壓控振蕩器的電路設計 EDA

1、 EDA課程設計課程設計報告題 目 壓控振蕩電路的設計 姓 名 專業(yè)班級 .指導教師 日 期 10目 錄一、設計任務與要求3二、元器件清單及簡介15三、設計原理分析18四、設計中的問題及改進25五、總 結25六、參考文獻26 壓控振蕩電路的設計一、設計任務與要求1.1課程設計的研究內(nèi)容 本課題的主要研究內(nèi)容是采用集成運算放大器設計壓控振蕩器的電路，并使用multisim仿真工具對其進行仿真。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。所設計的電路應具有相應的功能及較好的性能。設計中要掌握電子電路設計的基本方法包括設計步驟、設計公式、參數(shù)計算及電子元

2、器件的選擇，掌握multisim在電子電路設計中的應用。1.2 壓控振蕩器設計要點壓控振蕩器一般分為晶體壓控振蕩器和LC壓控振蕩器對于各種用途的晶體壓控振蕩和LC壓控振蕩，設計時應考慮的指標大體上可以分為以下幾個方面：(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)振蕩器功率及其負載能力。以上是對一般壓控振蕩器的總體要求，但對晶體壓控振蕩器和壓控振蕩器，甚至對不同用途的晶體壓控振蕩器及LC壓控振蕩器，其設計要求也不一樣，而且指標之間有些是相互矛盾的。因此設計時只能根據(jù)需要，選定對系統(tǒng)影響最大的參數(shù)作為設計要點， 其它的則可相互折

3、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指標的要求。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，當頻率穩(wěn)定度要求很高時。例如，要優(yōu)于10-5，則必須采用晶體壓控振蕩器。但對要求頻偏大、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，則可通過對壓控振蕩器及線路環(huán)中各參數(shù)的精密調(diào)試來達到。1.2.2 振蕩管的選擇目前，雖然也有用場效應管作為振蕩管的，但還

4、是以用晶體管作振蕩管最多。在選擇晶體管的型號時，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，在很多應用場合，還應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，如頻偏、線性度、靈敏度甚至基噪等，都與它有關。因此，無論對晶體壓控振蕩器，還是LC壓控振蕩器，變?nèi)荻O管都是一個相當關鏈的另件。在選擇變?nèi)荻O管時，應綜合考慮頻偏。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?shù)姆聪蚱珘河汕€(圖3.1)可知，一般的變?nèi)荻O管在反向偏壓較高時，電容變化很小，即斜率較小，有

5、可能達不到對靈敏度的要求。面在反向偏壓較低時，電容變化雖然較大， 但其受溫度影響也較大，而且在這兩個區(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 曲線1.5集成電路選擇由于集成電路可以實現(xiàn)很多單元電路甚至整機電路的功能，所以選擇集成電路設計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)試及運行，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

6、有模擬集成電路和數(shù)字集成電路。二、元器件清單及簡介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注參數(shù)型號集成運放A1741電阻R14.918K電阻R220K電阻R31K電阻R50K電阻Rw150K電容C0.01uF電源VEE-15V電源VCC15V穩(wěn)壓管D35V穩(wěn)壓管D55V示波器XSC1頻率計數(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 圖2.1 multisim中電阻元器件電阻，它是導體的一種基本性質(zhì)，與導體的尺寸、材料、溫度有關。電阻的基本單位是歐姆，用希臘字母“”表示。有這樣的定義：導體上加上一伏特電壓時，產(chǎn)

7、生一安培電流所對應的阻值。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進行穩(wěn)壓的。圖2.4 multisim中二極管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，導通電阻很?。欢诜聪螂妷鹤饔孟聦娮铇O大或無窮大。

8、圖2.5 multisim中NPN晶體管元器件 晶體管（是一種固體半導體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開關，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，和一般機械開關不同處在于晶體管是利用電訊號來控制，而且開關速度可以非常之快，在實驗室中的切換速度可達100GHz以上。 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， 當然還有整流、振蕩以及其它的作用。另外電容的結構非常簡單，主要由兩塊正負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

9、。圖2.7 multisim中三端集成運算放大器元器件運算放大器（常簡稱為“運放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網(wǎng)絡共同組成某種功能模塊。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導體芯片當中。 三、設計原理分析3.1 壓控矩形波發(fā)生器3.1.1設計說明1.概述 矩形波發(fā)生電路在測量、自動控制、通訊、無限電廣播和遙控等技術技術領域有著廣泛的應用，甚至在收音機、電視臺和電子表等日常生活用品也離不開它?？傊匦尾òl(fā)生電路廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、科學實驗和日常生活等各個領域中。2.設計方案選擇論證 矩形波發(fā)生電路實際上是由一個滯回比較器和一個RC

10、充回電電路組成。其中，集成運放和電阻R1和R2組成滯回比較器，電阻R和電容C構成充放電回路，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)充電和放電兩個時間常數(shù)的比。 矩形波發(fā)生電路沒有穩(wěn)態(tài)，它有兩個暫態(tài)，一個是低水平，另一個是高電平，要想達到這種效果可采用滯回比較器，同時利用RC充放電回路來改變集成運放反向輸入端的輸入電壓u-=uc。當電容上的電壓上升到u-=u+時，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。當電容上的電壓下降到u-=u+時，滯回比較器的

11、輸出端再次發(fā)生跳變，由低電壓跳變成高水平。以后又重復上述過程。如此電容反復地進行充電和放電，滯回比較器的輸出端反復地在高水平和低水平之間跳變，于是產(chǎn)生了正負交替的矩形波。因此，在選擇矩形波發(fā)生電路時，采用滯回比較器和RC充放電回路來構成矩形波發(fā)生電路。3.單元電路設計 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，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)點是抗干擾能力強。當輸入信號受干擾或噪聲的影響而上下波動時，只要根據(jù)干擾或噪聲電平適當調(diào)整滯回比較器兩個門限電平UT+和UT-的值，就可以避免比較器的輸出電壓在高、低電平之間反復跳變。滯回比較器的輸入電壓經(jīng)

12、電阻R1加在集成運放的反響輸入端，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±UZ。當集成運放反向輸入端和同向輸入端的電位相等，即U+=U_時，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+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 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D

13、1,D2的作用是將電容充電和放電的回路分開，并調(diào)節(jié)充電和放電兩個時間常數(shù)的比例。若將電位器的滑動端向下滑動，則充電時間常數(shù)減少，放點時間常數(shù)增大。因此輸出端為高電平的時間縮短，輸出端為低電平的時間變長，Uc和Uo的波形如圖2所示，圖中T1<T2。相反，如果將電位器滑動端向上移動，則充電時間常數(shù)增大，放電時間常數(shù)減小，可得T1>T2。3.1.2 壓控矩形波發(fā)生器電路設計仿真 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，電壓表測量輸出電壓，頻率計測量頻率。仿真分析電路如圖3.4所示。仿真分析結果如圖3.5所示。頻率計讀數(shù)為994.868Hz電壓表讀數(shù)為5.485V波形沒有明

14、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，測量誤差以及忽略了二極管的導通電阻等等。 圖3.5 矩形波仿真波形結果分析四、設計中的問題及改進在這次課程設計過程中，我也遇到了很多問題。比如在剛開始仿真時，矩形波發(fā)生電路畫出來之后，仿真結果是輸出波形是一條直線，頻率計和電壓表均沒有示數(shù)。接下來，我就仔細地檢查了一遍又一遍，最后終于在參考資料和同學的幫助下終于成功地仿真了結果。第二步，對上述頻率進行計數(shù)顯示時，我們總是沒理解概念，選錯了兩次的器件，最后還是在老師的指導慢慢解決的。這次課程設計讓我學到了很多有用的東西，我不僅是鞏固了先前學的模電的理論知識，而且也培養(yǎng)了我的動手操作能力，讓

15、我學到了很多電腦上的應用技巧，這是我以前很少接觸的。更為重要的是這次課程設計開拓了我的視野，使我的創(chuàng)造性思維得到拓展。我感受到了知識的奧妙和學習的樂趣。此外，這也將對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計，類似這樣的鍛煉機會能更多些！五、總 結 本次課程設計所設計的方案基本上能滿足要求。波形基本上沒有失真，測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)。該電路由一個滯回比較器和一個RC充放電回路組成。集成運放和電阻集成運放和電阻R1和R2組成滯回比較器，電阻R和電容C構成充放電回路，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±UZ。但該設計也有一定得問題，在計算時由于沒有考慮二極管的導