压控方波信号发生器

压控方波信号发生器 压控方波信号发生器 Voltage-Contorlled Oscillarors 学 院: 机械工程学院 专 业: 测控技术与仪器 班 级: 05级2班 姓 名: 雷松华 学 号: 20054600225 指导老师: 黄智伟 压控方波信号发生器 Voltage-Contorlled Oscillarors 摘要 压控方波信号发生器是一种方波信号频率由电压控制的信号发生器件。我们先通过对函数信 号发生器的原理以及构成 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 一个能变换出方波的简易发生器。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。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一 种最适合本课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。在达到课题要求的前提下保证经济、方便、优化的设计策略。本设计以 积分器和比较器为核心器件，制作一个压控方波信号发生器，制作简易，适合学生电子技术测量 使用。输出频率由电压控制，波形幅值由稳压管及电阻确定。同时，由于积分电路的存在使得信 号发生器的性能大大改善。所以只要选择合适的元件及参数能产生从频率范围10Hz,10000Hz， 输出幅度2Vp-p的低失真方波信号。 关键词 压控;信号发生器;方波;积分器; 比较器。 Abstract VCO is a square wave signal generator frequency square-wave signal from a voltage control signal devices. We first go through the function signal generator as well as the principle of the design of a composition can transform a simple square wave generator. And then the other side of a wave circuit voltage control circuit access will constitute a voltage-controlled square wave signal generator. We passed on the circuit analysis, the choice of parameters of this issue one of the most suitable option. Subject to the requirements under the premise of ensuring economic, convenience, the design optimization strategy. Integral to the design - and comparator at the core devices, producing a square wave voltage-controlled signal generator, producing simple, suitable for students to use electronic measurement technology. Voltage control by the output frequency, waveform amplitude by the regulator, and the determined resistance. At the same time, integral circuit signal generator makes the existence of the performance greatly improved. Therefore, as long as the choice of suitable components and parameters can be generated from a frequency range of 10 Hz to 10000Hz, the output rate of 2 Vp-p square wave signal of the low distortion key words :voltage control; signal generator; square; integrator; comparator. 1 目 录 摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 Abstract „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 目录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 一 概述 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 二 总体方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2.1 设计思路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2.2 方案提出与论证 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2.3 系统方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 2.3.1 电路组成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 2.3.2 工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 2.3.3 震荡频率„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 三 单元电路设计与分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 3.1 方波信号产生电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 3.2 电压控制部分电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 3.3 总体电路图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 四 参数计算与系统测试 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 4.1 确定电路元件参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 4.1.1 稳压管的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 4.1.2 电阻R14和R8的确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 4.1.3 积分元件R8和C值的确定 „„„„„„„„„„„„„„„10 4.1.4 运算放大器的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 4.2 系统的测试与调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 4.3 结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 五 心得体会„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 六 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 附录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 2 一 概述 在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。压控振荡器是电压—频率变换电路的一种，它的输出电压的频率可由外加电压来控制，输出的波形可以是正弦波、方波或三角波。压控振荡器(Voltage,Controlled Oscillator，简称VCO)，广泛应用于各种测试设备和控制系统，也是锁相技术中的关键。现在我们只需要研究其产生输出方波部分的电路。 二 总体方案 2.1 设计思路 提出方案 、选择方案、分析电路工作原理、设计分析单元电路、画出总体电路图、选择元器件并计算参数、对总体设计进行总结。 2.2 方案提出与论证 本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、及信号强度的控制。在设计的过程中，我们综合考虑了以下三种实现方案: 方案??晶体压控振荡器; 晶体压控振荡器的典型产品是由MC12061经外接晶体而构成的。它可以输出正弦波，工作频率为2.0,20MHz，其特点是频率稳定性好，但控制灵敏度低，线性度差。 方案??LC压控振荡器; LC压控振荡器也是一种正弦波振荡器，是由外接LC电路和可变电抗元件及集成电路组成。这种电路的的工作频率高，波形好，稳定性也好，适合作高频和超高频的压控振荡器，典型产品为MC1648，最高频率可达225MHz。 方案?:集成运放压控振荡器; 该电路由电压控制电路与信号发生电路组成，信号发生电路由积分器和比较器为核心，由于采用了积分电路，使信号发生器的性能大为改善。不仅能得到线性度比较理想的方波，而且振荡频率和幅值也便于调节。 3 由于前两种产品线性度都比较差，控制范围也不宽。且电路复杂，不适合学生的课程设计。且第二种频率太高不符合设计要求，经综合考虑，选择第三种方案。 2.3 系统方案设计 2.3.1 电路组成 压控振荡器 2.3.2 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。A为差动积分1电路，积分电压由电压Ui提供，积分方向由场效应管V来改变;A为滞回比较器，它的输2 出控制着场效应管的导通和截至。 设滞回比较器A的输出电压为负饱和电压,Uom，即: 2 R5,,UU2THom ，RR56 另一方面通过隔离二极管V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2 4 断区而截止, 此时, 积分电路可等效为图(a)。 (a) FET截止; (b) FET导通 积分电路的电流流向 由图可以看出, U=U/2, 根据“虚短”的概念,U=U=U/2， 再根据 “虚断”的概念, 电容器上+I-+I 的充电电流为: U1 U,1U21II,,,C1 2R4R 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Uo直线下降, 当Uo1降至 1 R5 ,Uom，RR56 时, 比较器A翻转为+Uom。 比较器A的输出电压+Uom, 一方面使比较器的同相端电压为上门限22 电压, 即 R5 ,,UU1THom，RR56 另一方面使隔离二极管V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2 效为图(b) 由图可知 UU11U,1UU2211 I,I,,,,122R4RR2R 5 根据基尔霍夫定律: ，,，，，, 那么 ,,, UUUIIIIII,,,,,,12C4R2R4R (1) I/(4)的电流大小放电,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URUC 直线下降, Uo直线上升, 当Uo升至 11 R5，Uom ，RR56 时, 比较器A翻转为-Uom, 场效应管又截止, 电容器开始充电, 周而复始。 2 2.3.3 振荡频率 通过以上的分析可知, 差动积分电路的输出电压Uo是三角波电压, 由于电容器上的充放电1 电流受到电压,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 duCiC,Cdt 得电容器上的充电速率为 duiCC,dtC 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，表示, 那么电容器上的充,电速率为 duICC,dtC 又由式(1)可知, 电容器也是以恒流放电, 其放电的速率仍为 : duICC, dtC 6 由图可看出: 积分器A的输出三角波电压的峰峰值为U,U-U, 三角波的斜率即为电容1P-PTH1TH2 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,为 : , U,U TH1TH2T,1IC 三角波的周期应等于,的,倍, 即 , U,U12THTH,2,2TTC 1IC (2) 将I=U/(4R)代入式(2)得 CI 8(U,U)TH1TH2T,RCII 1f,U 18(U,U)RCTH1TH2 (3) 由式(3)可知, 压控振荡器的振荡频率f与控制电压U成正比。该电路还可以产生矩形波，I 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。我们把占空比不等于50,的称为矩形波，占空比等于50,的称为方波。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。 三 单元电路设计与分析 3.1 方波信号产生电路 方波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形的非正弦信号发生电路。由于方波或矩形 波包含极丰富的谐波，因此，这种电路又称为多谐振荡电路。如下图。上半部为积分电路， 下半部为电压比较电路。在比较器的输出端引入限流电阻和背靠的双向稳压管。这样就构成 了双向限幅方波发生电路。方波由Vo2端口输出。 7 在接通电源的瞬间，输出电压究竟偏于正向饱和还 是负向饱和，纯属偶然。设输出电压偏于正饱和值，即 vo=+Vz时，加到电压比较器同相端的电压为+FVz，而 加于反相端的电压，由于电容器C上的电压vc不能突 变，只能由输出电压V通过电阻按指数规律向C充电来0 +建立，充电电流为i。显然，当加到反相端的电压Vc 略正于+FVz时，输出电压便立刻从饱和值(+Vz)迅速 翻转到负饱和值(-Vz)，-Vz又通过电阻对C进行反 -向充电，充电电流为i。直到Vc略低于-FVz值时，输出状态再翻转回来。如此循环，形成一席列方波输出。 V Vz FVz -FVz -Vz 方波产生电路工作原理图 上图中曲线为积分器(即上运放器及其电容)上电压的变化规律，实线为输出端电压变化规律，即:方波输出。Vz为方波输出的峰值，FVz为比较器的跳转电压。F为电路的正反馈系数: R2 F,R，R12 3.2 电压控制部分电路 8 此部分电路的目的在于把积分电压改变为V2，而不 R1是Vz，波形峰值仍为 与V无关，由于积分,Vz21R2 电压为V，V的变化改变了三角波型的上升和下降的斜22 率。改变了波形上升与下降的速度，因而改变了波形的 频率。从而实现了电压控制频率的目的。方波与三角波 的频率始终是相等的。 3.3 总体电路图 四 参数计算与系统测试 4.1 确定电路元件参数 4.1.1 稳压管的选择 稳压管的作用是限制和确定方波的幅值。此外，方波的幅值的对称性也与稳压管有关。因此，为了保证输出方波的对称性和稳定性，通常选用高精度双稳压二极管。R13是稳压管的 9 限流电阻，其值的大小由选用的稳压管的参数决定。 4.1.2 电阻R和R的确定 148 电阻R和R在电路中的作用是提供一个随输出电压变化的基准电压，决定方波电压的幅148 值。因此，R和R的值应根据方波的幅值来确定。假如已知Uz,4V，方波的幅值为Up-p,2V，148 则 1 R,R1482 取R,10k，则R,20k，如果要求方波的幅值可调，则选用电位器。 148 4.1.3 积分元件R和C值的确定 6 R和C值可根据方波的振荡频率f来确定。当R和R确定后，可选定C值，在根据C值1486 来确定R6的值。为了减小积分漂移，尽量将C值取达一些，但C值越大漏电也越大，因此，一般积分电容不要超过1uF。 4.1.4 运算放大器的选择 在方波,三角波发生器中，用于电压比较器的集成运算放大器，其转换速率应满足方波频率的要求，在方波频率较高时，要采用高速集成运算放大器。在本设计中频率为低频，不需要高速运放器。具体选择办法请查阅相关手册，在此不做详细论述。 4.2 系统测试与调试 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 均达到设计要求。为此，我们可分两步进行。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、R和R23 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 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 为调节信号 产生部分积分环节的时间常数，即R和C的值。使占空比为50,。通过对输出波形示波器61 的动态跟踪显示，占空比的调节使很容易地。 10 4.3 结论 通过本篇论文的设计，使我们对压控方波信号发生器的工作原理有了比较深入的理解， 掌握了利用集成运放构成压控方波信号发生器概念、工作波形等内部构造及其工作原理。利 用集成运放制作出来的压控方波信号发生器具有线路简单，调试方便，功能完备。可输出方 波、三角波，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度适中。系统输出频率范围较宽且经济实 用。 五 心得体会 通过一周的电路设计，电路原理的学习，使我更深层次地了解很多器件及其工作原理，参数等。知道了函数信号发生器电路，压控方波信号发生器的电路组成及其工作过程。同时培养了用现有的知识并通过查找资料来自己独立解决问题的方法与能力。同时在查找资料过程中也意识到了图书馆和互联网有着大量很有价值的资源可供我们利用。 在设计过程中我们认识到书本知识的不足，在实际中解决问题时，还有很多实际的情况是我们在课本中没有加以考虑的，让我真正认识到“纸上得来终觉浅，绝知此事须躬行”。让我认识到经验，灵会贯通，实际问题实际考虑是必不可少的。 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。 通过此次实践，我也发现了不少问题与不足，让我感到了强烈地紧迫感。作为大三学生，我们目前对于专业知识理论的掌握程度是还远远不够的，其次，我们的动手能力也是急待加强地，因为动手能力的才真正代表着一个人解决问题的能力。我想这一点是最重要的，也是开设此次设计的目的。我希望学校能给我们尽量多的机会。 11 六 参考文献 【1】 康华光《电子技术基础 模拟部分(第五版)》[M]北京:高等教育出版社。2006年12月 【2】 孙梅生《电子技术基础 课程设计》[M]北京:高等教育出版社。1998年8月 【3】 杨帮文 《新型集成器件实用电路》[M]北京:电子工业出版社。2002年8月 【4】 王文辉 刘淑英《电路与电子学》[M]北京:电子工业出版社。2001年1月 289页, 291页 【5】 郝国法 梁伯华 邱燕《电子技术基础试验》[M]北京:冶金工业出版社。1999年10月 104 页 【6】 黄智伟 电子课程设计指导[J].2007 【7】 第二届全国大学生电子设计竞赛组委会。全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编。[J]北 京:北京理工大学出版社，1997. 附 录 一元器件清单 1 集成功放器4个 2 电容器一个 3 稳压管两只 4 高精度对顶稳压管一个 5 固定金属电阻14个: R1,10k R2,10k R3,10k R4,1k R5,4.7k R6,4.7k R8,20k R9,10k R10,10k R11,10k R13,2k R14,10k R15,10k 6 电位器一个 R12,4.7k 12