Transcript f - 國立宜蘭大學

單元三 壓控震盪器(VCO)
Wireless Communication Network Lab.
曾志成
國立宜蘭大學 電機工程學系
[email protected]
http://wcnlab.niu.edu.tw
註：本教材主要是修改自「通訊系統實驗」作者趙亮琳與范俊杰教授所提供之教學資
源
教學目標
Wireless Communication Network Lab.



了解壓控震盪器 (Voltage Controlled Oscillator
，VCO)的特性。
了解壓控震盪器電路的原理。
熟悉壓控震盪器電路的應用。
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2
教學大綱
Wireless Communication Network Lab.




了解壓控震盪器的分類。
了解CD4046壓控震盪器的原理與特性。
(optional)
了解XR2206壓控震盪器的原理與特性。
測量XR2206之VCO特性。
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3
原理說明 (1/2)
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

壓控振盪器(見圖 3-1)不同於一般振盪器之處
在於它的振盪頻率f是由輸入電壓v所控制，而
一般的振盪器則無需輸入電壓。
典型的VCO特性曲線如圖 3-1(b)(c)，大致可分
兩大類：
• 正相型(例：CD4046)：如圖 3-1(b)所示。
• 電壓v=V2時，頻率f=f2 。
• 電壓越大，頻率也越大。
• 電壓超過V3，頻率維持在fMAX 。
• 電壓低於V1，頻率維持在fMIN 。
• 反相型(例：XR2206)：如圖 3-1(c)所示，電壓越大
其頻率反而越小。
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原理說明 (2/2)
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f
v
VCO
f
f
f MAX
f MAX
f2
f2
f MIN
f MIN
V1
(a) 方塊圖
V2
V3
(b) 正相型 VCO 特性曲線
v
V1
V2
V3
(c) 反相型 VCO 特性曲線
圖 3-1 壓控振盪器
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5
v
CD4046之電路說明 (1/3) (optional)
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+ 12V
VDD
16
14
2
3
Vo
VCO out
13
4
Phase
6
C omp.II
1
C1
200p
50k
R1
R2
100k
9
7
VCO
11
Vi
VCO in
12
Sour ce
10
Fol lower
5
I nhibit
CD4046
Vss
8
15
圖 3-2 CD4046之VCO電路
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6
CD4046之電路說明 (2/3) (optional)
Wireless Communication Network Lab.


本實驗的第一部分將測量CD4046之VCO特性，
電路如圖 3-2所示。
CD4046之VCO特性如圖 3-3，其重要特性如下：
• 輸出波形為方波。
• 當輸入電壓等於VDD/2時( 註：VDD為其電源電壓 )，
•
輸出頻率為fC，稱為中心頻率。
輸出頻率介於fMAX~fMIN之間， fMIN由R2C1決定，越
大則fMIN越小，而fMAX/fMIN則由R2/R1所決定，R1越大
則fMAX越小，連帶使中心頻率也越小。
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CD4046之電路說明 (3/3) (optional)
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f
f M AX
fC
f M IN
V DD /2
V DD
v
圖 3-3 CD4046之VCO特性圖
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XR2206之電路說明 (1/3)
Wireless Communication Network Lab.

本實驗的第二部分將測量XR2206的VCO特性，電路如
圖 3-4所示。
1
16
0.1u
15
2
Vo
+12V
39k
5.1k
+1
Mul ti pli er
Si ne
3
220
14
&
13
s haper
+12V
+
10u
5.1k
4
GN D
+V c c
5
C
6
12
11
VC O
10
+
0.001u
1u
15k
V1
7
Rc
8
R
V2
C urr ent
Switch
9
V3
XR2206
5k
2.2k
R2
0.1u
圖 3-4 XR2206 VCO實驗電路
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XR2206之電路說明 (2/3)
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
圖 3-4之VCO電路有下列三種用法：
• 以輸入電壓V1直接控制輸出頻率：將V2及V3open，
則頻率f如(3-1)式。
f = f0  (2.2×104)V1 Hz
式中之 f 0 
(3-1)
1
，可由R調整之
( R // RC )C
• 以輸入電壓V2之AC成分控制頻率：將V1及V3 open，
則頻率f如(3-2)式
f = f0  (2.2×104)V2a Hz
(3-2)
式中之f0=1/RC，可由R調整之。V2a為V2之AC成分。
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XR2206之電路說明 (3/3)
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• 以V3之High、Low控制頻率：將V1及V2 open，則頻
率f只有下列兩種：
• 當V3為High (V3>2V或V3 open)時， f0=fH=1/RC，可由R調
•

整之。
當V3為Low (V3<1V)時， f= fL≈370 kHz
【註】上面所列f的計算式只有在頻率數十
kHz之內較準確，當頻率較高時，會有較嚴重
的誤差，不過相對的關係 (如R越大f越小之類)
仍屬正確。
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XR2206特性簡介 (1/3)
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

本電路可用於FM調變及FSK調變，也可做為
一個普通的振盪器使用，其輸出波形一律為弦
波。
用於 FM 調變時，輸入端有下列兩種接法：
• 直接耦合：將輸入信號接至FM in(dc)端(V1)，其它
輸入端FM in(ac) (V2)及FSK in (V3)必須懸空(open)。
此時輸出弦波之頻率 f 與輸入電壓V1的關係為
f = f0  (2.2×104)V1 Hz
(3-3)
1
式中之 f 0 
，可由R調整之。
( R // RC )C
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XR2206特性簡介 (2/3)
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• 電容耦合：將輸入信號接至FM in(ac)端(V2)，其它
輸入端FM in(dc) (V1)及FSK in (V3)必須懸空。此時
之輸出頻率f與輸入電壓(V2)之關係為
f = f0  (2.2×104)V2a Hz
(3-4)
1
式中之 f 0 
，可由R調整之，V2a代表V2之AC成
RC
分。
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XR2206特性簡介 (3/3)
Wireless Communication Network Lab.

用於FSK調變時，將輸入信號V3接至FSK in端，
其他輸入端 FM in(ac) (V1)及FM in(ac) (V2)必須
懸空。此時輸出頻率f與輸入V3之關係如下：
• 當V3= High(V3 >2V)時，f=fH=1/RC，可由R調整之。
• 當V3= Low(V3 <12V)時，f=fL=1/R2C 。

當做普通振盪器使用時，將所有輸入端懸空，
此時之輸出頻率f=1/RC ，可由R調整之。
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XR2206電路分析 (1/9)
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

在以下的分析中，我們將電路分成與波形有關
的部分和與頻率有關的部分等兩大部分來分析。
輸出波形：電路中與輸出波形有關的部分如圖
3-5 所示，茲分述如下：
1
Out
16
0.1u
15
2
Vo
+ 12V
R3
5.1k
10u
14
&
Si ne
3
13
s haper
39k
+
5.1k
+1
Mul ti pli er
GN D
+V cc
VC O
圖 3-5 決定輸出波形之電路部分
C urr ent
Switch
XR2206
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220
XR2206電路分析 (2/9)
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• XR2206的pin 2輸出波形可為弦波或三角波，
若pin 13、14之間斷路，則為三角波，若
pin 13、14之間接上約200 Ω的電阻則為弦波，
所以本電路輸出為弦波。
• pin 2波形的直流成分約等pin 3的直流電壓，
在本電路中該直流電壓等於6 V，所以在pin
2串接一個電容以濾除該直流成分。
• 輸出振幅由R3控制，R3越大振幅越小。由於
本電路著重在輸出之頻率，故R3乃選用定電
阻。
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XR2206電路分析 (3/9)
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
輸出頻率：與輸出頻率有關之電路部分如圖 36所示，茲分述如下：
+1
Mul ti pli er
&
Si ne
s haper
+V cc
5
C
0.001u
FM in
(dc)
I7
15k
V1
I8
Rc
R
V2
FM in
(ac)
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6
7
8
VCO
Cur r ent
9
Swi tch
XR2206
5k
2.2k
R2
0.1u
圖 3-6 決定輸出頻率之電路部分
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FSK in
V3
XR2206電路分析 (4/9)
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• 輸出頻率如下式，主要是由電流I所控制。
f = I /3C
• C是跨於 pin 5、pin 6間的電容
• I是pin 9之電壓V3所決定：
(3-5)
• 當V3為High (V3 > 2V或open)時，I = I7 (由pin 7流出之
•
•
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電流)。
當V3為Low (V3 < 1V)時， I = I8 (由pin 8流出之電流)。
pin 7及pin 8之電壓固定為3 V，所以I8=3V/R2。
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XR2206電路分析 (5/9)
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
FM調變(直接耦合)：當V2及V3 open時，pin 7
之電路如圖 3-7(a)，由重疊定理(superposition)
可推導得
V1
3V
I7 

R // RC
RC
(3-6)
又因為V3open，故I = I7，所以
I7
V1
1
f 


 f 0  (2.2  104 )V1
3C ( R // RC )C 3CRC
式中之
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f0 
1
( R // RC )C
(3-7)
，可由R調之。
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XR2206電路分析 (6/9)
FM in
(dc)
V1
FM in
(ac)
I7
15k
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V2
Rc
R
5k
Rc
3V
(a) FM 調變 ( 直接耦合 ) 時
I7
15k
R
3V
5k
(b) FM 調變 ( 電容耦合 ) 時
I7
15k
Rc
R 5k
3V
圖 3-7 XR2206 I7之計算
(c) FSK 調變時
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XR2206電路分析 (7/9)
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
FM調變(電容耦合)：當V1及V3 open 時，pin 7
之電路如圖 3-7(b)，由重疊定理可推導得
3V V2 a
I7 

R RC
又V3 open，故 I = I7，所以
I7
V2 a
1
f 


 f 0  (2.2 104 )V2 a (3-8)
3C RC 3CRC
• V2a為V2之 AC 成分。
• f0 = 1/RC，可由R 調整之。
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XR2206電路分析 (8/9)
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
FSK調變：當V1及V2 open時，pin 7之電路可簡
化成圖3-7(c)，所以I8 = 3V/R2，其頻率只有下
列兩種：
• 當V3 = High時，I = I7，所以
I7
1
f  fH 

3C RC
(3-9)
• 式中之fH代表V3為High時的頻率，可由R調整之。
• 當V3 = Low時，I = I7，所以
f  fL 
I8
1

 455 kHz
3C R2C
• 式中之fL代表V3為Low時的頻率，可由R調整之。
• 【註】實際測得之fL約為 370 kHz。
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XR2206電路分析 (9/9)
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• 當一般振盪器使用時： V1、 V2及V3均 open，
其狀況和FSK之V3 = High時一樣，故頻率之數
學式和 (U3-7) 一樣，即f = 1/RC，可由R調整之。
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提醒事項
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

請從步驟6開始進行。
如何提供-4, -3, -2, -1, 1, 2, 3, 4這些直流
電壓？
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單元回顧
Wireless Communication Network Lab.
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
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


壓控震盪器的特性。
壓控震盪器的分類。
壓控震盪器電路的原理。
壓控震盪器電路的應用。
CD4046壓控震盪器的原理與特性。
XR2206壓控震盪器的原理與特性。
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