光泵磁力仪中压控振荡器的设计与实现
光泵磁力仪中压控振荡器的设计与实现
第32卷 第2期2011年2月仪器仪表学报C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i f i c I n s t r u m e n tV o l .32N o .2F e b .2011 收稿日期:2010-07 R e c e i v e d D a t e :2010-07 ＊基金项目:国家“863”计划“十一五”重大项目子课题(2006A A 06A 201)资助项目光泵磁力仪中压控振荡器的设计与实现＊张振宇1,2,程德福1,2,王 君1,周志坚1,2(1 吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室 长春 130026;2 吉林大学-美国德州仪器D S P 联合实验室 长春 130026)摘 要:压控振荡器是光泵磁力仪的核心器件。
为使光泵磁力仪能够对整个地磁场范围进行有效测量,需要一种输出频率范围宽。
波段覆盖系数大,并具有较高瞬时稳定度的压控振荡器。
采用多个变容二极管并联的方法,设计了基于西勒振荡电路形式,具有放大功能的压控振荡器。
实验结果表明,该压控振荡器的输出频率范围大于8～20M H z ,波段覆盖系数达到2.5,输出波形幅度在整个频率范围内均达到3V 以上,信号输出稳定,完全满足光泵磁力仪对地磁测量的要求。
关键词:压控振荡器;光泵磁力仪;变容二极管;波段覆盖系数中图分类号:T H 867+.7 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:460.4045D e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o n o f t h e v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r i no p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e rZ h a n g Z h e n y u 1,2,C h e n g D e f u 1,2,W a n g J u n 1,Z h o u Z h i j i a n1,2(1K e y L a b o r a t o r y f o r G e o p h y s i c a l I n s t r u m e n t a t i o n o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ,J i l i nU n i v e r s i t y ,C h a n g c h u n 130026,C h i n a ;2T e x a s I n s t r u m e n t -J i l i n U n i v e r s i t y J o i n t D S P s L a b o r a t o r y ,C h a n g c h u n 130026,C h i n a )A b s t r a c t :V C Oi s t h e c o r e d e v i c e i n o p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e r .T o e n s u r e t h a t o p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e r c a n m e a s u r e t h e e n t i r e r a n g e o f t h e g e o m a g n e t i c f i e l d e f f e c t i v e l y ,a V C Oi s n e e d e d ,w h i c h s h o u l d h a v e a w i d e o u t p u tf r e q u e n c y r a ng e ,w i d e b a n d c o v e r a g e c o e f f i c i e n t a n dhi g h t r a n s i e n t o u t p u t s t a b i l i t y .I n t h i s p a p e r a V C Ob a s e do n t h e c i r c u i t f o r mo f S e i l e r o s c i l l a t o r i s d e s i g n e d ,w h i c h a d o p t s m u l t i p l e p a r a l l e l v a r a c t o r s a n da l s o h a s a m p l i f i c a t i o n f u n c t i o n .E x p e r i m e n t r e s u l t s s h o wt h a t t h e o u t p u t f r e q u e n c y r a n g e o f t h i s V C Oi s g r e a t e r t h a n 8M H z t o 20M H z ,t h e b a n d c o v e r a g e c o e f f i c i e n t i s 2.5a n d t h e a m p l i t u d e o f t h e o u t p u t w a v e f o r mw i t h i n t h e e n t i r e f r e q u e n c y r a n g e i s l a r g e r t h a n 3V .T h e o u t p u t s i g n a l o f t h e V C Oi s s t a b l e a n d f u l l y m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s o f o p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e r i n g e o m a g n e t i c m e a s u r e m e n t .K e y w o r d s :V C O ;o p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e r ;v a r a c t o r ;b a n d c o v e r a g e c o e f f i c i e n t1 引 言磁场测量技术是研究与磁场有关物理现象的重要手段,在科学研究、矿藏勘探、国防建设、工业生产、日常生活等领域起着至关重要的作用[1-5]。
压控振荡器的设计与仿真
目录1 引言 (2)2 振荡器的原理 (5)2.1 振荡器的功能、分类与参数 (5)2.2 起振条件 (9)2.3 压控振荡器的数学模型 (10)3 利用ADS仿真与分析 (11)3.1 偏置电路的的设计 (12)3.2 可变电容VC特性曲线测试 (13)3.3 压控振荡器的设计 (15)3.4 压控振荡器相位噪声分析 (18)3.5 VCO振荡频率线性度分析 (23)4 结论 (24)致谢 (25)参考文献 (25)压控振荡器的设计与仿真Advanced Design System客户端软件设计电子信息工程（非师范类）专业指导教师摘要：ADS可以进行时域电路仿真，频域电路仿真以及数字信号处理仿真设计，并可对设计结果进行成品率分析与优化，大大提高了复杂电路的设计效率。
本论文运用ADS仿真软件对压控振荡器进行仿真设计，设计出满足设计目标的系统，具有良好的输出功率，相位噪声性能及震荡频谱线性度。
本论文从器件选型开始，通过ADS软件仿真完成了有源器件选型，带通滤波器选型，振荡器拓扑结构确定，可变电容VC特性曲线，瞬态仿真及谐波平衡仿真。
实现了准确可行的射频压控振荡器的计算机辅助设计。
关键字：压控振荡器，谐波平衡仿真，ADS1 引言振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。
在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。
随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压:在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热;某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制;电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。
尤其在通信系统电路中，压控振荡器(VCO)是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。
【2019年整理】实验一-压控振荡器VCO的设计-(2)
（四）ADS软件的使用
本节内容是介绍使用ADS软件设计VCO的 方法：包括原理图绘制，电路参数的调 整优化、仿真等。
下面开始按顺序详细介绍ADS软件的使 用方法。
ADS软件的启动
启动ADS进入如下界面
创建新的工程文件
点击File->New Project设置工程文件名称（本 例中为Oscillator）及存储路径
VCO的设计（续）
设计指标：设计一个压控振荡器，振荡 频率在1.8GHz左右。
第一步根据振荡频率确定选用的三极管， 因为是压控振荡器，所以还需要一个变 容二极管；第二步需要用到ADS的直流 仿真；第三步通过S参数仿真确定变容二 极管的VC曲线；第四步用HB模块来进行 谐波仿真，计算相位噪音。
管子的选取
在optim/stat/Yield/DOE类里面选择GOAL，这里需 要两个，还有一个OPTIM。
在Simulation－DC里面选择一个DC。
上面的器件和仿真器都按照下图放好，并连好线。
按NAME钮出现对话框后，可以输入你需要的 名字并在你需要的电路图上面点一下，就会自 动给电路节点定义名字，如下图中的“Vcb”， “Veb”节点。
瞬时波形，按
，并“new”一个新的
“Marker”，在“Vout”的瞬时波形图中，点击一下， 然后移动鼠标，把“marker”移动到需要的地方，就 可以看到该点的具体数值。
结果如下图所示：
按Eqn编辑公式：
这表示要对“Vout”在“Marker”m3，m4之间进行一 个频率变换，这样出来的“Spectrum”就是m3和m4之 间的频谱。
振荡器采用的初始电路
振荡器采用的初始电路如下图所示，图中的三极 管、二极管以及电阻电容等器件在ADS的器件库 中均可以找到。
压控振荡器毕业设计
中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题目：压控振荡器设计学习中心：重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心年级专业：0409级电气工程及自动化学生姓名：王海龙学号：0451480351 指导教师：韩亚军职称：讲师导师单位：重庆信息工程专修学院中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间：年月日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员王海龙1．设计(论文)题目：压控震荡器的设计2．学生完成设计(论文)期限：年月日至年月日3．设计(论文)课题要求：（1）在开放的ISM和短距离装置(SRD)频段上工作的发射器和接收器都需要高性能的压控振荡器(VCO)。
（2）将MOS晶体管的漏，源和衬底短接便可成为一个简单的MOS电容，其电容值随栅极与衬底之间的电压VBG变化而变化。
（3）压控振荡器(VCO)的频率随着作用在其调谐端口的电压而改变，在锁相环内(PLL)，VCO为超外差接收机内部的频率转换提供稳定的本振(LO)信号。
4．实验（上机、调研）部分要求内容：（1）根据任务书的设计要求，收集、检索相关资料。
（2）整理资料、撰写开题报告，提交指导老师进行修改。
开始撰写论文的初稿，做相关实验并获取相关数据。
（3）与指导老师再次进行对所撰写的论文进行讨论，并做修订，再次核对实验数据，进行论文格式的规范，交稿、打印、装订。
5．文献查阅要求：[1] 王志功.光纤通信集成电路设计［M］. 高等教育出版社，2003[2] 稻叶保.振荡电路的设计与应用. 西安：西安交通大学出版社，2004年9月[3] 拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M] .西安：西安交通大学出版社，2003年9月6．发出日期：年月日7．学员完成日期：年月日指导教师签名：学生签名：摘要当控制电压由0.75V变到2V时，振荡频率变为4.77GHz，相位噪声变为 -135dB/Hz，降低了7dB。
这是由两个方面的原因引起的，首先是由于LC振荡回路总的电容减小，振荡频率增加，这就减小了要维持振荡所需的负跨导，但因为两个NMOS晶体管提供的负跨导几乎不变，所以就使得稳定振荡幅度增加，相位噪声减小。
压控振荡器原理
压控振荡器工作原理及应用指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路,常以符号(VCO)(Voltage Controlled Oscillator)。
其特性用输出角频率ω0与输入控制电压uc之间的关系曲线(图1)来表示。
图1中,uc为零时的角频率ω0,0称为自由振荡角频率；曲线在ω0,0处的斜率K0称为控制灵敏度。
使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。
在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。
人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。
在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。
图1 压控震荡器的控制特性在电子设备中，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。
变容二极管压控振荡器的基本工作原理在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件后，即可对振荡频率实行控制。
受控电抗元件常用变容二极管取代。
图2变容二极管的电容量Cj取决于外加控制电压的大小，控制电压的变化会使变容管的Cj变化，Cj的变化会导致振荡频率的改变。
对于图中，若C1、C2值较大，C4又是隔直电容，容量很大，则振荡回路中与L相并联的总电容为：变容管是利用半导体PN结的结电容受控于外加反向电压的特性而制成的一种晶体二极管，它属于电压控制的可变电抗器件，其压控特性的典型曲线如图所示。
图中，反向偏压从3V增大到30V时，结电容Cj从18pF减小到3pF，电容变化比约为6倍。
对于不同的Cj，所对应的振荡频率为(VR为最小)(VR为最大)通常将fmax和fmin的比值称为频率覆盖系数，以符号Kf表示，上述振荡回路的频率覆盖系数为VCO的实际应用电路某彩色电视接收机VHF调谐器中第6-12频段的本振电路如图所示电路中，控制电压VC为0.5-30V，改变这个电压，就使变容管的结电容发生变化，从而获得频率的变化。
压控振荡器及FSK调制报告设计
压控振荡器及FSK调制一.方案设计与论证：1.可行方案：(1). 电压控制振荡器方案（VCO）:1. 考毕兹振荡器2. 克拉波振荡器3. 西勒振荡器(2).产生600HZ方波的方案：1.555时基电路2.运放LM324产生：3.单片机产生。
2.方案比较：(1). 电压控制振荡器方案（VCO）但选择：考毕兹振荡器优点：当Gie较小时，Gie的分流作用可以忽略。
Gie（min）=Goe/F,当C2降低F升高Gm（min）下降，利于起振。
缺点：当Gie较大时，Gie的分流作用不能忽略，Gm（min）=FGie，C2降低F升高Gm（min）升高，难于起振。
反馈系数的大小还会影响振荡波形的好坏，反馈系数较大会产生较大的波形失真。
克拉波振荡器优点：可以增大C1，减少C2时，可以引起震荡幅度下降，（不必减小电感L）以减少晶体管电容对频率的影响，提高震荡稳定度。
改变C3可改变振荡频率而不影响反馈系数，改变C1，C2可调节反馈系数而不会影响振荡频率。
缺点：增大C1和减少C2时引起震荡幅度下降，难于起振。
西勒振荡器优点：可以补偿由于频率增加引起Gm下降，使震荡幅度变化不大。
波段覆盖较宽，且在波段内幅度较均匀，工作频率可达百兆赫。
（2）。
600HZ方波发生器的选择：1.５５５时基电路之所以得到这样的广泛应用，在于它具有如下几个特点：1.1、５５５在电路结构上是由模拟电路数字电路组合而成，它将模拟功能与逻辑功能兼容为一体，能够产生精确的时间延迟和振荡。
它拓宽了模拟集成电路的应用范围。
1.２、该电路采用单电源。
双极型５５５的电压范围为1.5V~15V；而CMOS型的电源适应范围更宽，为2V~18V。
这样，它就可以和模拟运算放大器和TTL或CMOS数字电路共用一个电源。
1.３、５５５可独立构成一个定时电路，且定时精度高。
1.４、５５５的最大输出电流达200mA，带负载能力强，可直接驱动小电机、喇叭、继电器等负载。
而运放等电路没有555时基的简单，成本也要贵一点，这里不作介绍。
《压控振荡器设计》课件
设计软件与工具
制版软件
用于绘制电路板图，如 AutoCAD、Eagle等。
仿真软件
用于方案设计和电路仿真 ，如Multisim、SPICE等 。
调试工具
用于测试和调试电路，如 示波器、信号发生器等。
文档编写软件
用于整理技术文档，如 Microsoft Office系列软 件等。
03
压控振荡器的性能分析
性关系。
相位噪声测试结果
在100MHz偏移处，相位噪声为90dBc/Hz，表现出良好的性能。
温度稳定性测试结果
在-55℃至85℃的温度范围内，压控 振荡器的频率变化小于±2MHz，表 现出良好的温度稳定性。
06
压控振荡器的应用案例
应用场景一：无线通信系统
总结词
无线通信系统是压控振荡器最广泛的应用领域之一，用于产生和调节信号频率 。
详细描述
在无线通信系统中，压控振荡器作为关键元件，用于生成和调节信号频率。它 可以根据外部电压或控制信号的变化来改变输出信号的频率，从而实现信号的 调制和解调。
应用场景二：雷达系统
总结词
雷达系统利用压控振荡器产生高频电磁波，用于目标探测和 定位。
详细描述
雷达系统通过发射和接收高频电磁波来探测目标并确定其位 置。压控振荡器在雷达系统中作为发射信号的源，其输出信 号的频率和相位可以通过外部控制信号进行调节，以满足不 同探测需求。
优化策略
减小元件误差
选用高精度元件，减小误差对振荡器性能 的影响。
优化电路布局
合理布置元件位置，减小分布参数对振荡 器性能的影响。
调整元件参数
根据测试结果，对元件参数进行适当调整 ，优化振荡器性能。
采用负反馈技术
压控振荡器的设计与仿真
压控振荡器的设计与仿真目录1 引言 (2)2 振荡器的原理 ............................................................5 2.1 振荡器的功能、分类与参数 (5)2.2 起振条件 ..............................................................9 2.3压控振荡器的数学模型 (10)3 利用ADS仿真与分析 .....................................................11 3.1 偏置电路的的设计 .....................................................12 3.2 可变电容VC特性曲线测试 (13)3.3 压控振荡器的设计 .....................................................15 3.4 压控振荡器相位噪声分析 ...............................................18 3.5 VCO 振荡频率线性度分析 ................................................23 4 结论 (2)4 致谢 .......................................................................25 参考文献 (25)压控振荡器的设计与仿真Advanced Design System客户端软件设计电子信息工程(非师范类) 专业指导教师摘要:ADS可以进行时域电路仿真，频域电路仿真以及数字信号处理仿真设计，并可对设计结果进行成品率分析与优化，大大提高了复杂电路的设计效率。
本论文运用ADS仿真软件对压控振荡器进行仿真设计，设计出满足设计目标的系统，具有良好的输出功率，相位噪声性能及震荡频谱线性度。
课程设计--压控振荡器
课程设计设计题目：压控振荡器的研究系别专业班级学号姓名指导教师设计时间任务书目录一、压控振荡器的原理及设计 (1)二、LC压控振荡器 (3)三、晶体压控振荡器 (3)四、LC、晶体压控振荡器的主要应用范围及作用 (4)五、设计心得 (7)六、参考文献 (8)一、控振荡器的原理及设计1．压控振荡器的定义、工作原理压控振荡器的工作原理指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路,常以符号(VCO)(Voltage Controlled Oscillator)。
其特性用输出角频率ω0与输入控制电压uc之间的关系曲线(图1)来表示。
图1中,uc为零时的角频率ω0,0称为自由振荡角频率；曲线在ω0,0处的斜率K0称为控制灵敏度。
使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。
在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。
人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。
在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。
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。
图1 压控振荡器的控制特性在压控振荡器中，振荡频率应只随加在变容管上的控制电压变化，但实际电路中，振荡电压也加在变容管两端，这使得振荡频率在一定程度上也随振荡幅度而变化，这是不希望的。
为了减小振荡频率随振荡幅度的变化，应尽量减少振荡器的输出电压幅度，并使变容管工作在较大的固定直流偏压（如大于1V）上。
图2示出了一压控振荡器线路。
它的基本电路是一个栅极电路调谐的互感耦合振荡器。
决定频率的回路元件为L1、C1、C2和压控变容管VD2呈现的电容Cj。
压控振荡器的主要性能指标为压控灵敏度和线性度。
压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量，用S表示，即S=Δf/Δu2、压控振荡器的类型压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。
实验十五压控振荡器方案二
实验十五压控振荡器(方案二)一．实验目的1． 会简单压控振荡器的设计。
2． 掌握压控振荡器的基本原理和调试方法。
二．实验原理压控振荡器，顾名思义，其输出频率随输入电压的改变而变化。
它大致可分为两类，一类是调谐式，另一类是多谐式。
多谐式一般线性好，但输出不是正弦波，只能通过间接方式获得。
振荡频率一般较低。
调谐式多用于发射机中，一般高频电子线性课程会有介绍。
这里介绍两种压控振荡器及其常用电路类型，供大家参考。
1． 由5G8038构成的压控振荡器参考电路见图3-15-1，5G8038内部原理可参考相关参考书，这里不再详述，其振荡频率可由下式确定。
F=0.3/RC 3-15-1式中，44w R R 21R +=，一般R w4取ΩK 1，当f=20KHz 时，我们可以先定C ，再求出相应的R ，一般取Ω=K 10~5R 之间。
C=3300pF 时，由式3-15-1可求得Ω=K 54.4R ，则R 4=R-0.5R w4=4K Ω，取标称值Ω=K 3.4R 4。
由上式确定的频率为上限频率。
低端频率通过改变8脚电位实现。
我们可以通过研究电压与频率间的关系找到两者的联系。
一般高低端最大差10KHz 。
再来看其它电阻值的确定。
R w1+R 1支路、R w2+R 2支路和R w3+R 3支路，主要是为了取得电压控制信号，一般输入电阻都较大，故支路电流在0.1~0.5mA 间选取。
5G8038电源工作可选单电源工作方式，一般高低电源电压差最小10V ，最大30V ，根据实际情况选择。
R w1以能改变电压范围超过3V 即可。
但不是越大越好，也可通过实验调试取得。
为了保证输出频率的误差较小，可选用多线圈电位器，这里取ΩK 10，变化范围在4V 左右，应R w1在上，R 1在下，否则电路不能正常振荡。
Rw2和Rw3应尽可能大，以便于有较大控制范围使正弦波波形易于调节。
1、8、12控制端一般对地应接抗干扰电容，以防调节电位器时产生的高频噪声引入电路引起故障。
压控振荡器原理和设计
实验十五 压控振荡器(方案二)一．实验目的1． 会简单压控振荡器的设计。
2． 掌握压控振荡器的基本原理和调试方法。
二．实验原理压控振荡器，顾名思义，其输出频率随输入电压的改变而变化。
它大致可分为两类，一类是调谐式，另一类是多谐式。
多谐式一般线性好，但输出不是正弦波，只能通过间接方式获得。
振荡频率一般较低。
调谐式多用于发射机中，一般高频电子线性课程会有介绍。
这里介绍两种压控振荡器及其常用电路类型，供大家参考。
1． 由5G8038构成的压控振荡器参考电路见图3-15-1，5G8038内部原理可参考相关参考书，这里不再详述，其振荡频率可由下式确定。
F=0.3/RC 3-15-1式中，44w RR21R +=，一般R w4取ΩK 1，当f=20KHz 时，我们可以先定C ，再求出相应的R ，一般取Ω=K 10~5R 之间。
C=3300pF 时，由式3-15-1可求得Ω=K 54.4R ，则R 4=R-0.5R w4=4K Ω，取标称值Ω=K 3.4R4。
由上式确定的频率为上限频率。
低端频率通过改变8脚电位实现。
我们可以通过研究电压与频率间的关系找到两者的联系。
一般高低端最大差10KHz 。
再来看其它电阻值的确定。
R w1+R 1支路、R w2+R 2支路和R w3+R 3支路，主要是为了取得电压控制信号，一般输入电阻都较大，故支路电流在0.1~0.5mA 间选取。
5G8038电源工作可选单电源工作方式，一般高低电源电压差最小10V ，最大30V ，根据实际情况选择。
R w1以能改变电压范围超过3V 即可。
但不是越大越好，也可通过实验调试取得。
为了保证输出频率的误差较小，可选用多线圈电位器，这里取ΩK 10，变化范围在4V 左右，应R w1在上，R 1在下，否则电路不能正常振荡。
Rw2和Rw3应尽可能大，以便于有较大控制范围使正弦波波形易于调节。
1、8、12控制端一般对地应接抗干扰电容，以防调节电位器时产生的高频噪声引入电路引起故障。
压控振荡器原理范文
压控振荡器原理范文压控振荡器（Voltage-controlled oscillator，简称VCO）是一种能够根据输入电压信号的大小调整输出频率的电路。
它在无线通信、射频电路、音频合成等领域都有广泛应用。
本文将解释压控振荡器的原理，包括基本原理、工作方式和特性。
基本原理：工作方式：压控振荡器通常采用谐振器结构。
最常见的振荡电路是基于电感和电容组成的LC谐振电路，该电路具有固有的谐振频率。
LC谐振电路由负反馈网络连接到放大器的输入端。
在谐振频率附近，放大器会提供适当的增益，使振荡电路稳定起振。
调节输入电压：在压控振荡器中，输入电压信号通过一个调节电压控制电路调整振荡频率。
一种常见的调节电压控制电路是利用二极管的反向击穿特性。
调节电压通过二极管对谐振电路施加电压，改变振荡频率。
特性：1.频率范围：取决于振荡电路的设计和控制电路的调节范围。
一般来说，频率范围越大，压控振荡器的应用范围也越广。
2.稳定性：指的是输出频率对外部环境因素的敏感度。
压控振荡器应具有较高的稳定性，以确保在各种工作条件下频率的准确性和稳定性。
3.调谐灵敏度：指的是输入电压变化对输出频率的影响。
较高的调谐灵敏度意味着小的输入电压变化可以产生较大的频率变化。
4.相位噪声：是衡量压控振荡器输出信号稳定性的重要指标。
相位噪声越低，输出信号的相位变化越小，意味着信号的稳定性越高。
应用：总结：压控振荡器是一种能够根据输入电压调整输出频率的电路。
它利用正反馈产生自激振荡，通过调节输入电压来改变频率。
压控振荡器具有不同的特性，如频率范围、稳定性、调谐灵敏度和相位噪声。
它在无线通信、射频电路和音频合成等领域都有广泛的应用。
压控振荡器原理范文
压控振荡器原理范文压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）是一种将输入电压转化为可变频率输出信号的电子器件。
它是许多电子系统的重要组成部分，例如通信设备、音频合成器、射频发射机等。
在这篇文章中，我们将重点讨论压控振荡器的工作原理。
压控振荡器的核心部件是电容二极管，也称为控制电压与频率的传感元件。
电容二极管的容值可以通过改变控制电压来调节，进而改变振荡器的频率输出。
当控制电压增加时，电容的容值减小，频率输出也随之增加；反之，当控制电压减小时，电容的容值增加，频率输出也随之降低。
以简单的压控谐振器为例，它由一个放大器和一个谐振电路（由电感和电容组成）构成。
谐振电路的自然频率是由电感和电容的组合决定的。
放大器的输出信号通过谐振电路反馈到放大器的输入端，形成正反馈回路。
当系统达到谐振频率时，正反馈放大器将产生足够的增益，使系统产生高幅度、稳定的振荡输出。
在压控振荡器中，控制电压与电容二极管的电压成正比。
当控制电压增加时，电容二极管的容值减小，导致谐振电路的自然频率升高。
这个频率的变化可以通过控制电压与振荡器的电路参数之间的关系来计算。
通过适当选择电路元件的数值，可以实现所需的频率范围和线性度。
除了频率控制功能，压控振荡器还有其他一些重要的特性。
其中之一是相位噪声。
相位噪声是指振荡器输出信号相位的瞬时变化。
压控振荡器的相位噪声是由噪声源（如放大器、电感、电容等）引入的，它可以通过选择合适的电路设计和元件来减小。
总结起来，压控振荡器是一种将输入电压转化为可变频率输出信号的电子器件。
它的工作原理基于正反馈回路和谐振器的特性，利用控制电压和电容二极管的容值改变来调节输出频率。
压控振荡器在各种电子系统中都有广泛的应用，并且可以通过设计合适的电路来满足不同的需求。
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第32卷 第2期2011年2月仪器仪表学报C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i f i c I n s t r u m e n tV o l .32N o .2F e b .2011 收稿日期:2010-07 R e c e i v e d D a t e :2010-07 ＊基金项目:国家“863”计划“十一五”重大项目子课题(2006A A 06A 201)资助项目光泵磁力仪中压控振荡器的设计与实现＊张振宇1,2,程德福1,2,王 君1,周志坚1,2(1 吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室 长春 130026;2 吉林大学-美国德州仪器D S P 联合实验室 长春 130026)摘 要:压控振荡器是光泵磁力仪的核心器件。
为使光泵磁力仪能够对整个地磁场范围进行有效测量,需要一种输出频率范围宽。
波段覆盖系数大,并具有较高瞬时稳定度的压控振荡器。
采用多个变容二极管并联的方法,设计了基于西勒振荡电路形式,具有放大功能的压控振荡器。
实验结果表明,该压控振荡器的输出频率范围大于8～20M H z ,波段覆盖系数达到2.5,输出波形幅度在整个频率范围内均达到3V 以上,信号输出稳定,完全满足光泵磁力仪对地磁测量的要求。
关键词:压控振荡器;光泵磁力仪;变容二极管;波段覆盖系数中图分类号:T H 867+.7 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:460.4045D e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o n o f t h e v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r i no p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e rZ h a n g Z h e n y u 1,2,C h e n g D e f u 1,2,W a n g J u n 1,Z h o u Z h i j i a n1,2(1K e y L a b o r a t o r y f o r G e o p h y s i c a l I n s t r u m e n t a t i o n o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ,J i l i nU n i v e r s i t y ,C h a n g c h u n 130026,C h i n a ;2T e x a s I n s t r u m e n t -J i l i n U n i v e r s i t y J o i n t D S P s L a b o r a t o r y ,C h a n g c h u n 130026,C h i n a )A b s t r a c t :V C Oi s t h e c o r e d e v i c e i n o p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e r .T o e n s u r e t h a t o p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e r c a n m e a s u r e t h e e n t i r e r a n g e o f t h e g e o m a g n e t i c f i e l d e f f e c t i v e l y ,a V C Oi s n e e d e d ,w h i c h s h o u l d h a v e a w i d e o u t p u tf r e q u e n c y r a ng e ,w i d e b a n d c o v e r a g e c o e f f i c i e n t a n dhi g h t r a n s i e n t o u t p u t s t a b i l i t y .I n t h i s p a p e r a V C Ob a s e do n t h e c i r c u i t f o r mo f S e i l e r o s c i l l a t o r i s d e s i g n e d ,w h i c h a d o p t s m u l t i p l e p a r a l l e l v a r a c t o r s a n da l s o h a s a m p l i f i c a t i o n f u n c t i o n .E x p e r i m e n t r e s u l t s s h o wt h a t t h e o u t p u t f r e q u e n c y r a n g e o f t h i s V C Oi s g r e a t e r t h a n 8M H z t o 20M H z ,t h e b a n d c o v e r a g e c o e f f i c i e n t i s 2.5a n d t h e a m p l i t u d e o f t h e o u t p u t w a v e f o r mw i t h i n t h e e n t i r e f r e q u e n c y r a n g e i s l a r g e r t h a n 3V .T h e o u t p u t s i g n a l o f t h e V C Oi s s t a b l e a n d f u l l y m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s o f o p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e r i n g e o m a g n e t i c m e a s u r e m e n t .K e y w o r d s :V C O ;o p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e r ;v a r a c t o r ;b a n d c o v e r a g e c o e f f i c i e n t1 引 言磁场测量技术是研究与磁场有关物理现象的重要手段,在科学研究、矿藏勘探、国防建设、工业生产、日常生活等领域起着至关重要的作用[1-5]。
光泵磁力仪是以元素原子的能级在磁场中产生塞曼效应为基础,利用光泵作用和磁共振技术研制而成的一种高灵敏度的磁测设备[6-7]。
光泵磁力仪将对磁场的测量转化成对频率的测量,通过两者的对应关系来实现对被测磁场的测量[8]。
光泵磁力仪是依据原子的光学取向现象而设计的。
压控振荡器是光泵磁力仪的核心器件,在整个闭环系统中,其所提供射频信号的频率大小将决定探头输出信号的幅度变化。
压控振荡器的振荡信号作用于探头中的射频线圈,用以产生射频场从而实现磁共振作用,而磁场计数单元则读取压控振荡器的振荡信号频率值进行计数后280 仪 器 仪 表 学 报第32卷转换成所测磁场值。
压控振荡器的输出频率范围直接决定了光泵磁力仪的测磁量程[9]。
现有的电压/频率(V F C )转换集成模块其输出频率低、输出频率范围窄、精度不高,难以满足光泵磁力仪中压控振荡器的要求;而以往的压控振荡器采用单一变容二极管进行调谐,由于变容二极管的电容变化率还不能做得很大,故其电容变化量有限,导致输出频率的范围不能很宽。
为了使光泵磁力仪拥有较宽的测量范围,从而满足整个地磁场范围内的测磁需求,需要拓宽其压控振荡器的输出频率范围。
本文应用将多个变容二极管并联的方法,并采用具有较大波段覆盖系数、较高频率稳定度的西勒振荡电路形式来设计压控振荡器,使其能够满足大量程光泵磁力仪的测磁要求。
2 压控振荡器的原理2.1 变容二极管压控振荡器的基本原理变容二极管是利用P N 结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种压控电抗元件,其结电容变化曲线如图1所示。
图1 变容二极管的结电容-电压曲线F i g .1V a r a c t o r j u n c t i o nc a p a c i t a n c e -v o l t a g e c u r v e变容二极管结电容可表示为:C j =C j(0)(1-u U B)n(1)式中:n 为变容指数,其值随半导体掺杂浓度和P N 结的结构不同而变化;C j(0)为外加电压u=0时的结电容值;U B 为PN 结的内建电位差。
变容二极管必须工作在反向偏压状态,所以工作时需加负的静态直流偏压-U Q 。
若交流控制电压u Ψ为正弦信号,变容管上的电压为:u=-(U Q +u Ψ)=-(U Q +U Ψm c o s Ψt )(2)则有:C j =C j Q (1+u ΨU B +U Q)n=C j Q(1+m c o s Ψt )n(3)式中:静态结电容为C j Q =C j(0)(1+U Q U B)n,结电容调制度为m =U ΨmU B +U Q<1。
将变容二极管作为压控电容接入L C 振荡器中,可组成变容二极管压控振荡器,通常可采用各种形式的三点式电路[10-12]。
在变容二极管压控振荡电路中,为了使变容二极管能正常工作,必须正确地给其提供静态负偏压和交流控制电压,而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰,所以在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容及隔直电容[13-15]。
2.2 西勒振荡电路的分析西勒电路是一种改进型的电容三点式电路,它具有波段覆盖系数大、输出频率稳定度高的特点,其高频等效电路如图2所示。
图2 西勒振荡电路的高频等效电路F i g .2T h e h i g h f r e q u e n c y e q u i v a l e n t c i r c u i t o fS e i l e r o s c i l l a t i o n c i r c u i t西勒电路是在克拉泼电路的基础上,在电感L 两端并联了一个小电容C 4,且满足C 1、C 2远大于C 3和C 4,所以其回路等效电容为:C =C 1C 2C 3C 1C 2+C 1C 3+C 2C 3+C 4≈C 3+C 4(4)振荡频率为:f 0=12πL C ≈12πL (C 3+C 4)(5)在西勒电路中,由于C 4与L 并联,因此C 4的大小不影响回路的接入系数。