压控振荡器电路

顾名思义，压控振荡器或VCO电路是一种振荡器电路，其输出频率可通过可调控制电压输入进行控制或改变。这意味着，如果输入控制电压增加，输出频率将成比例增加，反之亦然。

如果控制电压连续上下变化，则输出频率也会相应增大或减小，以响应控制电压电平的变化幅度。

就像任何其他VCO电路，在下面讨论的电路中，输出频率是由施加的控制电压水平决定的。

主要特征

• 这种VCO设计的主要优点是，它具有很宽的控制电压范围，从0 V一直延伸到最大正电源电压限制。电源电平可以是+3V到+25V之间的任意值。
• 此外，这种压控振荡器(VCO)被设计成同时产生三角波和方波输出信号。

零件清单

• R1, r5, r6 = 100k
• R2，R3，R4=47K
• R7 r8 r9 r10 = 10k
• C1 = 47 nF
• T1 = BC547
• A1, a2 = lm358

尽管如此，用户在使用低电压输入时必须小心，并确保最高输入电压水平至少比电源电压低1.5 V。

电路是如何工作的

电路使用“积分器/比较器”原理来工作。电容C1构成积分器的一部分(围绕opamp A1设计)，它使用由施加控制电压的瞬时电平确定的恒流源充电。

因此，A1输出电压线性下降。比较器输出(使用A2构建)改变状态，晶体管T1开始导电，一旦比较器的底部开关阈值达到。

此时电容器C1放电，触发A1输出增加（同样，该上升电压本质上是线性的）。动作重复，当A1输出扩展到比较器的开关上限时，它关闭T1。

如果R2和R3值相同（R2=R3），且R1的值是R4的两倍（R1=2 x R4），则输出电压控制频率的占空比将为50%。

R9和R10之间的关系对三角形直流输出电压的水平负责。

关于示意图中显示的R9/R10值，三角形直流电平可能为电源电压的1/2。可通过求解以下方程式确定峰间输出电平：

（Vpp）=R5/（R5+R6）x Vin

控制电压，电源电压关系

所提出的压控振荡器或使用一对(普通)电源电压的压控振荡器的特性可以在下面的图表中看到。

当两个电源输入在幅值上相等（Vin=Vc）时，可通过相应地选择较低或较高的C1值来增加或减少电路可达到的最大频率。关于运算放大器的转换速率，方波信号的垂直角可能会随着频率的升高而下降。

VCO采用IC 7555

还可以使用resolute IC 555和一些其他辅助组件构建一个整洁的小型压控振荡器，如下所示：

电容器C1的放电过程是电压控制的。这是由IC2内部放电晶体管控制的快速充电脉冲实现的。

为了理解工作，想象定时器IC2的引脚3输出最初是低的，放电晶体管引脚7是开关ON，拉电流通过R6激活晶体管TR3。这个特殊的晶体管保持晶体管TR2基在正电源电压。这保证了它被关闭。

因此电容器C1可以通过R4开始放电，放电速率由TR1集电极电流决定。当C1上的电压下降到大约1/3电源电压水平时，IC555输出变高。同时，放电晶体管和TR3也关闭，这意味着电流通过R3激活TR2, TR2开始通过R4充电C1。

当C1上的电压达到电源电压的2/3时，IC2再次改变状态，循环不断。晶体管的一个功能特性是，几乎所有流向发射极一侧的电流都从集电极返回。有少量电流从基极流出，但通常情况下，这是非常小的。

由于发射极电压跟随施加的基极电压，扣除约0.6伏的基极/发射极正向降，这个电压输出使您能够用这个电路控制发射极电阻R2上的电压。因此晶体管的基极电压控制集电极电流，产生电压控制的电流源。

控制电压可以直接施加在晶体管TR1基上，以控制电路中的频率输出。

使用IC 555运算放大器

在另一种情况下，如果运放与下一个图中所示的晶体管一起使用，那么R2上的电压可以准确地跟随输入电压，运放将自动开始补偿发射极基极电压下降以及由于温度变化造成的差异。由此产生的输出频率控制范围可以从零开始，而不是0.6伏。

设计这个基于IC555的VCO电路所需的计算可以像简单的固定频率电路一样简单，这意味着只需要遵循几个规则。电阻R4的值必须相对较低的R2的值。

总要有足够的电压通过tr1使其工作，因此输入不能通过低于1/3电源电压的1v值。这种特殊的压控振荡器电路很容易受到电源电压变化的影响，因此应该严格调节电源。

一旦确定了最大控制电压范围，则每个单周期放电元件的周期可由公式计算:

t=（C x R x E）/V

这里C表示定时电容C1, R表示发射极电阻R2, E表示电源电平的1/3,V表示R2的电压。

对于上式的结果，我们需要加上循环的充电部分所花费的时间:

t=0.7 x C1 x R4

这两个元素合起来为每个周期提供了完整的周期，因此，通常的做法是，它们的倒数提供了等效的频率。用9v电源输入指示部分值，电路产生从0hz到大约1khz的频率响应响应0到2伏的输入控制电压。

输出频率由100 us宽度的正脉冲组成，使用最基本的输出缓冲级(可能只有一个BJT级)，对于在小扬声器上产生大范围的噪声非常出色。使用C1作为1 nF电容器，它提供大约9 kHz的输入电压范围，使用比例更短的输出脉冲。

哪些opamp是合适的

请记住，如果运放是按照上面的VCO电路图所示，它必须是一种具有输入和输出额定工作到负电源电压的类型。IC CA3140作为指示是可接受的，一些其他可能的变体可能是CA3130，或从IC CA3240的一个运放，LM358或LM324。

其他各种晶体管也可以很好地工作，而不是在图中显示的一个，只要这些组装与适当的极性。

这种IC 555压控振荡器电路的实际用途可能不是广泛的，可能只限于一般与音频相关的工作，但设计非常便宜，直接和相当稳定的规格。

使用IC7556

在前面的电压控制振荡器电路、晶体管被用来提供一个稳定的电流和反向放电信号从一个计时器IC。展示什么是可能的,这是一个VCO设计使用一个运放积分器代替定时电容电流源,加上一个IC7556双重定时器进行反演。运放积分器包括两个输入端:一个是非反相的，通常连接到参考电压;另一个是反相的，通过电阻连接到输入电压，输出端由电容提供负反馈。

运放利用反馈使反相输入的电压与非反相输入的电压保持一致，在电源电压的范围内。

如果给输入电阻一个恒定的电压，通过它的电压将等于这个电压和参考电压之间的差，从而产生流入输入的恒定电流。这个电流给反馈电容充电。因此，运放输出电压以一个稳定的速率变化，以保持逆变输入电压恒定。

当输出超过定时器IC的输入限制时，可以通过改变输入电压极性来实现振荡器。一个小障碍是积分器的输出是相反的，正输入下降，负输入上升。

必须有一个极性反转在某一点，以建立一个工作振荡器与反相IC7556。双运放是实现这一目的的一种方法，后者将第一个运放的输出反相。然而，这需要增加至少两个额外的电阻，这可能会影响电路的频率。

一个更好的解决方案是使用两个定时器，第二个定时器作为第一个输出的逆变器。图1.5描述了以这种方式工作的电路。IC1是积分器，其电阻R3和R4提供的参考电压约为其非反相输入引脚3的电源电压的1/3。

当第二个定时器的放电晶体管引脚13关闭时，大于提供给电阻器R1的参考电压将使IC1的输出以输入电压和Rt、R2和电容器C1的值指定的速率下降。第一个定时器在接近电源电压的1/3时切换状态，输出引脚5变高。

因为这是连接到第二个定时器的输入，引脚8和12，这是现在的输出变得低，放电晶体管，引脚13，被打开。积分器的输出开始增加，因为它有一个明显的负输入，大约是连接到R2的电源的1/3。当它达到电源电压的2/3时，两个定时器再次交换状态，并继续这个过程。周期第一部分的时间计算如下:

t = C x R x V / E

式中C为C1, R1为R1+ R2, V为电源电压的1/3,E为输入电源电压。

在这种情况下，可使用类似方程式计算循环第二部分的时间。由于R本身为R2，且V和E的值几乎相同，因此可按如下方式计算时间：

t=C1 x R2

VCO采用CA3130集成电路

即使这种压控振荡器只使用一对CA3130运安，它仍然能够表现出远优于0.5%的电压/频率线性转移特性，而其温度系数仍然低于0.01%/°C。

电路的工作原理可以通过以下几点来理解：IC1的工作原理类似于电压控制的多谐振荡器。假设IC1输出电压在开始时为+15 V，C1通过时间常数组件（R4+P1）C1开始通过D3、R4和P1充电。

C1持续充电，直到IC1反相输入的电势超过非反相输入的电势。暂时忽略二极管D1和D2，我们得到大约10v，由电阻分压器网络R1, R3和R2固定。

现在，IC1输出立即切换至0 V，并且由于R3呈现的滞后，IC非反相输入处的电势下降至约5 V。

接下来，电容C1通过IC2输出开始放电，放电速率取决于电阻R7的值，并通过IC2的输出电压。这将一直持续到IC1逆变输入端的电位降至5v以下。一旦发生这种情况，IC1输出立即再次变为+ 15v，这个循环继续重复。

因此，IC1输出产生的波形呈现出一列时间间隔(T2)恒定的正脉冲，其脉宽(T1)由IC2输出电压决定。

电阻R6和电容负责对IC1输出电压进行滤波，提供一个相当于IC1波形平均值的直流电压(V2)，可以用公式表示:

V2 = 15 x T2/T1

假设T2是常数，V2将与1/T1成比例，这意味着它将与IC1产生的输出频率成比例。控制电压V1被馈送到IC2的反相输入端，它像一个集成比较器一样被连接起来。

当V1低于V2时，导致IC2输出产生正斜坡。这反过来会导致C1以缓慢的速率放电，导致T1时间间隔变长，V2减小。

当V1高于V2时，IC2输出产生一个负斜坡(即零方向)，迫使C1放电更快，T1降低。

如果V1和V2相同，IC2的电压保持不变。因此，当V1 = V2时，VCO电路总是趋向于获得一个平衡。

也就是说，考虑到V2和IC1的输出频率是成比例的，也就是说，假设V1和V2相同，IC1的输出频率也与输入电压V1成比例。一些小的改进包括提高电压控制振荡器的温度稳定性。

D3和D4的温度系数可能通过改变C1的充电和放电周期而导致故障，因此，通过将具有类似特性的二极管与电阻器R3串联，调整其影响，以使IC1的非反相输入处的参考电压具有等效的反向偏差。

预置P2可以调节IC2的偏置电压为零。预置的P1允许转换比的分钟调整，通过指示值可以大约1 kHz/伏特

精密压控振荡器电路

简单线性VCO电路

下一个图描绘了另一个简单的线性VCO。在设计中可以看到两个缓冲输出，一个三角形波和一个方波。同样，振荡频率由施密特触发器的输出电压变化IC2决定。当提供稳定的电源时，这个电路表现得很好。

Q1可以用开关FET代替，以提高工作性能。由此消除了由饱和电压和存储时间触发的劣化。高速FET运算放大器也能提高高频性能。