压控振荡电路的设计.docx
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压控振荡电路的设计
压控振荡电路的设计
黄辰晨，电子信息工程
摘要：
压控震荡器是一种信号频率由电压控制的信号产生器件。
但需先通过对函数信号发生器的原理以及构成分析并设计一个能产生出方波的简易信号发生器，然后再对方波发生电路接入一个电压控制电路便构成了压控方波信号发生器，在设计过程中，此部分电路仿真均基于Mulstisim仿真软件。
显示被测信号频率的数字测量仪器，它的基本功能是将产生的信号频率测量出来并显示，数字频率显示器主要由四个部分构成：
时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路，在设计过程中，此部分电路仿真均基于Protues仿真软件。
关键词：
压控振荡器；软件仿真；频率显示器；555定时器
DesignofVoltagecontrolledoscillator
Huangchenchen，DepartmentofElectronicEngineering
Abstract:
Voltagecontrolledoscillatorisakindofsignalfrequencybythesignalcontrolvoltagegeneratingdevice.Buttheprincipleofthefunctionsignalgeneratorandthestructureanalysisanddesignasimplesignalgeneratorcanproducesquarewave,andthentheotherwavegeneratingcircuitintoavoltagecontrolcircuitiscomposedofthepressurewavesignalgenerator,inthedesignprocess,thispartofthecircuitsimulationbasedonMulstisimsoftware.Displaydigitalmeasuringinstrumentsmeasuredsignalfrequency,itsbasicfunctionistothegeneratedsignalfrequencymeasurementanddisplay,digitalfrequencydisplaymainlyconsistsoffourparts:
base（T）circuit,inputcircuit,acountingdisplaycircuitandcontrolcircuit,inthedesignprocess,thispartofthecircuitsimulationbasedonProfessionalsimulationsoftware.
Keywords:
voltagecontrolledoscillator；simulation；frequencydisplay；555timer
1引言
1.1Multisim和Protues软件仿真软件
Multisim和Professional软件是皆一款较为先进的电路仿真分析软件，适合于各种模拟/数字电路板的设计应用。
Multisim提供了全面集成化的设计环境，完成从原理图设计输入、电路仿真分析到电路功能测试等工作。
Multisim作为一款优秀的行业专用软件，具有创建电路形象而且直观，全部工作通过电脑屏幕的仿真实验室台完成，所有需要的器件、测试设备都能从屏幕上选取；软件仪器外形与操作方式跟实物吻合，而且实验仿真是实时的。
Protues软件实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等；提供软件调试功能。
在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；具有强大的原理图绘制功能。
总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能强大。
故综合性考虑将压控振荡部分用Multisim进行仿真而频率显示部分用Protues进行仿真。
1.2压控振荡器软件仿真分析的意义
伴随着科技的快速发展在电子设备中，压控振荡器的应用极为广泛，如彩色电视接收机高频头中的本机振荡电路、各种自动频率控制（AFC）系统中的振荡电路、锁相环路（PLL）中所用的振荡电路等均为压控振荡器。
振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。
因为教学的需要再加上教育改革的深入，实现教育技术现代化、教学手段现代化，尤其是在电工电子实验教学方面，传统的实验教学方式由于受实验室条件的限制，在给学生开展一些扩展型、设计型及综合实验时将会遇到一些困难，且如果先让学生进行软件的仿真还能够激发学生学习的主动性和积极性。
Multisim和Protues是一种通用的电子电路的分析模拟软件，且各有优点，它们两者的结合可以更好的完善的电路模拟、仿真、设计分析等功能。
是电子系统分析和设计中不可缺少的工具。
通过建立精确的电路模型，计算机可以仿真出接近实际电路的结果。
2压控振荡器的设计电路图
图2.1压控振荡器
2.1工作原理
压控振荡器的原理电路如上图所示，该电路的输入控制电压位直流电压。
J1为差动积分电路，积分电压由电压V1提供，J为滞回比较器，它的输出控制着场效应管的导通和截至。
设滞回比较器J的输出电压为负饱和电压－Uom，即：
另一方面通过隔离二极管D1将比较大的负电压加在了场效应管的栅极,使场效应管进入夹断区而截止,此时,积分电路为图2.2。
图2.2FET截止图2.3FET导通积分电路的电流流向
由图可以看出,U+=UI/2,根据“虚短”的概念,U-=U+=UI/2，再根据“虚断”的概念,电容器上的充电电流为：
由于输入电压UI为直流电压,因此电容器C为恒流充电,电容器C上的电压直线上升,而A1的输出电压Uo1直线下降,当Uo1降至
时,比较器A2翻转为+Uom。
比较器A2的输出电压+Uom,一方面使比较器的同相端电压为上门限电压,即
另一方面使隔离二极管D1截止,此时,场效应管因栅源电压为零而饱和导通,其积分电路可等效为图（2.3）
由图可知
根据基尔霍夫定律:
Ｉ１＝ＩＣ＋Ｉ２,那么：
（1）
式
（1）中的负号说明实际电容器上的电流与标定方向相反。
电容以UI/（4R）的电流大小放电,UC直线下降,Uo1直线上升,当Uo1升至
时,比较器J翻转为-Uom,场效应管又截止,电容器开始充电,周而复始。
2.2振荡频率
通过以上的分析可知,差动积分电路的输出电压Uo1是三角波电压,由于电容器上的充放电电流受到电压ＵＩ的控制,所以三角波的振荡频率也受外加电压的控制。
由电容器的充电电流表达式：
得电容器上的充电速率为：
在原理图的压控振荡器电路中,电容器为恒流充电,充电电流用ＩＣ表示,那么电容器上的充电速率为：
又由式
（1）可知,电容器也是以恒流放电,其放电的速率仍为：
由图可看出:
积分器A1的输出三角波电压的峰峰值为UP-P＝UTH1-UTH2,三角波的斜率即为电容器的充（放）电的速率,由此可以计算出积分器的输出电压三角波的上升时间Ｔ１为：
三角波的周期应等于Ｔ１的２倍,即：
（2）
将IC=UI/（4R）代入式
（2）得：
（3）
由式（3）可知,压控振荡器的振荡频率f与控制电压UI成正比。
该电路还可以产生矩形波，矩形波的频率和周期与三角波相等。
通常将矩形波为高电平的持续时间与振荡周期的比称为占空比。
我们要得到方波只需适当改变电容C的正反向充电时间常数即可。
2.3压控振荡电路的仿真图
当R2阻值为20KΩ时其震荡波形图如下：
在输出端利用示波器观察波形，电压表测量输出电压，频率计测量频率。
仿真分析结果如图2.4所示。
频率读数约为135.39Hz电压表读数约为5.485V波形没有明显的失真，基本满足要求。
图2.4
当R2阻值为40KΩ时其震荡波形图如下：
仿真分析结果和分析图分别为如图2.6与图2.7所示。
频率读数约为62.857Hz电压表读数约为5.485V波形没有明显的失真。
图2.5
误差分析：
原因主要是元件参数误差，测量误差以及忽略了二极管的导通电阻等等。
通过对电路的设计和仿真在压控震荡电路部分进行理论计算和实际仿真分析时此设计方案满足课题的要求。
3频率显示器
3.1频率显示器电路图如下
图3.1
3.2频率计的基本原理
通过将被测周期信号整形为同频率的方波信号后，利用555定时器组成的振荡电路所产生的频率为1Hz的标准方波，作为基准时钟，与被整形后的方波信号一起经过闸门电路处理输入计数电路，再利用74LS90N的十进制计数功能进行级联计数，计数后输入8位数据/地址锁存器74LS273N以实现锁存和清零功能，最后输入到译码显示电路中，用BCD7段译码器显示出来，这样就实现了对被测周期信号的频率测量并显示的功能。
3.3频率计的工作原理流程图
如图3.2所示：
图3.2
图3.2
4单元电路设计及参数计算
4.1时基电路
用于获得稳定的时间基准信号，以此来控制主控门的开启时间，电路见图4.1
图4.1时基电路
本设计中采取用555定时器组成的多谐振荡器如图3.1所示。
接通电源后，电容被充电，当
上升到
时，使
为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过
和T放电，
下降。
当
下降到
时，
翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为
当放电结束时，T截止，
将通过
、
向电容C充电，
由
上升到
所需的时间为
当
上升到
时，电路又翻转为低电平。
如此周而复始，于是在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。
其振荡频率为
4.2逻辑控制电路
控制电路需要控制几个模块。
包括计数电路，锁存电路，和译码显示电路。
通过产生控制信号控制所要控制的模块，同时会产生清零信号和锁存信号，使显示器显示的测量结果稳定.辑控制电路的作用主要是控制主控门的开启和关闭，同时也控制整机逻辑关系。
本次设计采用74LS123N组成逻辑控制电路，先启动脉冲置成1，其余触发器置成0，此时时基电路传入脉冲，控制电路开始工作。
被测信号通过闸门进入计数电路，于是计数器译码器开始计数，记下所测信号频率值。
当控制电路转为其他状态时，闸门关闭，计数器停止工作，数码管继续显示所测频率值。
直到有一次循环，计数器清零，数码管显示消失，到此为止，频率计完成一次测量。
脉冲信号可由两个单稳态触发器74LS123N产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。
逻辑控制电路如图4.2所示：
图4.2逻辑控制电路
4.3计数器
为了提高计数速度，可采用同步计数器。
采用4个74LS90D二-五-十进制计数器，该芯片无需额外的元器件就可实现十进制计数，所以首选。
计数器依次从个位开始计数，向上为发出进位信号而是高位开始计数。
其特点是计数脉冲作为时钟信号同时接于各位触发器的时钟脉冲输入端，在每次时钟脉冲沿到来之前，根据当前计数器状态，利用逻辑控制电路，准备好适当的条件。
当计数脉冲沿到来时，所有应翻转的触发器同时翻转，同时也使用所有应保持原状的触发器不该变状态。
被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。
时基信号由石英晶体多谐振荡器电路产生，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。
被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的.由于频率计的测量范围1～9999Hz，因此采用十进制计数器74LS90D，它不仅可用于对脉冲进行计数，还可用于分频；此电路则需分频，N位进制计数器就是N分频器。
被测信号由闸门开通送入计数器，记录所测信号频率值传入译码显示电路中，显示器显示测得频率值；待闸门关闭，计数器停止工作；电路则继续工作进行下次循环，计数器清零，显示器数值消失，频率计完成一次测量。
数字频率计测周期基本原理如图4.4所示
图4.3数字频率计测周期基本原理图
当被测信号的频率较低时，采用直接测频方法由量程误差一起的测量误差太大，为了提高测低频时的准确度，应先测周期
，然后计算
。
被测信号经过放大整形电路变成方波，加到门控电路产生闸门信号，如
，则闸门打开的时间也为10ms，在此期间内，周期为
的标准脉冲通过闸门进入计数器计数。
若
。
则计数器记得的脉冲数
=10000个。
若以毫秒为单位，则显示器上的读数为10.000。
以上分析可见，频率计测周期的基本原理正好与测频相反，即被测信号用来控制闸门电路的开通与关闭，标准时基信号作为计数脉冲。
4.4锁存器
锁存器是构成各种时序电路的存储单元电路，其具有0和1两种稳定状态，一旦状态被确定，就能自行保持，锁存器是一种脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。
在确定的时间内（1s）,计数器的计数结果必须经锁定后才能获得稳定的显示值.锁存器的作用通过触发脉冲控制.将测得的数据寄存起来,送显示译码器.锁存器可以采用8位并行输入寄存器.为使数据稳定,采用边沿触发方式的器件.
在确定的时间内计数器的技术结果必须经锁定后才能获得稳定的显示值。
锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测量的数据寄存起来，送入译码显示器。
锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器。
此电路采用74LS273N锁存器，其作用是将计数器在1s结束时锁记得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。
当1s计数结束时，通过逻辑电路产生信号送入锁存器，将此时计数的值送入译码显示器。
选用两个8位锁存器74LS273N可以完成上计数功能。
当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输入等于输入，即Q=D，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态的Q不变。
所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。
4.5译码电路
在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。
在计数的时候数码管不显示数字。
当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。
采用七段共阳数码管显示,译码显示器的作用是把计数器产生的十进制数转化成能驱动数码管正常显示的段信号,从而获得数字显示如图4.4
图4.4数码管显示及其控制电路
5仿真
所有单元电路调制所需值,本此设计采用Professional仿真运行.测信号经由三极管组成的放大器放大后，送到由555构成的施密特触发器的输入端进行整形，使之成为计数器所要求的脉冲信号。
由于放大电路的电源值为5V,所以输入信号比较大时，会出现线性失真，放大后的信号不会太大，超过5V。
当时基脉冲处于高电平时，闸门电路打开，计数器对输入的脉冲进行计数。
当输入信号频率为1000HZ时所测得信号频率值如下图5.1显示1001在误差范围之内,本次设计成功。
图5.1仿真结果
6元器件清单及简介
表5-1
原件名称
原件标注
参数型号
集成运放
JJ1
741
电阻电容
RC
型号较多
电源
VEEVCC
-15V15V
稳压管
D3
5V
滑变电阻
Rw
50K
示波器
XSC1
频率计数器
XFC1
稳压管二极管
D1D2
02DZ4.71N4148
定时器
555
集成块各型号
74LS48
74LS00
74LS04
74LS123
74LS273
74LS90
6.1、部分元器件介绍
图6.1multisim中三端集成运算放大器元器件
运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。
在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。
运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。
图6.2Professional中七段数码器驱动器
74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路中和单片机系统的显示电路中。
图6.3Professional中数据锁存器
74LS273是一种带有清除功能的8D触发器，1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端正脉冲触发，低电平清除，常用作数据锁存器或地址锁存器。
D0～D7：
输入Q0～Q7：
输出
第一脚WR：
主清除端，低电平触发，即当低电平时，芯片被清除，输出全为0；CLK:
触发端，上升沿触发，即当CLK从低电平变为高电平时，D0～D7的数据通过芯片，为低电平时将数据锁存，D0～D7的数据不变。
图6.4Professional中单稳态触发器
采用双列直插16脚封装，双重可反向触发的单稳态电路，工作电压4.75～5.25V。
有三种方法控制脉冲宽度，最基本的是选取RC的值来控制，在IC内部已经有一个定值电阻，故只允许外接定时电容使用。
功能特点：
清零终止输出脉冲；为VCC和温度变化补偿；直流触发是高电平或电平逻辑输入。
7系统调试和测试
本系统的测试仪器为示波器。
调试的目的在于使电路的输出波形的电压幅值和振荡频率达到设计要求。
如果振荡频率不符合要求，可相应的改变积分电路参数；（注意：
调节电压改变频率是在频率满足要求的情况下在范围内调节从而获得所需频率。
）如果波形幅值未达到设计要求，则可相应改变分压系数，调整电阻Rw、R2和R3的比值，使之达到设计要求。
而这种调试常常需要互相兼顾，反复调整。
当频率与幅值调节好后，最后可能还常常需要调节占空比。
调节占空比的方法为调节信号产生部分积分环节的时间常数，即R6和C1的值。
频率显示器的调试通过Professional进行仿真，在进行调试时对555定时器的定时电阻和电容需要进行计算使其震荡频率为1HZ。
8设计小结
设计任务完成情况：
通过将近一个月的努力和老师正确的指导下，所设计的压控振荡器已经基本上符合老师的要求——能够产生震荡的波形，且可以通过控制电路中阻值的大小来控制震荡频率并伴有频率显示部分的电路。
问题及改进：
在仿真的过程中，连接好电路以后，发现没反应，然后通过示波器一个一个检测元件的输入和输出信号，看看是不是和理论的一样。
找出不符合理论的那部分，对照电路图进行检查修改，最后发现并联电阻取值过大导致数码管无法显示元件的功能没有实现。
所以在连接电路的时候要细心，这也是要改进的地方。
心得体会：
在此次设计过程中，我意识到，只有彻底理解电路，明白各部分的原理及其功能，才能发现问题，解决问题。
这次设计实验花费了我比较多的时间和精力，也带给我许多收获。
通过实验一方面增强了我的动手能力，另一方面也使我理论联系实际，让我感觉到学有所用，增加了对电子电路学习的兴趣。
同时对电子设计的过程有了一定的了解。
参考文献：
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科学技术出版社,2004.10
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