新工科高校電路實驗課改革之
——一種特殊的鑒頻器

崔建國,寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

在一般電路實驗或電路設(shè)計中，獲得某一固定頻率的振蕩信號并不困難，若希望修改電路的振蕩頻率，通常通過修改電路的阻容網(wǎng)絡(luò)的時間參數(shù)τ值來實現(xiàn)，τ=R*C，故可以通過修改電阻值改變時間參數(shù)τ，也可以通過修改電容量來修改時間參數(shù)τ。

這種調(diào)整振蕩頻率的辦法在實際工業(yè)控制中并不實用,比如在自動化控制領(lǐng)域，通過修改某一電容量或電阻值調(diào)整輸出信號頻率很不方便,因為在工業(yè)化自動控制中的控制或被控參數(shù)往往都是電壓值或電流值,故可以利用壓控振蕩器來實現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)整[1]。

若希望壓控振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定度要求較高，可以利用鑒頻器來實現(xiàn)對壓控振蕩器的控制[2]。

在自動控制系統(tǒng)理論中，有這樣一種情況，若希望壓控振蕩器電路的輸出信號的頻率必須同步跟蹤某一輸入信號的頻率，但是這個輸入信號的頻率并不像上述的基準(zhǔn)頻率一樣固定不變，而是隨機(jī)變化的。

可以設(shè)計這樣一種頻率比較器電路，該電路的輸出電壓值將是隨機(jī)輸入信號頻率和壓控振蕩器頻率的函數(shù)，比較器輸出電壓值若恰好是我們所希望的基準(zhǔn)值(+6V)，說明壓控振蕩器的振蕩頻率已經(jīng)緊密跟蹤輸入信號頻率，若偏離基準(zhǔn)電壓值，該電壓值將引入到壓控振蕩器控制端，則可對振蕩器進(jìn)行自動頻率控制或跟蹤，使其振蕩頻率與另一端的隨機(jī)輸入信號頻率相一致。

這種特殊的鑒頻器電路實驗，是多種基本電路實驗的結(jié)合，符合當(dāng)前形勢下新工科實驗課程改革：緊密服務(wù)于社會。

1 頻率比較器電路

在本文介紹的頻率比較器電路中，我們所希望的基準(zhǔn)電壓UC可以由隨機(jī)輸入信號頻率f1與壓控振蕩器頻率f2比較而得到，電氣原理如圖1所示。

圖1 頻率比較器

從圖1可以看到，該頻率比較器電路包括隨機(jī)信號輸入電路，隨機(jī)信號端二極管泵電路，基準(zhǔn)電容放電電路，基準(zhǔn)電容電路，基準(zhǔn)電壓形成電路，基準(zhǔn)電容充電電路，壓控振蕩器端二極管泵電路，壓控振蕩器信號輸入電路等。

該設(shè)計的基本原理簡單描述如下：頻率比較器電路有兩個輸入信號f1、f2，且比較器電路將對兩個輸入信號比較，隨機(jī)輸入信號f1通過輸入電容C01，電阻R01、R1進(jìn)入頻率比較器電路，該隨機(jī)信號將通過隨機(jī)信號端二極管泵電路，基準(zhǔn)電容放電電路使基準(zhǔn)電容C1部分放電；而壓控振蕩器輸出信號f2通過輸入電容C02，電阻R02、R6同時進(jìn)入頻率比較器電路，f2信號將通過壓控振蕩器端二極管泵電路、靜態(tài)基準(zhǔn)電壓形成電路(即R3、R4)、基準(zhǔn)電容充電電路對基準(zhǔn)電容C1充電，實現(xiàn)了阻止基準(zhǔn)電容C1放電的目的。

所以這個基準(zhǔn)電容C1上的平均電荷(即我們所希望的基準(zhǔn)電壓)，將是兩個輸入信號f1、f2頻率的函數(shù)，該基準(zhǔn)電壓是兩個輸入信號f1、f2頻率比較的結(jié)果，將反映兩個輸入信號f1、f2頻率是否相等。

在靜態(tài)時，即兩個輸入端皆沒有信號輸入時，晶體管T2、T3皆關(guān)斷，供電電源12V通過分壓電阻R3、R4組成的分壓器對基準(zhǔn)電容C1充電到電源電壓的一半即6V。

1.1 隨機(jī)信號端二極管泵電路的功能

一旦有隨機(jī)信號加到晶體管T1的基極時，隨機(jī)信號的幅值足夠為T1的發(fā)射結(jié)提供導(dǎo)通電壓，T1的集電極-發(fā)射極導(dǎo)通，T1的集電極電壓突然反轉(zhuǎn)為“0”電平，基于電容端電壓不能突變的特性，該“0”電平將由電容C2、二極管D1組成的電路轉(zhuǎn)換成一個負(fù)脈沖觸發(fā)信號，即電容C2的右端電位或二極管D1正極由0V反轉(zhuǎn)為一個小于“0”(瞬時值大約為-12V)的觸發(fā)負(fù)脈沖，要注意這點。

隨著f1隨機(jī)信號的瞬時值不斷變化，晶體管T1將按照輸入隨機(jī)信號的頻率不斷處于導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，所以通?？梢詫⒕w管T1、T1集電極偏置電阻R2、耦合電容C2、放電二極管D1組成的電路形象地稱為“二極管泵電路”[3]。

之所以將這個電路取名叫“泵電路”，是因為它的作用能在晶體管T2的發(fā)射極端產(chǎn)生一連串與輸入隨機(jī)信號頻率對應(yīng)的觸發(fā)負(fù)脈沖，這些負(fù)脈沖將被用來控制晶體管T2的發(fā)射極與集電極導(dǎo)通，一旦T2導(dǎo)通，基準(zhǔn)電容所存儲的電荷將通過T2、D1放電，隨著f1信號的下一個脈沖到來，基準(zhǔn)電容C1又重新按照輸入端f1信號的頻率脈沖式地進(jìn)行放電，當(dāng)然最后C1有可能會完全放電。

故f1端“二極管泵電路”的確切作用是為基準(zhǔn)電容C1的基準(zhǔn)電壓提供放電通道。

1.2 壓控振蕩器端二極管泵電路的功能

由于壓控振蕩器端電路的結(jié)構(gòu)與元件型號皆有所不同，故壓控振蕩器端二極管泵電路的作用將與上述隨機(jī)信號端二極管泵電路不同。壓控振蕩器端二極管泵電路由晶體管T4、T4集電極偏置電阻R5、耦合電容C3、充電二極管D2組成。

壓控振蕩器信號將通過壓控振蕩器端二極管泵電路，在晶體管T3的發(fā)射極端同樣產(chǎn)生一連串與f2輸入信號頻率對應(yīng)的觸發(fā)脈沖信號，但與f1端二極管泵電路不同的是，這一連串觸發(fā)脈沖的瞬時值約等于電源電壓的2倍，前述f1端二極管泵電路的觸發(fā)脈沖的瞬時值約等于1倍的負(fù)電源電壓，原理簡單論述如下：

與f1端二極管泵電路分析方法相似，壓控振蕩器信號f2輸入到晶體管T4基極的高電平信號使T4導(dǎo)通，電容C3的右端為0V，12V電源通過二極管D2、晶體管T4的C-E極為電容C3正向充電。

當(dāng)壓控振蕩器f2信號翻轉(zhuǎn)為低電平時，晶體管T4截止，T4集電極上升為12V，基于電容端電壓不能突變的特性，以及二極管單向?qū)щ娦缘奶匦?，電容C3的左端電位反轉(zhuǎn)到大約+24V電位，所以，隨著f2信號的瞬時值不斷變化，通過壓控振蕩器端二極管泵電路，在晶體管T3的發(fā)射極端同樣產(chǎn)生一連串與f2輸入信號頻率對應(yīng)的2倍電源電壓觸發(fā)脈沖信號[4]。

該2倍電源電壓觸發(fā)脈沖信號，將被用來控制晶體管T3的發(fā)射極與集電極處于導(dǎo)通狀態(tài)，故上述24V觸發(fā)脈沖將試圖為基準(zhǔn)電容C1充電。

于是最終實現(xiàn)隨著f2信號的一連串脈沖到來，f2端二極管泵電路是對應(yīng)于f2輸入信號的頻率以短脈沖形式對基準(zhǔn)電容C1充電。

故f2端“二極管泵電路”的作用是為基準(zhǔn)電容C1提供充電條件。

1.3 基準(zhǔn)電壓的形成及其在頻率跟蹤中的應(yīng)用

f1端泵電路為基準(zhǔn)電容C1提供放電通道，f2端泵電路為基準(zhǔn)電容C1提供充電通道。

以上兩種“泵電路”同時作用，最終的結(jié)果是：基準(zhǔn)電容C1同時經(jīng)由充電、放電所充得的電平，是由f1、f2兩個輸入信號頻率相比較后產(chǎn)生的結(jié)果，這個電平就是本頻率比較器準(zhǔn)備向外電路(本設(shè)計中外電路就指壓控振蕩器本身)提供的基準(zhǔn)電平，該電平將控制壓控振蕩器修正振蕩頻率，以追蹤隨機(jī)輸入信號f1的工作頻率，直到頻率相等為止，這是我們最終期望所得到的結(jié)果，頻率跟蹤過程簡單介紹如下。

很明顯，如果兩個輸入信號f1、f2頻率相同，則每一周期中基準(zhǔn)電容C1充電和放電的量也相等，因而這時C1兩端的電壓應(yīng)等于電源電壓的一半(6V)，如果隨機(jī)輸入信號f1的頻率低于壓控振蕩器端輸入信號f2的頻率，C1端輸出的基準(zhǔn)電壓UC將低于6V；若f1的信號頻率高于f2的信號頻率，則輸出的基準(zhǔn)電壓UC將高于6V。

所以本電路頻率比較器實際上也可以叫“鑒頻器”，可用于對頻率穩(wěn)定度要求較高或?qū)δ硞€頻率需要進(jìn)行自動調(diào)整的場合，若將該基準(zhǔn)電壓引回到f2端壓控振蕩器，則可以對壓控振蕩器進(jìn)行自動頻率控制(AFC)，使其頻率與另一端(f1端)的輸入信號頻率相一致，實現(xiàn)了信號頻率的跟蹤[5]。

2 壓控振蕩器

壓控振蕩器(VCO)的類型通常有三種，分別是LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器，RC壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度低而調(diào)頻范圍寬；晶體壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，但調(diào)頻范圍窄；LC壓控振蕩器居二者之間[6]。

下面以LC壓控振蕩器為例，描述本文頻率比較器電路中f2端壓控振蕩器實現(xiàn)基準(zhǔn)電壓控制振蕩頻率的電路。

在任何一種LC壓控振蕩器電路中，將壓控可變電抗元件連接在振蕩器回路就可形成LC壓控振蕩器，只是早期的壓控可變電抗元件是電抗管，后來大都使用變?nèi)荻O管。

圖2是克拉潑型LC壓控振蕩器的電氣工作原理電路。圖中，T為晶體管，L為回路電感，C1、C2、CV為回路電容，CV為變?nèi)荻O管反向偏置時呈現(xiàn)出的容量；通常電容C1、C2比CV大得多。當(dāng)VCO輸入控制電壓UC改變時，CV隨之變化，因而振蕩頻率被改變。這種壓控振蕩器的輸出頻率與輸入控制電壓之間的關(guān)系為:

圖2 LC壓控振蕩器原理電路

式中:C0是零反向偏壓時變?nèi)荻O管的電容量；φ是變?nèi)荻O管的結(jié)電壓；γ是結(jié)電容變化指數(shù)，在實際應(yīng)用時，為了得到線性控制特性，可以采取各種補(bǔ)償措施。

3 結(jié)語

實際上本文介紹的頻率比較器本質(zhì)上也屬于“鑒頻器”范疇，只不過基準(zhǔn)頻率由固定頻率變?yōu)殡S機(jī)頻率，比較器的輸出基準(zhǔn)電壓值反饋控制壓控振蕩器的振蕩頻率，從而緊密跟蹤隨機(jī)信號的頻率，故也屬于“AFC”，該設(shè)計經(jīng)過仿真電路仿真，電路結(jié)構(gòu)正確，參數(shù)無誤。