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(V oltage 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
反相器 2模
拟
开
关
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
C
3-15-2
设t=0,Uc=0,Uo 1=+Uz,则Uo=-Uc=0,运放A 1的同相端对地电压为：U+’=
2
12211
R R R U R R R U o z +++
此时，Uo 1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，A 1翻转，Uo1跳变为-Uz 见土，此时Uo 略小于-R 1×U 2/R 2。

在t=t 1时，Uc=-Uo=R 1×U 2/R 2,Uo1=-Uz.运放A 1的同相端对地电压为：
2
12
211'R R UoR R R UzR U ++
++
=+ 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，A 1翻转，Uo 跳变为Uz ，如此周而复始，就可在Uo 端输出幅度为R 1×U 2/R 2的三角波。

同时在Uo 1端得到幅度为Uz 的方波。

-(R 1/R
在图，t 1～t 2期间，电容C 上的电压变化量为
放电时间T 1=t 2-t 1为
212
21
2)2(R R
Rc R
U Uz R R c ic
Uc
c =--
=∆
t 2～t 3期间，电容C 恒流充电，同理可得放电时间T 2=t 3-t 2，与充电为Rc 成正
比T 2=22
1
R R Rc
T=T 1+T 2=2
1
4R R Rc
(
f=
1
241
RcR R T
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
C
R 4
D
图. 3-15-4
只要R 4远小于R ，就可得到如图所示的锯齿波
(R
1
(-R
1
3.15.5 3．压控振荡器
（1）工作原理
C
3-15-6 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
U i
R
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，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t 1～t 2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：RzUi Uz RcR R
Ui Uz R R c ic
Uc
c T 11
12)
22(=
--
=∆=
因此电路的振荡周期为：Ui
R Uz
RcR T T 21142=
=
相应的振荡频率为；Ui Uz
RCR R T f 1241==
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A 3,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Uo 4=-Uo 3=Ui 图中D 2、D 4状态受A 2输出控制，当A 2输出高电位时，其值大于Uo 4(ui),D 3截止,D 4导通，积分器A 1对Uo 4(ui)积分。

反之，当A 2输出为低电位时，其值小于Uo 3(-ui), 则D 3导通,D 4截止，积分器A 1对Uo 3(-ui)积分。

D 3、D 4在电路中起一个开关的作用。

方波输出幅值为±Uz ，三角波输出幅度Uom R R m Uo 2
2
1±
= 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：⎰===4021411T RC
UiT
Uidt RC Uo R R Uo 即振荡频率Uom
Ui
Rc R R f 214=
（2）。

参数确定与元件选择 1）。

确定积分时间常数R 、C
由式(，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R 1、R 2
由式( 可知，正反馈回路电阻R 1与R 2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、R 2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(，然后再选定R 1和R 2 ,最后应将各参数的设定值代入(,复算是否满足设计要求。

3）。

R 6、R 7、R 8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V om=±6V.
三角波V om=±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。