壓控振蕩器的仿真測試分析研究

侯衛(wèi)周

(1. 河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院， 河南 開封　475004； 2. 河南大學(xué) 民生學(xué)院， 河南 開封　475004)

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壓控振蕩器的仿真測試分析研究

侯衛(wèi)周1,2

(1. 河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院， 河南 開封475004； 2. 河南大學(xué) 民生學(xué)院， 河南 開封475004)

利用NIMultisim12.0軟件對壓控振蕩器進(jìn)行了虛擬測試分析。通過改變直流輸入電壓大小，得到輸入直流電壓與輸出波形呈線性關(guān)系，與理論計(jì)算結(jié)果相吻合；當(dāng)輸入電壓為鋸齒波時，輸出波形頻率隨鋸齒波幅值變化而變化，驗(yàn)證了電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的工作原理。通過虛擬仿真實(shí)例證明了將NIMultisim12.0引入電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，有利于提升理論課的教學(xué)效果，讓學(xué)生在理論和虛擬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中受益匪淺。

壓控振蕩器； 虛擬仿真測試； 電壓-頻率轉(zhuǎn)換；NIMultisim12.0

電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的功能是將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率與其值成一定比例的輸出電壓，故也稱為電壓控制振蕩電路，簡稱壓控振蕩器(voltagecontrolledoscillator，VCO)。通常，VCO輸出波形為矩形波[1-2]。如果任何物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)預(yù)處理變?yōu)楹线m的電壓信號，然后去控制VCO，再用VCO的輸出驅(qū)動計(jì)數(shù)器，使之在一定時間間隔內(nèi)記錄矩形波數(shù)目，并以數(shù)碼顯示，那么即可得到該物理量的數(shù)字式測量儀表[3]?？梢哉J(rèn)為，電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路是一種模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展，VCO已廣泛用于模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、調(diào)頻、遙控遙測等設(shè)備中[4]，其電路形式有電荷平衡式和復(fù)位式。本文僅介紹由電壓比較器構(gòu)成的電荷平衡式壓控振蕩器。

1　電壓比較器構(gòu)成的壓控振蕩器基本原理

壓控振蕩器可分為電荷平衡式和復(fù)位式兩類。

1.1 電荷平衡式壓控振蕩器

電荷平衡式VCO一般由積分器和遲滯比較器組成，其原理框圖如圖1(a)所示，波形分析如圖1(b)所示。圖中S為電子開關(guān)，受輸出電壓uO的控制[5]。

圖1　電荷平衡式壓控振蕩器原理框圖

設(shè)uI<0，I?|iI∣，其中uI為輸入電壓，I為電流源電流大小，uO的高電平為UOH，uO的低電平為UOL。

當(dāng)uO=UOH時，電子開關(guān)S閉合，當(dāng)uO=UOL時，電子開關(guān)S斷開。若圖1(a)輸出電壓uO初始狀態(tài)為UOL，電子開關(guān)S斷開，積分器對輸入電流iI進(jìn)行積分，且iI=uI/R，uO1隨時間逐漸上升。

當(dāng)uO1增大到一定數(shù)值時，uO從UOL躍變?yōu)閁OH，使電子開關(guān)S閉合，積分器對恒流源電流I與iI的差值進(jìn)行積分，且I與iI的差值近似為I，uO1隨時間逐漸下降；因?yàn)楱OI∣?∣iI∣，所以uO1下降速度遠(yuǎn)大于上升速度。

當(dāng)uO1減小到一定數(shù)值時，uO從UOH躍變?yōu)閁OL，電路回到初始狀態(tài)，電路重復(fù)上述過程，產(chǎn)生自激振蕩，波形如圖1(b)所示。

由于T1?T2，可認(rèn)為振蕩周期T≈T1；而且uI數(shù)值愈大，T1愈小，振蕩頻率f愈高，從而實(shí)現(xiàn)電壓-頻率轉(zhuǎn)換，或者說實(shí)現(xiàn)壓控振蕩。由于電流源I對電容C在很短時間內(nèi)放電(或稱反向充電)的電荷量等于iI在較長時間內(nèi)充電(或稱正向充電)的電荷量，因此這類電路稱為電荷平衡式電路。在鋸齒波發(fā)生電路中，適當(dāng)調(diào)節(jié)電阻，能夠構(gòu)成壓控振蕩器，如圖2所示，當(dāng)RW?R3，振蕩頻率f 如式(1)：

(1)

圖2　由鋸齒波發(fā)生器演變的壓控振蕩電路

式(1)說明振蕩頻率f受控于輸入電壓uI，二者成線性關(guān)系，在此不詳細(xì)介紹。

1.2復(fù)位式壓控振蕩器

復(fù)位式壓控振蕩器的原理如圖3(a)所示，電路由積分器和電壓比較器組成。S為模擬電子開關(guān)，可由晶體管或場效應(yīng)管構(gòu)成[6]。設(shè)輸出電壓uO為高電平UOH時，開關(guān)S斷開；當(dāng)uO為低電平UOL時，開關(guān)S閉合。

當(dāng)電源接通后，由于電容C上電壓為零，即uO1=0，使uO=UOH，積分器對uI積分，uO1逐漸減小；一旦uO1過基準(zhǔn)電壓UREF，uO將從UOH躍變?yōu)閁OL，導(dǎo)致開關(guān)S閉合，使C迅速放電至0，即uO1=0，從而使uO將從UOL躍變?yōu)閁OH；S又?jǐn)嚅_，重復(fù)上述過程，電路產(chǎn)生自激振蕩，波形如圖3(b)所示。uI愈大，uO1從零變化到UREF所需時間愈短，振蕩頻率f也就愈高。

圖3　復(fù)位式壓控振蕩器原理框圖

圖4為復(fù)位式壓控振蕩器，比對圖3所示的原理框圖分析該電路，其振蕩周期和振蕩頻率為

(2)

圖4　復(fù)位式壓控振蕩電路

2　電荷平衡式壓控振蕩器的仿真測試

2.1搭建電荷平衡式的壓控振蕩器

NIMultisim12.0是由美國國家儀器有限公司研發(fā)的電子電路虛擬仿真軟件。將Multisim用于電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是對傳統(tǒng)教學(xué)模式很好的補(bǔ)充[7-9]。筆者利用電子電路NIMultisim12.0仿真軟件對電荷平衡式壓控振蕩器進(jìn)行了測試和分析研究。按照特定的電路參數(shù)和元器件要求搭建壓控振蕩器，并且按上面介紹的電壓-頻率轉(zhuǎn)換的工作原理掌握仿真測試電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)布局，進(jìn)一步對VCO進(jìn)行虛擬仿真、觀察輸出波形并讀出輸出振蕩波形的周期T和計(jì)算其對應(yīng)的頻率f大小。

2.2壓控振蕩器的工作原理及其波形特點(diǎn)

在鋸齒波發(fā)生電路的基礎(chǔ)上改變電位器滑動端位置，構(gòu)成壓控振蕩器。采用滯回比較器的工作原理、相關(guān)公式及積分電路表達(dá)式，計(jì)算輸出信號波形的周期T和頻率f，觀察輸入為直流電壓或?yàn)殇忼X波信號時，uI幅值變化時輸出uO振蕩波形的頻率變化。

2.3壓控振蕩器測試仿真的內(nèi)容

(1) 分別測量uI幅值等于-6V和-3V時輸出

波形的周期和頻率，觀察uO1和uO波形的變化，讀出uO周期；

(2) 觀察uI幅值等于-3V～-15V時鋸齒波的波形變化特點(diǎn)并計(jì)算uI幅值變化與輸出波形頻率f的關(guān)系。

2.4壓控振蕩器測試仿真的目的

本文對于壓控振蕩器進(jìn)行測試仿真的目的：一是掌握電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的工作原理，二是研究壓控振蕩器輸出波形頻率f隨輸入電壓uI幅度之間的變化關(guān)系。

3　利用NI Multisim12.0軟件的仿真測試分析

3.1電荷平衡式壓控振蕩器的仿真測試

電荷平衡式壓控振蕩器仿真測試電路如圖5所示，對該電路說明如下。

V1為輸入的直流電壓，采用虛擬電壓源；集成運(yùn)放U1A采用LM324AJ，其電源電壓為±15V(U1A的4端和11端須接15V電源，否則無測試結(jié)果)；電壓比較器U2(U2參數(shù)中的最大輸出電壓為+12V，最小輸出電壓為-12V)與電阻R1、R2和R4組成滯回比較器，理論輸出高電平和低電平分別為+5.4V和-5.4V；電阻R3、虛擬二極管D1、電容C1組成原鋸齒波發(fā)生器的正向積分電路；R6和C1組成積分器；示波器XSC1觀測UO1和 UO的波形?？紤]到穩(wěn)壓二極管正向?qū)〞r電壓介于0.46～0.7V，則輸出UO的高電平UOH約為5.92V，低電平UOL約為-5.98V。

圖5所示壓控振蕩器仿真測試電路亦可采用函數(shù)發(fā)生器XFG1產(chǎn)生鋸齒波輸入信號(筆者采用的鋸齒波信號為頻率50Hz，占空比95%，振幅6V，偏移量-9V，uI=-3V～15V)進(jìn)行測試。

圖5　輸入直流電壓uI=-6V和uI=-3V時的VCO仿真測試電路

3.2測試并觀察電路各輸出點(diǎn)的波形變化

根據(jù)虛擬測試電路中uO1和uO的波形及其變化規(guī)律，可以觀察uO1鋸齒波和uO脈沖波的周期T和頻率f以及二者頻率之間的關(guān)系，進(jìn)一步說明VCO電路輸出波形頻率與輸入電壓幅度之間的關(guān)系。

(1) 當(dāng)輸入直流電壓uI=-6V時，觀察uO1的波形如圖6所示；當(dāng)輸入直流電壓uI=-3V時，觀察uO的波形如圖7所示。

圖6　當(dāng)uI=-6V時uO1的波形

圖7　當(dāng)uI=-3V時uO的波形

(2) 當(dāng)采用函數(shù)發(fā)生器XFG1產(chǎn)生鋸齒波信號作為uI信號時，uO1和uO的波形如圖8所示，可觀察到函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的輸入uO1鋸齒波和輸出uO疏密相間的脈沖波形。

圖8　輸入為鋸齒波時的uO1和uO的波形

3.3測試仿真的結(jié)果及分析

(1) 當(dāng)采用圖5仿真測試電路時，觀察在uI=-6V時uO1的波形如圖6所示，兩數(shù)據(jù)指針之間讀數(shù)就是鋸齒波的周期T，T = 2.034ms，頻率f = 491.64Hz，移動數(shù)據(jù)指針可讀輸出電壓uO的幅值約為±5.95V。利用公式(1)計(jì)算得出的頻率f= 504.2Hz，說明仿真測試的波形周期讀數(shù)結(jié)果與理論計(jì)算周期或頻率基本吻合。

(2) 當(dāng)圖5仿真測試電路中uI=-3V時，uO的波形見圖7。兩個數(shù)據(jù)指針之間讀數(shù)就是脈沖波的周期T，T=4.105ms，頻率f=243.61Hz，移動數(shù)據(jù)指針可讀輸出電壓uO的幅值為±5.95V。利用公式(1)計(jì)算得出的頻率f= 245.82Hz，說明仿真測試的波形周期讀數(shù)結(jié)果與理論計(jì)算周期或頻率基本吻合。

(3) 在利用函數(shù)發(fā)生器XFG產(chǎn)生的鋸齒波作為輸入信號uI時，uO1和uO的波形如圖8所示，兩數(shù)據(jù)指針之間讀數(shù)就是脈沖波周期T讀數(shù)，T=1.601ms，頻率f=624.61Hz；uO幅度仍約為±5.95V。改變輸入信號uI幅值，uO波形頻率也跟著變化。

(4) 當(dāng)輸入電壓uI=-6V時，輸出電壓uO1和uO的波形頻率相同，頻率f=491.64Hz；當(dāng)uI=-3V時，頻率f=243.61Hz，約為uI=-6V時頻率的一半。這說明壓控振蕩器輸出波形頻率與輸入信號幅度成正比例關(guān)系，與理論計(jì)算和分析相一致。

(5) 當(dāng)用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波作為uI時，改變uI的幅值，頻率也隨之變化。這說明當(dāng)uI為-3V～-15V的鋸齒波時，uO為幅值約為±5.95V、頻率隨uI幅值而變化且疏密相間的脈沖波。

4　結(jié)語

當(dāng)壓控振蕩器(VCO)采用直流電壓源作為輸入時，通過改變直流電壓uI的幅值大小，輸出波形uO1和uO的頻率隨uI幅值大小而改變，并且壓控振蕩器輸出波形頻率f正比于輸入信號uI幅度；而當(dāng)采用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波作為輸入信號uI時，改變鋸齒波幅值大小從-3V～-15V時，輸出波形的頻率隨uI幅值而變化，輸出電壓uO約為±5.95V，輸出波形為疏

密相間的脈沖波。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用電子電路NIMultisim12.0仿真軟件對壓控振蕩器的虛擬測試結(jié)果是正確的。通過對VCO電路進(jìn)行的虛擬仿真分析，利用示波器觀測電路各輸出電壓測試點(diǎn)的波形變化，可得到輸出頻率f與uI幅值之間的關(guān)系，進(jìn)一步理解和掌握VCO的原理，領(lǐng)會軟件中不同電路的分析方法和處理方法。引入仿真軟件輔助電類課程教學(xué)，是教學(xué)發(fā)展的必然趨勢[10]，也將不斷推進(jìn)教學(xué)方法的改進(jìn)。把NIMultisim12.0仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，取長補(bǔ)短[11-12]，充分發(fā)揮各種實(shí)驗(yàn)方式的優(yōu)勢，能讓學(xué)生在理論和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中更多地受益。

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Analysisofsimulationtestofvoltagecontrolledoscillator

HouWeizhou1,2

(1.SchoolofPhysicsandElectronics,HenanUniversity,Kaifeng475004,China;2.MinshengCollege,HenanUniversity,Kaifeng475004,China)

ThevirtualtestofvoltagecontrolledoscillatorwasanalyzedusingNIMultisim12.0software.BychangingtheinputDCvoltage,thechangingruleoftheoutputwaveformwasobserved,whichcanreadthecycleandcalculatethefrequencyoftheoutputwaveforminconformitywiththetheoreticalcalculationresults,itwasconcludedthattheinputDCvoltagesizehasalinearrelationwiththeoutputwaveformfrequency.Whentheinputvoltagewassawtoothwave,theoutputwaveformfrequencywasvariedwiththesawtoothwaveamplitudevaluechange.ItshowsthattheinputvoltageiseitherDCorsawtoothwave,theoutputwaveformfrequencyisvariedwiththeinputvoltageamplitudechange,thiscanfurtherverifytheworkingprincipleofvoltage-frequencyconversioncircuit.WhentheNIMultisim12.0softwareisproperlyintroducedinelectroniccircuitexperimentteaching,theresultsofvirtualsimulationinstanceprovethatitcanimprovetheteachingeffectsofthecircuittheorycurriculum,andstudentscanbenefitalotfromthetheoryteachingandvirtualexperimentteaching.

voltagecontrolledoscillator;virtualsimulationtest;voltage-frequencyconversion;NIMultisim12.0

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.031

2015- 10- 05修改日期：2016- 01- 07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (21173068)；河南大學(xué)第十五批校級教學(xué)改革項(xiàng)目 (HDXJJG2015-82)

侯衛(wèi)周(1973—)，男，山西永濟(jì)，碩士，副教授，主要從事電子電路應(yīng)用與研究.

E-mail：hwz204@163.com

TN710.9

A

1002-4956(2016)5- 0121- 04