下滑動(dòng)，則充電時(shí)間常數(shù)減少，放點(diǎn)時(shí)間常數(shù)增大。因此輸出端為高電平的時(shí)間縮短，輸出端為低電平的時(shí)間變長(zhǎng)，Uc和Uo的波形如圖2所示，圖中T1<T2。相反，如果將電位器滑動(dòng)端向上移動(dòng)，則充電時(shí)間常數(shù)增大，放電時(shí)間常數(shù)減小，可得T1>T2。3.1.2 壓控矩形波發(fā)生器電路設(shè)計(jì)仿真 圖3.4 壓控矩形波發(fā)生器 在輸出端利用示波器觀察波形，電壓表測(cè)量輸出電壓，頻率計(jì)測(cè)量頻率。仿真分析電路如圖3.4所示。仿真分析結(jié)果如圖3.5所示。頻率計(jì)讀數(shù)為994.868Hz電壓表讀數(shù)為5.485V波形沒(méi)有明

14、顯的失真，基本滿足要求。存在誤差的原因主要是元件參數(shù)誤差，測(cè)量誤差以及忽略了二極管的導(dǎo)通電阻等等。 圖3.5 矩形波仿真波形結(jié)果分析四、設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及改進(jìn)在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我也遇到了很多問(wèn)題。比如在剛開(kāi)始仿真時(shí)，矩形波發(fā)生電路畫(huà)出來(lái)之后，仿真結(jié)果是輸出波形是一條直線，頻率計(jì)和電壓表均沒(méi)有示數(shù)。接下來(lái)，我就仔細(xì)地檢查了一遍又一遍，最后終于在參考資料和同學(xué)的幫助下終于成功地仿真了結(jié)果。第二步，對(duì)上述頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)顯示時(shí)，我們總是沒(méi)理解概念，選錯(cuò)了兩次的器件，最后還是在老師的指導(dǎo)慢慢解決的。這次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多有用的東西，我不僅是鞏固了先前學(xué)的模電的理論知識(shí)，而且也培養(yǎng)了我的動(dòng)手操作能力，讓

15、我學(xué)到了很多電腦上的應(yīng)用技巧，這是我以前很少接觸的。更為重要的是這次課程設(shè)計(jì)開(kāi)拓了我的視野，使我的創(chuàng)造性思維得到拓展。我感受到了知識(shí)的奧妙和學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。此外，這也將對(duì)我以后踏上工作崗位也有一定得幫助。所以我希望今后類似這樣的課程設(shè)計(jì)，類似這樣的鍛煉機(jī)會(huì)能更多些！五、總 結(jié) 本次課程設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的方案基本上能滿足要求。波形基本上沒(méi)有失真，測(cè)得的頻率和理論值很接近，輸出電壓也在規(guī)定的范圍內(nèi)。該電路由一個(gè)滯回比較器和一個(gè)RC充放電回路組成。集成運(yùn)放和電阻集成運(yùn)放和電阻R1和R2組成滯回比較器，電阻R和電容C構(gòu)成充放電回路，穩(wěn)壓管和電阻R3的作用是鉗位，將滯回比較器的電壓限制在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓±UZ。但該設(shè)計(jì)也有一定得問(wèn)題，在計(jì)算時(shí)由于沒(méi)有考慮二極管的導(dǎo)