清华压控振荡器实验报告
电子电路实验模电部分期末考试实验报告
压控振荡器（VCO）
实验者：2006010989 电64赵敏
实验日期：2008年12月31日
实验组号：AM63 26组
一、实验内容
1．设计制作一个压控振荡器（VCO），参考电路如下图。要求输出锯齿波（v O1）的幅度（峰-峰值）约为10V。
2. 在实验室安装、调试电路，使之正常工作，之后完成下列测试（具体测试项目考核时由教师指定）。
（1）观察压控作用，即改变V I测量相应的输出信号频率f。（自选3个测量点）
以下测量在指定控制电压V I（课内考查时公布）下完成。
（2）测定输出锯齿波扫描（正程）时间。
（3）测定输出锯齿波的频率。
（4）测定输出矩形波的平均脉宽。
（5）测定输出矩形波的上升时间。
（6）测定输出矩形波的脉冲幅度。
（7）改变电路中某个元件参数，使锯齿波峰－峰值为6V，写出该元件名称及改变后的参数值。
（8）V I改成–12V，修改电路，调出输出波形。
二、理论分析与预习计算
1. 理论分析
整个电路前面是一个积分器，后面是一个滞回比较器。输入的直流电压V>0 。
当A2的输出电压V O2为负的最大值-U M （运放输出的负极值，大约为-11V ）时，根据A1“虚短”“虚断”，A1反相输入端的电位近似为0，二极管D 导通，电流I=
2
M D
U U R （U D
为二极管D 的导通压降）从V O1经电容C 、电阻R 2、二极管D 流到V O2（此时i I =
1
I
V R 也从V I 经C 流到V O1，但i I <
3
4
R R U M ），再稍大一点，V O2立刻跳变为正的最大值+U M （运放输出的正极值，大约为11V ）。于是二极管D 截止，仅有i I =
1
I
V R 也由V I 经C 流到V O1，使V O1降低，即积分器对i I 积分，应下图中T 2时间段。当V O1减小到滞回比较器负的阈值电压- U T 时，再稍小一点，V O2立刻跳变为负的最大值-U M ，重复上面的过程，电路产生自激振荡。由于T 1<< T 2，则可以认为振荡周期T= T 1+ T 2≈T 2。
综上，V O1为锯齿波，V O2为矩形波，周期均为T= T 1+ T 2≈T 2，如下图所示。
根据前面的分析，在锯齿波的正程（上升段）时间T 1内，积分电路电流主要对
I=
2
M D
U U R -积分，使V O1由-U T 上升到+U T ，则有 121
2M D T U U T U R C
-=
解得212T
M D
R CU T U U =
-①
其中，±U T 为滞回比较器的阈值电压，可以算得±U T =±
3
4
R R U M ，代入①有 2314
2()M
M D R R CU T U U R =
-②
而在锯齿波的逆程（下降段）时间T 2内，积分电路电流对i I =1
I
V R 积分，使V O1由+U T 下降到-U T ，则有
211
2I T V T U R C
= 解得122T
I
R CU T V =
③
将±U T =±
3
4
R R U M 代入③有 1324
2M
I R R CU T V R =
④
由于T 1<< T 2，则可以认为振荡周期T= T 1+ T 2≈1324
2M
I R R CU T V R =
⑤，即振荡频率f
421311
2I M
V R f T T R R CU =
≈=
⑥ 从而整个电路达到了输入电压V I 对频率f 的控制，因此称为压控振荡器（VCO ）。
2. 预习计算
由于要求锯齿波V O1的峰—峰值约为10V ，根据前面的分析，锯齿波V O1的峰峰值为
2U T ，所以
U T =
3
4
R R U M =5V ⑦ 根据前面实验的结果，认为运放输出电压的极值U M 约为11V ，若选取R 4=20k Ω，则
435520
9.0911
M R R k U ?=
==Ω 根据①式212T
M D
R CU T U U =
-，近似认为U D 为0.7V ，代入数值，有
3126121010330010532.041032.04110.7
T s s μ--?????==?=-
（当然也可以根据②式2314
2()M
M D R R CU T U U R =
-来算）
下面我们来算一下输入电压V I 对T 2以及振荡频率f 的影响。
如果V I =12V ，根据③式122T
I
R CU T V =
，代入数值，有 312622150103300105412.510412.512
T s s μ--?????==?=
621112424412.510
f Hz T T -=
≈==? 如果V I =3V ，根据③式122T
I
R CU T V =
，代入数值，有 312322150103300105 1.6510 1.6516503
T s ms s μ--?????==?==
3
2111606.11.6510f Hz T T -=
≈==? 如果要使锯齿波V O1峰－峰值为6V ，即使U T =3
4
R R U M =3V ，可以改变R 3（当然改变R 4也可以），有
433320
5.4511
M R R k U ?=
==Ω 如果输入电压V I <0，只需将二极管反向，还是一个压控振荡器。 三、仿真 1. 输入电压V I >0
DIODE_VIRTUAL
V I =12V 时，输出V O1为锯齿波，如下图所示
输出V O2近似为矩形波，如下图所示
可以看到，仿真结果输出的波形和理论分析的一致，但是锯齿波V O1峰峰值比10V大一些。
仿真时，减小R3至6kΩ，才有锯齿波V O1峰峰值为10V，如下图所示
下面，我们还是取R3按理论计算的R3= 9.09kΩ仿真观察输入电压V I对频率f的影响。
①V I=12V
②V I=9V
③V I=6V
④V I=3V
可见，随输入电压V I的减小，电路自激振荡的周期T增大，自激振荡的频率f随之减小，电路成功地实现了输入电压V I（V I>0）对电路自激振荡的频率f的控制。
2. V I<0，只需将二极管反向，还是一个压控振荡器。电路图如下图所示，
输出波形如下：
经仿真检验，该电路同样能实现输入电压V I（V I<0）对电路自激振荡的频率f的控制。
四、调试步骤与方法
1. 搭电路前，首先检测实验用到的所有芯片以及二极管是否是好的。
2. 由于器件参数具有分散性、器件实际参数值与设计计算时存在差距（例如电阻、电容实际阻值与标称值存在差距；运放A2的输出电压正的最大值和负的最大值一般不对称，而理论计算时A2的输出电压正的最大值和负的最大值分别是+U M 和-U M ，约为+11V 和-11V ，实际上运放A2的输出电压正的最大值一般不是+11V ，负的最大值也一般不是-11V ），实际实验时电路图中R 3选用滑动变阻器，来调整电路参数，以使输出锯齿波峰峰值约为10V （6V ）。以使输出锯齿波峰峰值约为10V 为例，实验中有关参数可按如下步骤如下选定： ① R 3选用滑动变阻器（总阻值47k Ω），R 4选器件盒中标称值为20 k Ω的电阻，输入直流电压V I 为老师指定的。
② 实测运放A2的输出电压正的最大值V OH 和负的最大值V OL ，记U M =（V OH +V OL ）/2 ③ 实测R 4的阻值
④ 调节滑动变阻器，使4
35M
R R U
实验中观察到输出锯齿波后，再微调滑动变阻器，使输出锯齿波峰峰值约为10V 。 当然，简单起见，上述①后，可以先调节滑动变阻器，使R 3为设计计算时的值（9.09k Ω），观察到输出波形，然后再调节滑动变阻器，使输出锯齿波峰峰值约为10V （从示波器上观察）即可。
3. 如果用示波器观察不到输出波形，首先检查实验箱的相关电源是否全部打开，运放是否接了电源，选择的集成芯片是不是运放，运放有没有插反，运放的同向输入端和反向输入端是否接反，还有导线是否都插好了，有没有松动等等。
然后，再用示波器或万用表按一定顺序检查电路关键点处的电压，找出问题所在。
期末实验考试——压控振荡器原始数据表格
2006010989 电64 赵敏（1）观察压控作用，即改变V I测量相应的输出信号频率f。（自选3个测量点）
下面指定控制电压V I=
测定：
（2）测定输出锯齿波扫描（正程）时间。
（3）测定输出锯齿波的频率。
（4）测定输出矩形波的平均脉宽。
（5）测定输出矩形波的上升时间。
（6）测定输出矩形波的脉冲幅度。
（7）改变电路中某个元件参数，使锯齿波峰－峰值为6V，写出该元件名称及改变后的参数值。
（8）V I改成–12V，修改电路，调出输出波形。