压控振荡器原理和设计

压控振荡器

实验十五 压控振荡器(方案二)

一．实验目的

1． 会简单压控振荡器的设计。

2． 掌握压控振荡器的基本原理和调试方法。 二．实验原理

压控振荡器，顾名思义，其输出频率随输入电压的改变而变化。它大致可分为两类，一类是调谐式，另一类是多谐式。多谐式一般线性好，但输出不是正弦波，只能通过间接方式获得。振荡频率一般较低。调谐式多用于发射机中，一般高频电子线性课程会有介绍。

这里介绍两种压控振荡器及其常用电路类型，供大家参考。 1． 由5G8038构成的压控振荡器

参考电路见图3-15-1，5G8038内部原理可参考相关参考书，这里不再详述，其振荡频率可由下式确定。 F=0.3/RC 3-15-1

式中，R

12R

w4

R

4

，一般Rw4取1K ，当f=20KHz时，我们可以先定C，

再求出相应的R，一般取R 5~10K 之间。C=3300pF时，由式3-15-1可求得

R 4.54K ，则R4=R-0.5Rw4=4K ，取标称值R

4

4.3K 。

由上式确定的频率为上限频率。低端频率通过改变8脚电位实现。我们可以通过研究电压与频率间的关系找到两者的联系。一般高低端最大差10KHz。 再来看其它电阻值的确定。Rw1+R1支路、Rw2+R2支路和Rw3+R3支路，主要是为了取得电压控制信号，一般输入电阻都较大，故支路电流在0.1~0.5mA间选取。5G8038电源工作可选单电源工作方式，一般高低电源电压差最小10V，最大30V，根据实际情况选择。Rw1以能改变电压范围超过3V即可。但不是越大越好，也可通过实验调试取得。为了保证输出频率的误差较小，可选用多线圈电位器，这里取10K ，变化范围在4V左右，应Rw1在上，R1在下，否则电路不能正常振荡。Rw2和Rw3应尽可能大，以便于有较大控制范围使正弦波波形易于调节。1、8、12控制端一般对地应接抗干扰电容，以防调节电位器时产生的高频噪声引入电路引起故障。常选0.1 F独石电容，代码104。

方波输出为OC型电路，所以必须接上拉电阻，一般电流控制在1mA左右，

VCC VEE

R

b

本例中，

6 610K

1.2mA。

D1为保护管，一般用开关管即可，为的是防止8脚电位最高时，4、5脚仍有几百毫伏的电压降。 RL为正弦波的负载，至少应在10K 以上，否则输出幅度将减小。若要与后级电路相连，最好加一隔直电容。容量10 F以上。

压控振荡器

CC(+6V)

Rw110R120

EE(-6V)

图3-15-1 5G8038构成的压控振荡器

2． 由V/F器件LM331构成的压控振荡器

LM331为专用V/F变换器，即可进行V/F转换，也可以进行F/V转换。适用于作精密频率电压转换器、长时间积分器、A/D转换器、线性频率调制或解调等功能性电路。其主要指标如下： （1） 最大线性度：0.01%；

（2） 变换增益：典型值1.00KHz/V； （3） 满量程频率范围：1Hz~100KHz；

（4） 动态范围：10KHz满量程频率下最小值100dB；

（5） 增益温度稳定性：典型值 30ppm/ C；

（6） 小功耗：5V时为15mW；

（7） 脉冲输出与所在逻辑形式电路兼容； （8） 输入电压：0.2V ~ +VCC

图3-15-2为LM331的逻辑图与外形图。由恒流源、输入比较器和单脉冲 定时器等部分组成。

其工作原理如下，输入比较器的两个输入端，一个接输入电压Vin(7脚)， 另一个接阈值电压VN(6脚)，且常与1脚相连。当Vin>VN时，比较器启动单脉冲定时器，即发出单脉冲信号，驱动三极管T导通，同时接通恒流源对C充电，使VN上升。当VN上升至VN>Vin时，电流源断开，定时器自动复位；此时C通过R逐渐放电，直至VN降至VN<Vin为止，然后比较器再次启动定时器，开始下一个过程。如此往复，输出与输入电压成比例的脉冲频率。

电流源提供的电流I与2脚基准电压1.9V、外接电阻RS大小有关，即

I

1.9VR

S

3-15-2

压控振荡器

由于C的平均充电电流IC I t f，平均放电电流可得：

IC I t f

VNR

VinR

VNR

VinR

，故

由上式可求出输出脉冲频率f为：

f

ICI t

VinR I t

VinR

S

2.09CtRtR

3-15-3

式中，t=1.1RtCt为电流源的接通时间。通常输入电压Vin=1~10V时，输出频率为0~10KHz。

单脉冲定时器由RS触发器和一个外部RtCt网络构成的定时比较器组成。

C基准电压

地

定时Rx/Cx

fo

频率输出

阈值

比较输入

电流输出

VCC

（a）逻辑框图(b)外形图

图3-15-2 LM331压控振荡器(V/F变换器)

图3-15-3为由LM331构成的基本压控振荡器电路。2脚的电位器Rw1用来调节LM331的增益偏差和由Ct、Rt、R引起的误差以校准频率。输入控制电压Vin接7脚，并增加了由C1、R3组成的低通滤波器。滤波电容大多选0.1左右。3脚为频率输出端，驱动三极管T必须外接电阻RL，电流控制在1mA左右，如果后接TTL电路，则VL接+5V电源，R改变。

L

10K 。无要求时，可与VCC相连，RL相应

压控振荡器

VCC(+12V)

R20V)

R50fo

Z~8kHZ

R25.1图3-15-3 LM331构成的压控振荡器电路

在图3-15-3中，R

S

14K ，一般用一只固定电阻12K 和一只可变电阻5K

串联组成。为了保证精度和稳定性，R S最好选用金属膜电阻，Rw1的调节要细致，可选多圈电位器。Rt建议6.8K ，Ct 0.01 F，这样可求出R 100K ，取R 100K 。C建议用1 F聚苯乙烯，其它电容选瓷片电容即可。7脚电阻R3应与R相同。

直流输入电压可选信号源或采用图3-15-3中通过电源分压取得。电压变动范围以3脚

输出要求决定。最低输入电压不要小于0.1V，最高不超过10V。分压电路电流一般取0.1~0.5mA即可。例如，要求fo=1KHz~8KHz，则可求出电位器变化范围应不小于1V~8V范围。先确定分压支路电流为0.2mA，则总电阻R总

VCC0.2mA

12V0.2mA

60K ，即

R

1

R

w2

R

2

60K 。电位器Rw2调至最低端时，VinL

RR

2总

VCC 1V，则：

R

2

VinVCC

R

总

112

60K 5K 3-15-4

取标称值R2=5.1K ，同理，由VinH

R

2

RR

总

w2

VCC 8V即可求出

R

2

R

w2

VinHVCC

R

总

812

60K 40K

压控振荡器

故取R

w2

40 5.1 35K ，取R

w2

50K 。应该适当加大，保证调节范围。

最后，R1 60K 40K 20K ，确定好元件值之后，再进行一次验算，满足要

求即可，为了保证获得电压的调节细度，可选多圈电位器。 另一种方式先定Rw2，只要手头有10K ~50K 电位器一只即可。然后再求其它电阻值。

三．设计任务

1． 预习要求

（1） 预习有关压控振荡器的工作原理。

（2） 按要求，参考本实验中提供的两种电路类型，设计出一款压控振荡器。并

写出设计过程和调试步骤。

2． 设计要求

（1） 输出频率200Hz~2KHz连续可调正弦波，非线性失真系数 5%， 6V

双电源供电，可参考图3-15-1所示电路。

（2） 输出频率100Hz~10KHz且连续可调的脉冲波，要求可与TTL电路兼容，

单电源+12V供电。可参考图3-15-3所示电路。

（3） 设计5G8038和LM331的简易测量电路。LM331只做V/F变换测试。 3． 同学们可根据能力选择以上任一种方案设计。 四．调试步骤

1． 确保电路连接正确，正负电源端标志清楚。 2． 接上电源，测试各点电位，应正常。 3． 改变电位器，输出频率应有变化。

4． 测试V—F特性，自定输入点数及电压值，应均匀，列成表格，填入输出值，并绘

出V—F曲线，算出线性度

5． 最终确定符合要求的成型电路。 五．提示

设计要求中（3）应在熟悉原理的情况，参照图3-15-1和图3-15-3电路，进行简化后得到可行电路。应能方便测试V—F特性，但线性度要求并不高。 六．实验报告要求

1． 各点电位值或波形。

2． 符合指标要求电路的V—F特性测试原始值表格和绘出的曲线及分析。 3． 最终电路图。

4． 主要故障分析及讨论。 七．思考题

1． 举例说明5G8038和LM331还有哪些应用（可参考相应资料）。

2． 通过设计及调试，分析如果要提高5G8038输出正弦波质量还有哪些改进措施？对

于LM331，要使电压与频率间保持足够的线性度，还有什么方法？

八．仪器与器件

1． 仪器

双踪示波器 一台 多路稳压电源 一台 实验板 一块 2． 器件

压控振荡器

5G8038或LM331 10K电位器 100K电位器 1K电位器 50K和20K电位器 电阻、电容 导线 1只

1只 2只 1只 各1只 若干 若干