压控振荡器的仿真测试分析研究

侯卫周

(1. 河南大学 物理与电子学院， 河南 开封　475004； 2. 河南大学 民生学院， 河南 开封　475004)



压控振荡器的仿真测试分析研究

侯卫周1,2

(1. 河南大学 物理与电子学院， 河南 开封475004； 2. 河南大学 民生学院， 河南 开封475004)

利用NIMultisim12.0软件对压控振荡器进行了虚拟测试分析。通过改变直流输入电压大小，得到输入直流电压与输出波形呈线性关系，与理论计算结果相吻合；当输入电压为锯齿波时，输出波形频率随锯齿波幅值变化而变化，验证了电压-频率转换电路的工作原理。通过虚拟仿真实例证明了将NIMultisim12.0引入电子电路实验教学后，有利于提升理论课的教学效果，让学生在理论和虚拟的实验教学中受益匪浅。

压控振荡器； 虚拟仿真测试； 电压-频率转换；NIMultisim12.0

电压-频率转换电路的功能是将输入直流电压转换为频率与其值成一定比例的输出电压，故也称为电压控制振荡电路，简称压控振荡器(voltagecontrolledoscillator，VCO)。通常，VCO输出波形为矩形波[1-2]。如果任何物理量通过传感器转换为电信号后，经预处理变为合适的电压信号，然后去控制VCO，再用VCO的输出驱动计数器，使之在一定时间间隔内记录矩形波数目，并以数码显示，那么即可得到该物理量的数字式测量仪表[3]。可以认为，电压-频率转换电路是一种模/数转换电路。随着现代电子技术发展，VCO已广泛用于模拟/数字信号转换、调频、遥控遥测等设备中[4]，其电路形式有电荷平衡式和复位式。本文仅介绍由电压比较器构成的电荷平衡式压控振荡器。

1　电压比较器构成的压控振荡器基本原理

压控振荡器可分为电荷平衡式和复位式两类。

1.1 电荷平衡式压控振荡器

电荷平衡式VCO一般由积分器和迟滞比较器组成，其原理框图如图1(a)所示，波形分析如图1(b)所示。图中S为电子开关，受输出电压uO的控制[5]。

图1　电荷平衡式压控振荡器原理框图

设uI<0，I≫|iI∣，其中uI为输入电压，I为电流源电流大小，uO的高电平为UOH，uO的低电平为UOL。

当uO=UOH时，电子开关S闭合，当uO=UOL时，电子开关S断开。若图1(a)输出电压uO初始状态为UOL，电子开关S断开，积分器对输入电流iI进行积分，且iI=uI/R，uO1随时间逐渐上升。

当uO1增大到一定数值时，uO从UOL跃变为UOH，使电子开关S闭合，积分器对恒流源电流I与iI的差值进行积分，且I与iI的差值近似为I，uO1随时间逐渐下降；因为∣I∣≫∣iI∣，所以uO1下降速度远大于上升速度。

当uO1减小到一定数值时，uO从UOH跃变为UOL，电路回到初始状态，电路重复上述过程，产生自激振荡，波形如图1(b)所示。

由于T1≫T2，可认为振荡周期T≈T1；而且uI数值愈大，T1愈小，振荡频率f愈高，从而实现电压-频率转换，或者说实现压控振荡。由于电流源I对电容C在很短时间内放电(或称反向充电)的电荷量等于iI在较长时间内充电(或称正向充电)的电荷量，因此这类电路称为电荷平衡式电路。在锯齿波发生电路中，适当调节电阻，能够构成压控振荡器，如图2所示，当RW≫R3，振荡频率f 如式(1)：

(1)

图2　由锯齿波发生器演变的压控振荡电路

式(1)说明振荡频率f受控于输入电压uI，二者成线性关系，在此不详细介绍。

1.2复位式压控振荡器

复位式压控振荡器的原理如图3(a)所示，电路由积分器和电压比较器组成。S为模拟电子开关，可由晶体管或场效应管构成[6]。设输出电压uO为高电平UOH时，开关S断开；当uO为低电平UOL时，开关S闭合。

当电源接通后，由于电容C上电压为零，即uO1=0，使uO=UOH，积分器对uI积分，uO1逐渐减小；一旦uO1过基准电压UREF，uO将从UOH跃变为UOL，导致开关S闭合，使C迅速放电至0，即uO1=0，从而使uO将从UOL跃变为UOH；S又断开，重复上述过程，电路产生自激振荡，波形如图3(b)所示。uI愈大，uO1从零变化到UREF所需时间愈短，振荡频率f也就愈高。

图3　复位式压控振荡器原理框图

图4为复位式压控振荡器，比对图3所示的原理框图分析该电路，其振荡周期和振荡频率为

(2)

图4　复位式压控振荡电路

2　电荷平衡式压控振荡器的仿真测试

2.1搭建电荷平衡式的压控振荡器

NIMultisim12.0是由美国国家仪器有限公司研发的电子电路虚拟仿真软件。将Multisim用于电子线路实验教学，是对传统教学模式很好的补充[7-9]。笔者利用电子电路NIMultisim12.0仿真软件对电荷平衡式压控振荡器进行了测试和分析研究。按照特定的电路参数和元器件要求搭建压控振荡器，并且按上面介绍的电压-频率转换的工作原理掌握仿真测试电路的结构和参数布局，进一步对VCO进行虚拟仿真、观察输出波形并读出输出振荡波形的周期T和计算其对应的频率f大小。

2.2压控振荡器的工作原理及其波形特点

在锯齿波发生电路的基础上改变电位器滑动端位置，构成压控振荡器。采用滞回比较器的工作原理、相关公式及积分电路表达式，计算输出信号波形的周期T和频率f，观察输入为直流电压或为锯齿波信号时，uI幅值变化时输出uO振荡波形的频率变化。

2.3压控振荡器测试仿真的内容

(1) 分别测量uI幅值等于-6V和-3V时输出

波形的周期和频率，观察uO1和uO波形的变化，读出uO周期；

(2) 观察uI幅值等于-3V～-15V时锯齿波的波形变化特点并计算uI幅值变化与输出波形频率f的关系。

2.4压控振荡器测试仿真的目的

本文对于压控振荡器进行测试仿真的目的：一是掌握电压-频率转换电路的工作原理，二是研究压控振荡器输出波形频率f随输入电压uI幅度之间的变化关系。

3　利用NI Multisim12.0软件的仿真测试分析

3.1电荷平衡式压控振荡器的仿真测试

电荷平衡式压控振荡器仿真测试电路如图5所示，对该电路说明如下。

V1为输入的直流电压，采用虚拟电压源；集成运放U1A采用LM324AJ，其电源电压为±15V(U1A的4端和11端须接15V电源，否则无测试结果)；电压比较器U2(U2参数中的最大输出电压为+12V，最小输出电压为-12V)与电阻R1、R2和R4组成滞回比较器，理论输出高电平和低电平分别为+5.4V和-5.4V；电阻R3、虚拟二极管D1、电容C1组成原锯齿波发生器的正向积分电路；R6和C1组成积分器；示波器XSC1观测UO1和 UO的波形。考虑到稳压二极管正向导通时电压介于0.46～0.7V，则输出UO的高电平UOH约为5.92V，低电平UOL约为-5.98V。

图5所示压控振荡器仿真测试电路亦可采用函数发生器XFG1产生锯齿波输入信号(笔者采用的锯齿波信号为频率50Hz，占空比95%，振幅6V，偏移量-9V，uI=-3V～15V)进行测试。

图5　输入直流电压uI=-6V和uI=-3V时的VCO仿真测试电路

3.2测试并观察电路各输出点的波形变化

根据虚拟测试电路中uO1和uO的波形及其变化规律，可以观察uO1锯齿波和uO脉冲波的周期T和频率f以及二者频率之间的关系，进一步说明VCO电路输出波形频率与输入电压幅度之间的关系。

(1) 当输入直流电压uI=-6V时，观察uO1的波形如图6所示；当输入直流电压uI=-3V时，观察uO的波形如图7所示。

图6　当uI=-6V时uO1的波形

图7　当uI=-3V时uO的波形

(2) 当采用函数发生器XFG1产生锯齿波信号作为uI信号时，uO1和uO的波形如图8所示，可观察到函数发生器产生的输入uO1锯齿波和输出uO疏密相间的脉冲波形。

图8　输入为锯齿波时的uO1和uO的波形

3.3测试仿真的结果及分析

(1) 当采用图5仿真测试电路时，观察在uI=-6V时uO1的波形如图6所示，两数据指针之间读数就是锯齿波的周期T，T = 2.034ms，频率f = 491.64Hz，移动数据指针可读输出电压uO的幅值约为±5.95V。利用公式(1)计算得出的频率f= 504.2Hz，说明仿真测试的波形周期读数结果与理论计算周期或频率基本吻合。

(2) 当图5仿真测试电路中uI=-3V时，uO的波形见图7。两个数据指针之间读数就是脉冲波的周期T，T=4.105ms，频率f=243.61Hz，移动数据指针可读输出电压uO的幅值为±5.95V。利用公式(1)计算得出的频率f= 245.82Hz，说明仿真测试的波形周期读数结果与理论计算周期或频率基本吻合。

(3) 在利用函数发生器XFG产生的锯齿波作为输入信号uI时，uO1和uO的波形如图8所示，两数据指针之间读数就是脉冲波周期T读数，T=1.601ms，频率f=624.61Hz；uO幅度仍约为±5.95V。改变输入信号uI幅值，uO波形频率也跟着变化。

(4) 当输入电压uI=-6V时，输出电压uO1和uO的波形频率相同，频率f=491.64Hz；当uI=-3V时，频率f=243.61Hz，约为uI=-6V时频率的一半。这说明压控振荡器输出波形频率与输入信号幅度成正比例关系，与理论计算和分析相一致。

(5) 当用函数发生器产生的锯齿波作为uI时，改变uI的幅值，频率也随之变化。这说明当uI为-3V～-15V的锯齿波时，uO为幅值约为±5.95V、频率随uI幅值而变化且疏密相间的脉冲波。

4　结语

当压控振荡器(VCO)采用直流电压源作为输入时，通过改变直流电压uI的幅值大小，输出波形uO1和uO的频率随uI幅值大小而改变，并且压控振荡器输出波形频率f正比于输入信号uI幅度；而当采用函数发生器产生的锯齿波作为输入信号uI时，改变锯齿波幅值大小从-3V～-15V时，输出波形的频率随uI幅值而变化，输出电压uO约为±5.95V，输出波形为疏

密相间的脉冲波。实验验证了利用电子电路NIMultisim12.0仿真软件对压控振荡器的虚拟测试结果是正确的。通过对VCO电路进行的虚拟仿真分析，利用示波器观测电路各输出电压测试点的波形变化，可得到输出频率f与uI幅值之间的关系，进一步理解和掌握VCO的原理，领会软件中不同电路的分析方法和处理方法。引入仿真软件辅助电类课程教学，是教学发展的必然趋势[10]，也将不断推进教学方法的改进。把NIMultisim12.0仿真实验和传统的实验教学有机地结合起来，取长补短[11-12]，充分发挥各种实验方式的优势，能让学生在理论和实验的教学中更多地受益。

References)

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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

国家自然科学基金项目 (21173068)；河南大学第十五批校级教学改革项目 (HDXJJG2015-82)

侯卫周(1973—)，男，山西永济，硕士，副教授，主要从事电子电路应用与研究.

E-mail：hwz204@163.com

TN710.9

A

1002-4956(2016)5- 0121- 04