压控振荡器(VCO)工作原理

3．15 压控振荡器

一. 实验目的

1. 了解压控振荡器的组成、工作原理。

2. 进一步掌握三角波、方波与压控振荡器之间的关系。

3. 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，通常由VCO(Voltage Controlled Oscillator)表示。是一种将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比例的电路。它被广泛地应用在自动控制，自动测量与检测等技术领域。

压控振荡器的控制电压可以有不同的输入方式。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、三角波发生器组成框图如下：

反相器 1模拟开关反相器 2方波、三角波发生器三角波方波3-15-1

1. 方波、三角波发生器

我们知道，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---电压比较器是一种产生方波的最简单的电路之一。而三角波可以通过方波信号积分得到。电路如图3.15.2所示：

C8R3A1RA2R2R1UzR’

83-15-2

设t=0,Uc=0,Uo1=+Uz,则Uo=-Uc=0,运放A1的同相端对地电压为：U+’=

URUzR1o2R1R2R1R2

此时，Uo1通过R向C恒流充电，Uc线性上升，Uo线性下降，则U+’下降，由于运放反相端接地，因此当U+’下降略小于0时，A1翻转，Uo1跳变为-Uz见土3.7.2中t=t1时的波形。根据式3.7.1可知，此时Uo略小于-R1×U2/R2。

在t=t1时，Uc=-Uo=R1×U2/R2,Uo1=-Uz.运放A1的同相端对地电压为：

U'UzR1UoR2R1R2R1R2

此时，电容C恒流放电，Uc线性下降，Uo线性上升,则U+’也上升。当U+’上升到略大于0时，A1翻转，Uo跳变为Uz，如此周而复始，就可在Uo端输出幅度为R1×U2/R2的三角波。同时在Uo1端得到幅度为Uz的方波。

T/2T/2t1t2+(R1/R2)Uz-(R1/R2)Uz图 3-15-3

在图3.15.3中，t1～t2期间，电容C上的电压变化量为

cUcicc( 放电时间T1=t2-t1为

2R1Uz)R2R2Rc1UR22R

t2～t3期间，电容C恒流充电，同理可得放电时间T2=t3-t2，与充电为Rc成正比T2=2

RcR1R2

T=T1+T2=

4RcR1R2 (3.7.2)

f=

R21T4RcR1

2．锯齿波

若上升时间与下降时间不同，一般下降时间远小于上升时间，如图3.15.4

DRC48R38RRR’R21图. 3-15-4就可得到如图所示的锯齿波

只要R4远小于R，

3．压控振荡器

1） 工作原理

UoUz-Uz(R1//R2)Uz(-R1//R2)Uz3.15.5

（

CR8R3Ui-UiR2UzR183-15-6 压控振荡器的原理图

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，ic=±Uz/R,因此改变Uz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，开关的另两个触点分别与±Ui之间的转接是受控于迟滞比较器的输出电压，当其输出电压为-Uz，则开关S接向+Ui。此时积分器输出的三角波，迟滞比较器输出方波的频率均受输入电压Ui 的控制。典型电路如图3.15.7

R8方波输出R8UiR78三角波输出D3Uo3UoCR1UoA38RR2A1R8R88A2R4Dz8A4R6D4RfUo4R5R4

3-15-7 由集成运算放大器组成压控方波-三角波产生电路

由图3.13.1可知，如果除去D3、D4左边的部分，则图中A1、A2构成的为一方波-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=-Ui/R,在t1～t2放电期间，电容上的电压变化量为 ，由此可得放电时间T1=t2-t1为：

T1cUcicc(2R1Uz)2RcR1UzR2UiRzUiR

4RcR1UzR2Ui因此电路的振荡周期为：

T2T1

相应的振荡频率为；

fR21UiT4RCR1Uz

由上式可知，Ui改变时，f随Ui的改变而成正比例地变化，但不影响三角波和方波的幅值。如果Ui为直流电压，则电路振荡频率的调节十分容易；当Ui的频率远小于f的正弦信号，则压控振荡器就成为调频振荡器，它能输出抗干扰能力很强的调频波。

图中A3,Au是两个互相串联的反相器，它们的输出电压相等，相位相反，即有Uo4=-Uo3=Ui图中D2、D4状态受A2输出控制，当A2输出高电位时，其值大于Uo4(ui),D3截止,D4导通，积分器A1对Uo4(ui)积分。反之，当A2输出为低电位时，其值小于Uo3(-ui), 则D3导通,D4截止，积分器A1对Uo3(-ui)积分。D3、D4在电路中起一个开关的作用。

R2UomR2

方波输出幅值为±Uz，三角波输出幅度

Uo1m

当改变控制电压Ui时，三角波将上升，下降的斜率随之变化，即振荡频率随之变化，从而实现电压控制振荡频率的目的。

由图可知：

R1Uo11UoR2RCT40UidtUiT4RC

即振荡频率

fR1Ui4R2RcUom

（2）。参数确定与元件选择

1）。确定积分时间常数R、C

由式(3.13.6)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，振荡频率f将随之减小。

在进行电路设计时，我们可以先设定一个C值，然后再选取R.

2)。确定正反馈回路电阻R1、R2

由式(3.13.4)和(3.13.6) 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，应同时兼顾二方面的因素；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Uom由式(3.13.4)式确定R1/R2的比值，然后再选定R1和R2 ,最后应将各参数的设定值代入(3.13.6),复算是否满足设计要求。

3）。 R6、R7、R8的确定

由于A3、A4为反相器，故R6=R7=R8/2.

三．设计任务

1． 设计一压控振荡器

可控电压范围0～10V，频率200Hz～10kHz.

方波Vom=±6V.

三角波Vom=±3V.

2． 提高题

若在上题基础上，需输出一正弦波，频率范围，输出电压大小与三角波相同。

四．实验步骤

1．根据设计电路，连接好元器件。

2．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． 自拟输入电压测试点，记录对应输出波形频率、幅度。

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． 绘出实验电压/频率特性曲线。

4． 总结实验过程中的失误与经验。

五．思考题

1． 若控制电压0～5V间变化，输出电压f=200Hz～10kHz电路如何调节？

2． 输出频率能否调得过低（如零伏）？

六．实验设备及元器件

仪器

双踪示波器 一台

直流稳压电源 一台

三用表 一只

元器件

通用运算放大器 2只

8V稳压管 2只

电阻、电容 若干