压电控制振荡电路设计与仿真毕业设计.docx

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压电控制振荡电路设计与仿真毕业设计

密级：

NANCHANGUNIVERSITYGONGQINCOLLEGE

学士学位论文（设计）

THESISOFBACHELOR

（2009—2013年）

中文题目:

电压控制振荡电路设计与仿真

英文题目：

DesignandSimulationofvoltagecontrolledoscillatorcircuit

学院：

共青学院

系别：

信息工程系

专业班级：

09电信本

学生姓名：

聂志辉

学号：

8110109023

指导教师：

刘定军

二○一三年五月

学士学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

本人签名：

日期：

摘要

近年来，随着无线通信技术的飞速发展，使市场对射频集成电路产生了巨大的需求。

在射频电路中，压控振荡器（VCO）占有非常重要的地位，它是锁相环、时钟恢复电路以及频率综合器的重要组成电路，所以设计高性能的压控振荡器对通信系统性能的提高具有十分重要的意义。

自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。

在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。

随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压；在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热；某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制；电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。

尤其在通信系统电路中，压控振荡器（VCO）是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位

电压控制振荡器是如今使用非常广泛的一类电子器件，为电一光转换电路、移动式手持设备等提供了很好的解决方案。

本设计采用运算放大器741芯片组成的反向积分电路和滞回电压比较器，利用三极管2N222相当于电子开关的功能，控制电容的充放电时间，构成的压控振荡电路，从而实现了输入电压对输出频率变化的控制。

只要改变输入端的电压，即可改变输出端的输出频率。

从而达到设计的目的和要求。

关键词：

压控振荡器（VCO）；运算放大器741；2N222

ABSTRACT

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnology,themarkethasahugedemandonradiofrequencyintegratedcircuits.Inrfcircuit,voltagecontrolledoscillator（VCO）occupiesveryimportantposition,itisaphaselockedloop,clockrecoverycircuitandkeycircuitoffrequencysynthesizers,sothedesignofhighperformanceforvoltage-controlledoscillatorisofgreatsignificancetotheimprovementoftheperformanceofthecommunicationsystem.

Sinceitsbirthhasbeenincommunications,electronics,navigation,aerospace,andmedicalandotherfieldsplayanimportantrole,hasawiderangeofUSES.Atthebeginningoftheradiotechnologydevelopment,itisusedtogeneratehighfrequencycarrierwavevoltageinthetransmitter,usedaslocaloscillatorinthesuperheterodynereceiver,thebasiccomponentsofequipmentbecomethetransmitandreceive.Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,thepurposeoftheoscillatorisbecomingmoreandmorewidely,suchasinradiomeasuringinstruments,itproducesavarietyoffrequenciesofsinesignalvoltage;Inhotworking,heattreatment,ultrasonicprocessing,andsomeinthemedicalequipment,itproduceshighfrequencyelectricenergyofpoweronheatingload;Someelectricalequipmentmadeofcontactlessswitchtocontroltheoscillator;Electronicclockandelectronicwatchesinusinghighfrequencystabilityoftheoscillatingcircuitastimingcomponents,etc.Especiallyinthecommunicationsystemcircuit,voltagecontrolledoscillator（VCO）isthekeycomponents,especiallyinthephase-lockedloopcircuit,clockrecoverycircuitandcircuitoffrequencysynthesizersisParamount,itisnoexaggerationtosayinthefieldofelectroniccommunicationstechnology,VCOwithalmosthavethesameimportantpositionandcurrentsource

Voltagecontrolledoscillatorisnowverywidelyusedclassofelectronicdevicesforelectriclightconversioncircuit,mobilehandhelddevices,etc.Providesolution.Thisdesignadoptstheoperationalamplifier,741chipofbackwardintegrationcircuitandthehysteresisvoltagecomparator,use2n222triodeisequivalenttothefunctionofelectronicswitches,controlthecapacitorchargeanddischargetime,constitutethevoltage-controlledoscillationcircuit,soastorealizetheinputvoltagetocontroltheoutputfrequencychange.Aslongasyouchangethevoltageattheinputandoutputcanchangetheoutputfrequency.Soastoachieveofthedesignrequirements.

Keywords:

voltagecontrolledoscillator；Operationalamplifier741；2N222

第1章绪论

1.1振荡器概述

振荡器广泛应用于各行各业中，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压:

在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热；某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制；电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。

在通信系统电路中，压控振荡器（VCO）是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等电路中更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO压控振荡器几乎与电流源电路和运放电路具有同等重要的地位。

压控振荡器（VCO）的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。

对压控振荡器的技术要求主要有：

频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。

晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。

电压控制LC振荡器在任何一种LC振荡器电路中都是将压控可变电抗元件插入振荡回路中，早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来大都使用了变容二极管。

在微波频段，用反射极电压控制频率的反射速调管振荡器和用阳极电压控制频率的磁控管振荡器等也都属于压控振荡器的性质。

在通信技术、测量技术、计算机技术等各种领域中，常常要用到精度比较高，频率稳定度高且方便可调的信号源，电压控制很好的解决方案。

振荡器是如今使用非常广泛的一类电子器件，为电—光转换电路、移动式手持设备等提供了很好的解决方案。

1.2本课题设计意义

随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。

在无线电技术发展的初期，振荡器就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。

本设计电压控制振荡器是如今使用非常广泛的一类电子器件，为电一光转换电路、移动式手持设备等提供了很多的解决方案。

本文设计的是电压控制振荡器，设计中采用了运算放大器741构成的反向积分电路和滞回电压比较器电路做为主要组成部分，通过调控制端两端的电压来改变振荡器的输出频率，使设计系统达到30Hz～2.8KHz输出频率可变的要求。

在振荡器的回路中，使用反馈电阻控制三极管（相当于电子开关）的导通、截止，在反相积分电路的输入端形成矩形波从而控制电容的充放电时间，再由转换电路输入控制电压经电阻分压后决定反相积分电路同相端的电位、电路的积分时间，就可以控制输出频率的变化，即电压控制振荡器。

压控振荡器可广泛使用于频率调制器，锁相环路，以及无线电发射机和接收机中。

压控振荡器的应用范围很广，集成化是重要的发展方向。

石英晶体压控振荡器中频率稳定度和调频范围之间的矛盾也有待于解决。

随着深空通信的发展，将需要内部噪声电平极低的压控振荡器。

1.3研究范围及参数

压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。

根据所产生的波形不同，可将振荡器分成正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。

前者能产生正弦波，后者能产生矩形波、三角波、锯齿波等。

常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成，这就是反馈振荡器。

按照选频网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型。

本电压控制振荡器系统包括压控振荡器（VCO），运算放大器。

在输入电压从0.1V变化到17V时，输出频率可以从30Hz变化到2.8KHz，且能保持良好的线性度，振荡环路加入了防振措施，高次谐波能得到很好的抑制，输出的波形良好，纯度高，失真低，幅度高且稳定。

从操作的灵活性和可靠性方面考虑，此设计简便，可操作性高。

1.4应解决的主要问题

通过反馈电阻控制三极管的导通、截止，在反相积分电路的输入端形成矩形波，从而控制电容的充电放电时间。

转换电路输入电压需经过电阻分压后决定反相积分电路同相端的电位、电路的积分时间，用以控制输出频率的变化，测量各个借点的电压频率变化，设置合适的参数值和元器件型号，环环相扣达到功能齐全，可靠性高，稳定度高，抗干扰性强的特点。

第2章系统方案设计

2.1设计依据和要求

依据：

与电子电路设计有关的国家和行业的法规、技术标准与规范；本电压控制振荡器设计任务书要求的技术范围。

要求：

（1）振荡器输出为三角波形，波形无明显失真。

（2）输出频率范围：

30HZ~2.8KHz。

（3）输出频率稳定度：

优于

。

（4）输出电压峰—峰值

=1V±0.1V。

2.2系统的方案论证

人们通常把压控振荡器称为调频器，用以生产调频信号。

在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。

低频振荡器的比较:

在各种低频振荡电路中，常见的振荡器有以下几种：

方案一：

采用互感耦合振荡器形式。

调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较稳定。

调发电路只能解决起始振荡条件和振荡频率的问题，不能决定振幅的大小。

调集电路在高频输出方面比其他两种电路稳定，幅度较大谐波成分比较小。

互感耦合振荡器在调整反馈（改变耦合系数）时，基本上不影响振荡频率。

但由于分布电容存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器，而且灵活性较差。

一般应用于中、短波波段。

方案二：

集成电路振荡器。

采用压控振荡器芯片MC1648和变容二极管MV209，外接一个LC振荡回路构成变容二极管压控振荡器。

只需要调节变容二极管两端的电压，即可改变MC1648的输出频率。

由于采用了集成芯片，电路设计简单，系统可靠性高，并且利用锁相环频率合成技术可以使输出频率稳定度进一步提高。

方案三：

应用集成运放芯片741和电阻电容组成反相积分电路，再和若干个电阻构成滞回电压比较器，分别给两个电路输入两个参考电压，然后由反馈电阻控制三极管的导通和截止，在反相积分电路的输入端形成一个矩形波，从而来控制电容的充放电的时间，以此来控制输出频率的变化，从而实现电压控制频率的这一目的，涉及的芯片很常见，电压和频率之间的关系也稳定，整个电路分工明确，可操作性高。

2.3输出信号的实现比较

方案一：

采用VCO,函数发生器，如ICL8038。

它通过改变外加控制电压，改变芯片內的电容充电电流，从而可以输出一定频率的正弦波。

但是其输出的频率较低，而且频率的稳定度差，频率的难以控制检测。

方案二：

采用锁相环路技术，利用锁相环，使振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需的频率上，从而产生稳定的VCO控制电压，这样大大提高了控制信号的稳定性，但是在电路上提高了复杂程度，操作起来也会有很多问题需要反复调试，实现起来会有相当的难度。

方案三：

采用普通电压源或可调电压源，通过改变振荡器的输入电压来实现对输出频率的控制，这种方案可以实现较设计所要求的频率间隔，操作性高，稳定度也高等优点。

因此，根据本次设计要求我们优先采用方案三的设计。

2.4系统方案的选择和设计原理

考虑到此次设计为低频信号输出，且波形稳定，电压和频率的关系接近线性关系，可实施性高等要求，故优先选择方案三来进行设计和仿真。

设计原理框图如图2.1所示。

图2.1总体设计框图

主要采用运算放大器741系列芯片和若干个电阻电容组成反相积分电路，再直接与电阻组成一个滞回电压电路，利用三极管相当于开关的功能，给反相积分电路输入端输送一个矩形波，从而控制电容的充放电时间，以此来控制频率的变化。

通过可调电压源的电压值的改变，来实现由电压控制频率的目的，最终达到本次设计的目的和要求。

2.5系统的总原理图

采用可调电压源来控制运放芯片的输入端电压，经过两个电阻的分压，再通过由运放芯片组成的反相积分电路，输入到滞回电压比较电路的输入端，经过比较器的两个输入端电压的比较，然后利用三极管的导通和截止的功能经过反馈，在运放输入端形成一个矩形波，控制电容的充放电的时间，以此来控制输出端的频率的变化，达到频率随电压变化而变化这一设计目的。

第3章芯片的选择

3.1运算放大器

3.1.1运算放大器的简介

运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。

在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。

由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。

运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。

随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。

运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。

3.1.2运算放大器的工作原理

运放如图3.1有两个输入端a（反相输入端），b（同相输入端）和一个输出端o。

也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。

当电压U-加在a端和公共端（公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。

）之间，且其实际方向从a端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反。

当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。

为了区别起见，a端和b端分别用"-"和"+"号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。

电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。

反转放大器如图3.2，非反转放大器如图3.3

图3.1运算放大器

图3.2反转放大器

图3.3非反转放大器

一般可将运放简单地视为：

具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。

运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。

对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。

采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。

运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。

经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。

这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。

运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：

输出电压=A0（E1-E2），其中，A0是运放的低频开环增益（如100dB，即100000倍），E1是同相端的输入信号电压，E2是反相端的输入信号电压。

3.1.3运算放大器的选择

运算放大器分三端集成运放、五端集成运放、七端集成运放、九端集成运放。

其中，三端运算放大器不需要接电源和地线，仿真速度快，但是模型不是十分准确，可以满足一般需要。

五端运算放大器有电源和接地端。

七端、九端运算放大器功能强，管脚也多。

此次设计应用七端运算放大器741就能满足需求，因此优先选择741运放芯片。

3.1.4741运放的引脚图和功能说明

741单运放是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。

这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。

芯片引脚如图3.4所示

图3.4741芯片引脚功能图

其中1和5为偏置（调零端），2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源8空脚，工作参数如表3.1所示

表3.1741的工作参数

Symbol符号

Parameter参数

UA741M

UA741I

UA741C

Unit单位

VCC

Supplyvoltage电源电压

±22

V

Vid

DifferentialInputVoltage差分输入电压

±30

V

Vi

InputVoltage输入电压

±15

V

Ptot

PowerDissipation功耗

500

mW

 Toper

OutputShort-circuitDuration输出短路持续时间

Infinite无限制

OperatingFree-airTemperatureRange工作温度

-55to+125

-40to+105

0to+70

 ℃

3.2比较器

3.2.1比较器的简介

两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序称为比较。

能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器。

比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。

比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。

因此，也可以将其当作一个1位模/数转换器（ADC）。

运算放大器在不加负反馈时从原理上讲可以用作比较器，但由于运算放大器的开环增益非常高，它只能处理输入差分电压非常小的信号。

而且，一般情况下，运算放大器的延迟时间较长，无法满足实际需求。

比较器经过调节可以提供极小的时间延迟，但其频响特性会受到一定限制。

为避免输出振荡，许多比较器还带有内部滞回电路。

比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。

常见的芯片有LM324、LM358、uA741、TL081\2\3\4、OP07、OP27，这些都可以做成电压比较器。

比较器的特点：

1、使用可更换的插件（选件），可快速检测内螺纹中径。

2、可调量爪能够实现大范围内径比较。

3.2.2比较器与运算放大器的区别

运算放大器在不加负反馈时，从原理上讲可以用作比较器，但由于运算放大器的开环增益非常高，它只能处理输入差分电压非常小的信号。

而且，在这种情况下，运算放大器的响应时间比比较器慢许多，而且也缺少一些特殊功能，如：

滞回、内部基准等。

比较器通常不能用作运算放大器，比较器经过调节可以提供极小的时间延迟，但其频响特性受到一定限制，运算放大器正是利用了频响修正这一优势而成为灵活多用的器件。

另外，许多比较器还带有内部滞回电路，这避免了输出振荡，但同时也使其不能当作运算放大器使用。

3.2.3比较器的分类

过零电压比较器：

典型的幅度比较电路。

电压比较器：

将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值上，就得到电压比较器。

窗口比较器：

电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成，高电平信号的电位水平高于某规定值VH的情况，相当比较电路正饱和输出。

低电平信号的电位水平低于某规定值VL的情况，相当比较电路负饱和输出。

该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。

滞回比较器：

从输出引一个