壓控振蕩器的電路設(shè)計(jì)EDA

1、EDA課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目 壓控振蕩電路的設(shè)計(jì)姓名專業(yè)班級(jí).指導(dǎo)教師 日 期11目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 3二、元器件清單及簡(jiǎn)介 4三、設(shè)計(jì)原理分析 6四、設(shè)計(jì)中的問題及改進(jìn) 10五、總結(jié)10六、參考文獻(xiàn) 11壓控振蕩電路的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 課程設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容 本課題的主要研究?jī)?nèi)容是采用集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)壓控振蕩器的電路，并使用 multisim 仿真工具對(duì)其進(jìn)行仿真。包括壓控鋸齒波發(fā)生器電路、壓控矩形波發(fā)生器電路、壓控三 角波發(fā)生器電路、壓控方波發(fā)生器電路。 所設(shè)計(jì)的電路應(yīng)具有相應(yīng)的功能及較好的性能。 設(shè)計(jì)中要掌握電子電路設(shè)計(jì)的基本方法包括設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)公式、參數(shù)計(jì)算及電子元器

2、 件的選擇，掌握 multisim 在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。1.2 壓控振蕩器設(shè)計(jì)要點(diǎn)壓控振蕩器一般分為晶體壓控振蕩器和 LC 壓控振蕩器對(duì)于各種用途的晶體壓控振蕩和 LC 壓控振蕩，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的指標(biāo)大體上可以分為以下幾個(gè)方面：(1) 壓控曲線的線性度，靈敏度及壓控范圍。(2) 振蕩頻率的精度及其穩(wěn)定度。(3) 振蕩輸出的幅頻及其頻譜純度。(4) 振蕩器功率及其負(fù)載能力。 以上是對(duì)一般壓控振蕩器的總體要求，但對(duì)晶體壓控振蕩器和壓控振蕩器，甚至對(duì)不同 用途的晶體壓控振蕩器及 LC 壓控振蕩器，其設(shè)計(jì)要求也不一樣，而且指標(biāo)之間有些是 相互矛盾的。 因此設(shè)計(jì)時(shí)只能根據(jù)需要， 選定對(duì)系統(tǒng)影響最大的參

3、數(shù)作為設(shè)計(jì)要點(diǎn)， 其 它的則可相互折衷考慮。1.2.1 選擇電路的類型 振蕩電路型式主要是根據(jù)所給定的工作頻率和頻率穩(wěn)定度的要求來選擇的。 由于不同型 式的各種振蕩器所適用的工作頻率范圍和頻率穩(wěn)定度都差不多，所以電路選擇比較靈 活，往往是不同形式的電路都可以滿足某種技術(shù)指標(biāo)的要求。 LC 壓控振蕩器常用于幾 百千赫到幾十兆赫以至上百兆的頻率范圍， 頻率穩(wěn)定度一般低于 10-4，當(dāng)頻率穩(wěn)定度要 求很高時(shí)。例如，要優(yōu)于 10-5，則必須采用晶體壓控振蕩器。但對(duì)要求頻偏大、線性好 及靈敏度高的電路，則必須選用 LC 壓控振蕩器至于頻譜純度要求，則可通過對(duì)壓控振 蕩器及線路環(huán)中各參數(shù)的精密調(diào)試來達(dá)到。

4、1.2.2 振蕩管的選擇 目前，雖然也有用場(chǎng)效應(yīng)管作為振蕩管的，但還是以用晶體管作振蕩管最多。在選擇晶 體管的型號(hào)時(shí)，主要是從振蕩頻率、頻率穩(wěn)定度、振蕩功率以及能否滿足起振條件來考 慮。另外，在很多應(yīng)用場(chǎng)合，還應(yīng)考慮管子的基噪等問題。1.3 變?nèi)莨艿倪x擇 由于壓控振蕩器頻率的改變是借助變?nèi)莨茈娙莸母淖儊硗瓿傻?。因此，壓控振蕩器的許 多重要指標(biāo)，如頻偏、線性度、靈敏度甚至基噪等，都與它有關(guān)。因此，無論對(duì)晶體壓 控振蕩器，還是 LC 壓控振蕩器，變?nèi)荻O管都是一個(gè)相當(dāng)關(guān)鏈的另件。在選擇變?nèi)荻?極管時(shí)，應(yīng)綜合考慮頻偏。壓控靈敏度、非線性失真、中心頻率及最高反向工作電壓諸 因素。1.4適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘河?/p>

5、GVc曲線（圖3.1）可知，一般的變?nèi)荻O管在反向偏壓較高時(shí)，電容變化很小，即 斜率較小，有可能達(dá)不到對(duì)靈敏度的要求。面在反向偏壓較低時(shí)，電容變化雖然較大， 但其受溫度影響也較大，而且在這兩個(gè)區(qū)域，壓控曲線線性度差，所以一般變?nèi)荻O管 的工作偏壓選在C-V特性曲線線性較好，而斜率又不太小的區(qū)段。由于變?nèi)荻O管參數(shù) 有一定的離散性，因此，有條件的話，可測(cè)試選用的變?nèi)荻O管的壓控曲線，以便選定 最佳位置。圖3.1 GVc曲線1.5集成電路選擇由于集成電路可以實(shí)現(xiàn)很多單元電路甚至整機(jī)電路的功能，所以選擇集成電路設(shè)計(jì)單元電路和總體電路既方便又靈活，它不僅是系統(tǒng)體積縮小，而且性能可靠，便于調(diào)試及運(yùn) 行,

6、在multisim元器件庫中選擇集成電路，可通過其性能表或功能真值表了解集成電路 的參數(shù)和工作條件。集成電路有模擬集成電路和數(shù)字集成電路。、元器件清單及簡(jiǎn)介2.1電路元器件的選擇表5-1壓控矩形波電路元器件選擇原件名稱原件標(biāo)注參數(shù)型號(hào)集成運(yùn)放A1741電阻R14.918KO電阻R22OK0電阻R31KQ電阻R5OK0電阻Rw150KO電容CO.OluF電源VEE-15V電源VCC15V穩(wěn)壓管D35V穩(wěn)壓管D55V示波器XSC1頻率計(jì)數(shù)器XFC1二極管D1SB320二極管D2SB320萬用表XMM12.2壓控振蕩器部分元器件介紹-A/W圖2.1 multisim中電阻元器件電阻，它是導(dǎo)體的一種基

7、本性質(zhì)，與導(dǎo)體的尺寸、材料、溫度有關(guān)。電阻的基本單位是 歐姆，用希臘字母丫2表示。有這樣的定義：導(dǎo)體上加上一伏特電壓時(shí)，產(chǎn)生一安培電 流所對(duì)應(yīng)的阻值。電阻的主要職能就是阻礙電流流過。它的作用有限流，分流，分壓。圖2.2 multisim中電位器元器件電位器是一種可調(diào)的電子元件。電位器的作用是調(diào)節(jié)電壓（含直流電壓與信號(hào)電壓）和 電流的大小。圖2.3 multisim中穩(wěn)壓二極管元器件穩(wěn)壓二極管的作用，穩(wěn)壓二極管也稱齊納二極管或反向擊穿二極管，在電路中起穩(wěn)定電 壓作用。它是利用二極管被反向擊穿后，在一定反向電流范圍內(nèi)反向電壓不隨反向電流 變化這一特點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)壓的。*圖2.4 multisim中二極管

8、元器件二極管的主要特性是單向?qū)щ娦?，也就是在正向電壓的作用下，?dǎo)通電阻很?。欢诜?向電壓作用下導(dǎo)通電阻極大或無窮大。圖2.5 multisim中NPN晶體管元器件晶體管（是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào) 調(diào)制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開關(guān)，基于輸入的電壓，控制流出的電流， 因此晶體管可做為電流的開關(guān)，和一般機(jī)械開關(guān)不同處在于晶體管是利用電訊號(hào)來控 制，而且開關(guān)速度可以非常之快，在實(shí)驗(yàn)室中的切換速度可達(dá)100GHz以上。卄圖2.6 multisim中電容元器件所謂電容，就是容納和釋放電荷的電子元器件。電容的基本工作原理就是充電放電，當(dāng)然還有整流、振蕩以及

9、其它的作用。另外電容的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，主要由兩塊正負(fù)電極和 夾在中間的絕緣介質(zhì)組成，所以電容類型主要是由電極和絕緣介質(zhì)決定的。圖2.7 multisim中三端集成運(yùn)算放大器元器件運(yùn)算放大器（常簡(jiǎn)稱為 運(yùn)放”是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常 結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以 由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。三、設(shè)計(jì)原理分析3.1壓控矩形波發(fā)生器3.1.1設(shè)計(jì)說明1概述矩形波發(fā)生電路在測(cè)量、自動(dòng)控制、通訊、無限電廣播和遙控等技術(shù)技術(shù)領(lǐng)域有著 廣泛的應(yīng)用，甚至在收音機(jī)、電視臺(tái)和電子表等日常生活用品也離不開它。總之矩形波 發(fā)生電路

10、廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域中。2.設(shè)計(jì)方案選擇論證矩形波發(fā)生電路實(shí)際上是由一個(gè)滯回比較器和一個(gè)RC充回電電路組成。其中,集成運(yùn)放和電阻R1和R2組成滯回比較器，電阻R和電容C構(gòu)成充放電回路，穩(wěn)壓器 和電阻R3的租用是鉗位，將滯回比較器的電壓限制在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ。在矩形波發(fā)生電路中，如圖1所示電位器Rw和二極管D1、D2的作用是將電容充電和放電的回 路分開，并調(diào)節(jié)充電和放電兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的比。矩形波發(fā)生電路沒有穩(wěn)態(tài)，它有兩個(gè)暫態(tài)，一個(gè)是低水平，另一個(gè)是高電平，要想 達(dá)到這種效果可采用滯回比較器，同時(shí)利用 RC充放電回路來改變集成運(yùn)放反向輸入端 的輸入電壓u-=uc。當(dāng)電容

11、上的電壓上升到u-=u+時(shí)，滯回比較器的輸出端將發(fā)生跳變， 由高電平跳變成低電壓。當(dāng)電容上的電壓下降到u-=u+時(shí)，滯回比較器的輸出端再次發(fā)生跳變，由低電壓跳變成高水平。以后又重復(fù)上述過程。如此電容反復(fù)地進(jìn)行充電和放 電，滯回比較器的輸出端反復(fù)地在高水平和低水平之間跳變，于是產(chǎn)生了正負(fù)交替的矩 形波。因此，在選擇矩形波發(fā)生電路時(shí)，采用滯回比較器和RC充放電回路來構(gòu)成矩形波發(fā)生電路。RC充放電回路滯冋比鮫器Hi?圖1矩形波發(fā)生電路框圖3.單元電路設(shè)計(jì)滯回比較器滯回比較器可用于產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒波等各種非正弦波信號(hào)，也可用于波形交 換電路。用于控制系統(tǒng)是，滯回比較器的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)輸

12、入信號(hào)受干擾或噪 聲的影響而上下波動(dòng)時(shí)，只要根據(jù)干擾或噪聲電平適當(dāng)調(diào)整滯回比較器兩個(gè)門限電平 UT+和UT-的值，就可以避免比較器的輸出電壓在高、低電平之間反復(fù)跳變。滯回比較器的輸入電壓經(jīng)電阻 R1加在集成運(yùn)放的反響輸入端，參考電壓 UREF經(jīng)電阻 R2接在同向輸入端，此外從輸出端通過電阻 RF引回同向輸入端。電阻R和背靠背穩(wěn) 壓管VDZ的作用是限幅，將輸出電壓的幅度限制在 土UZ。當(dāng)集成運(yùn)放反向輸入端和同向輸入端的電位相等，即U+=U_時(shí)，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。其中U_=UIU+則由參考電壓UREF及輸出電壓UO兩者共同決定，而UO有兩種可能的狀態(tài)：+UZ 或-UZ。由此可見，使輸出電壓由

13、+UZ跳變成-UZ所需的輸入電壓是值是不同的。也就 是說，這兩種比較器有兩個(gè)不同的門限電平，傳輸特性呈滯回形狀。利用疊加原理可求的門限電平*L+押TJTJ _% UT_ 曲 Zg Z山以上兩式可求的門限寬度在矩形波發(fā)生電路中，如上圖一所示的電位器 Rw和二極管D1,D2的作用是將電容 充電和放電的回路分開，并調(diào)節(jié)充電和放電兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的比例。若將電位器的滑動(dòng)端 向下滑動(dòng)，則充電時(shí)間常數(shù)減少，放點(diǎn)時(shí)間常數(shù)增大。因此輸出端為高電平的時(shí)間縮短， 輸出端為低電平的時(shí)間變長，Uc和Uo的波形如圖2所示，圖中T1<T2。相反，如果將 電位器滑動(dòng)端向上移動(dòng)，則充電時(shí)間常數(shù)增大，放電時(shí)間常數(shù)減小，可得T

14、1>T2。圖23.1.2壓控矩形波發(fā)生器電路設(shè)計(jì)仿真圖3.4壓控矩形波發(fā)生器在輸出端利用示波器觀察波形，電壓表測(cè)量輸出電壓，頻率計(jì)測(cè)量頻率。仿真分析 電路如圖3.4所示。仿真分析結(jié)果如圖3.5所示。頻率計(jì)讀數(shù)為994.868Hz電壓表讀數(shù)為5.485V波形沒有明 顯的失真，基本滿足要求。存在誤差的原因主要是元件參數(shù)誤差，測(cè)量誤差以及忽略了 二極管的導(dǎo)通電阻等等。DdR15"訊iSOK.亦111: SiHYdljCinq.EFdL 13-1壯I圖3.5矩形波仿真波形結(jié)果分析四、設(shè)計(jì)中的問題及改進(jìn)在這次課程設(shè)計(jì)過程中，我也遇到了很多問題。比如在剛開始仿真時(shí)，矩形波發(fā)生 電路畫出來之

15、后，仿真結(jié)果是輸出波形是一條直線，頻率計(jì)和電壓表均沒有示數(shù)。接下 來，我就仔細(xì)地檢查了一遍又一遍，最后終于在參考資料和同學(xué)的幫助下終于成功地仿 真了結(jié)果。第二步，對(duì)上述頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)顯示時(shí)，我們總是沒理解概念，選錯(cuò)了兩次的 器件，最后還是在老師的指導(dǎo)慢慢解決的。這次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多有用的東西， 我不僅是鞏固了先前學(xué)的模電的理論知 識(shí)，而且也培養(yǎng)了我的動(dòng)手操作能力，讓我學(xué)到了很多電腦上的應(yīng)用技巧，這是我以前 很少接觸的。更為重要的是這次課程設(shè)計(jì)開拓了我的視野，使我的創(chuàng)造性思維得到拓展。 我感受到了知識(shí)的奧妙和學(xué)習(xí)的樂趣。此外，這也將對(duì)我以后踏上工作崗位也有一定得 幫助。所以我希望今后類似這樣的課程設(shè)計(jì)，類似這樣的鍛煉機(jī)會(huì)能更多些！五、總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的方案基本上能滿足要求。波形基本上沒有失真，測(cè)得的頻率和理論值很接近，輸出電壓也在規(guī)定的范圍內(nèi)。該電路由一個(gè)滯回比較器和一個(gè)RC充放電回路組成。集成運(yùn)放和電阻集成運(yùn)放和電阻R1和R2組成滯回比較器，電阻 R和電容C構(gòu)成充放電回路，穩(wěn)壓管和電阻 R3的作用是鉗位，將滯回比較器的電壓限制 在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓土 UZ。但該設(shè)計(jì)也有一定得問題，在計(jì)算時(shí)由于沒有考慮二極管 的導(dǎo)通