基于集成壓控振蕩器的調(diào)頻電路仿真分析

霍然，葉建芳

基于集成壓控振蕩器的調(diào)頻電路仿真分析

霍然，葉建芳

LM566是一種積分-施密特觸發(fā)電路型的單片集成VCO芯片，在調(diào)頻電路的教學(xué)中作為調(diào)制器和解調(diào)器，通過(guò)對(duì)其芯片的仿真，可以在軟件平臺(tái)形象的展示其工作特點(diǎn)，便于定量分析。由于Multisim元件庫(kù)里沒(méi)有LM566所需模型，為實(shí)現(xiàn)LM566在Multisim12仿真環(huán)境中的建模，首先，運(yùn)用Multisim元件庫(kù)中現(xiàn)有的基本元件模型，構(gòu)建LM566芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)；然后，對(duì)外圍調(diào)頻電路的靜態(tài)工作方式和動(dòng)態(tài)工作方式的分析；最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，給出的芯片模型能夠客觀(guān)的描述LM566的基本特性，為運(yùn)用該芯片完成包括調(diào)頻電路在內(nèi)的各種功能電路的仿真分析奠定了基礎(chǔ)，有效擴(kuò)展了Multisim仿真軟件的使用范圍，具有一定的借鑒意義。

仿真；壓控振蕩器；頻率調(diào)制；電子電路

0 引言

信號(hào)的頻率對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信的重要性不言而喻。信號(hào)調(diào)制可以將信號(hào)的頻譜搬移到任意位置來(lái)實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用，從而提高信號(hào)的傳送效率，使頻譜資源得到充分利用。

電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，頻率不斷向高端延伸致使系統(tǒng)性能復(fù)雜化，傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中采用的cut-and-try的方式早已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)，使得電子線(xiàn)路的設(shè)計(jì)人員能在計(jì)算機(jī)上完成電路的功能設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、性能分析、時(shí)序測(cè)試直至印刷電路板的自動(dòng)生成，其中包括印制板的溫度分布和電磁兼容性測(cè)試，代表著現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)潮流。本文通過(guò)研究及反復(fù)嘗試，準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)了集成壓控振蕩器芯片LM566在Multisim12仿真環(huán)境中的建模及調(diào)頻電路性能的仿真分析，仿真與測(cè)試結(jié)果表明，該模型客觀(guān)準(zhǔn)確的描述了芯片的基本特性。

1 Multisim12主要功能及其特點(diǎn)

Multisim12是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作[1]。該軟件包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，再結(jié)合了直觀(guān)的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。用戶(hù)可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫(kù)的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。

Multisim12具有如下特點(diǎn)：

（1）模擬和數(shù)字應(yīng)用的系統(tǒng)級(jí)閉環(huán)仿真配合Multisim和LabVIEW能在設(shè)計(jì)過(guò)程中有效節(jié)省時(shí)間[2]。既可對(duì)模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻（RF）電路的仿真功能。仿真失敗時(shí)會(huì)顯示出錯(cuò)信息、提示可能出錯(cuò)的原因，仿真結(jié)果可隨時(shí)儲(chǔ)存和打??；

（2）全新的數(shù)據(jù)庫(kù)改進(jìn)包括了新的機(jī)電模型，AC/DC電源轉(zhuǎn)換器和用于設(shè)計(jì)功率應(yīng)用的開(kāi)關(guān)模式電源；

（3）超過(guò)2000個(gè)來(lái)自于亞諾德半導(dǎo)體，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體，NXP和飛利浦等半導(dǎo)體廠(chǎng)商的全新數(shù)據(jù)庫(kù)元件；

（4）超過(guò)90個(gè)全新的引腳精確的連接使得NI硬件的自定制附件設(shè)計(jì)更加容易。

2 基于LM566的調(diào)頻電路

本設(shè)計(jì)的目的是為了進(jìn)一步了解壓控振蕩器和用它構(gòu)成頻率調(diào)制的原理，更加深刻的掌握集成電路頻率調(diào)制器的工作方法。并通過(guò)在Multisim仿真環(huán)境中完成LM566芯片的建模，有效擴(kuò)展Multisim應(yīng)用范圍，提高軟件應(yīng)用能力。

2.1 LM566芯片介紹

LM566是一種積分-施密特觸發(fā)電路型的單片集成VCO電路。其中，⑧腳接正電源，①腳接負(fù)電源（或地），②腳懸空，③腳輸出方波，④腳輸出三角波，⑤腳接輸入電壓，⑥腳接定時(shí)電阻，⑦腳接定時(shí)電容[3]。

2.2 硬件電路工作原理

調(diào)頻電路原理圖，如圖1所示：

圖1 調(diào)頻電路原理圖

系統(tǒng)采用+5V、-5V兩路直流電源供電，分別接到⑧腳、①腳。R3與一起組成了定時(shí)電阻，調(diào)節(jié)可改變定時(shí)電阻的數(shù)值。輸入（⑤腳）有兩種工作方式：一是靜態(tài)工作方式(⑤管腳連接C2所在之路的開(kāi)關(guān))，由⑤腳輸入直流電壓，輸出為未調(diào)載波；調(diào)節(jié)可改變載波頻率（周期）。二是動(dòng)態(tài)工作方式（⑤腳所對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)中間的開(kāi)關(guān)、兩邊的開(kāi)關(guān)接通），從IN端輸入的調(diào)制信號(hào)與R6上的直流分電相疊加，一起加入到⑤腳上，從而輸出為已調(diào)波[4]。本設(shè)計(jì)在R1端（即③管腳）獲取載波為方波的非正弦已調(diào)波，也可從R2端（即④管腳）得到三角波輸出。調(diào)制出來(lái)的頻率計(jì)算公式為公式（1）：

2.3 構(gòu)建Multisim仿真平臺(tái)

由于Multisim12仿真軟件的元件庫(kù)中沒(méi)有LM566，必須首先在Multisim12中構(gòu)建芯片的仿真模型。根據(jù)芯片廠(chǎng)商提供的Datasheet，建立的LM566 Multisim仿真模型，如圖2所示：

圖2 LM566仿真模型

3 電路性能的仿真分析

3.1 建立仿真平臺(tái)

平臺(tái)所用軟件：美國(guó)NI公司的Multisim12[5]；

仿真平臺(tái)所用到的元器件有電阻、電容、變阻器、三極管（PNP和NPN）、LM566；

仿真平臺(tái)測(cè)試儀器及參數(shù)包括：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，按照需要調(diào)整參數(shù)；頻率計(jì)數(shù)器（頻率計(jì)），靈敏度和觸發(fā)電平均為1V；雙蹤示波器，按照需要調(diào)整參數(shù)；萬(wàn)用表，調(diào)至電壓檔。

基于Multisim調(diào)頻電路的仿真原理圖，如圖3所示：

圖3 Multisim平臺(tái)電路圖

3.2 電路性能仿真分析

3.2.1 靜態(tài)輸出頻率特性

將LM566管腳⑥外接電阻和管腳⑦外接電容測(cè)量對(duì)管腳③、④輸出的方波、三角波頻率的影響：

首先，將2200pF電容C1與管腳⑦相連，變阻器和 15nF電容C2與管腳⑤相連，調(diào)使V5=3.5V，將頻率計(jì)接至管腳③，記錄當(dāng)RT（管腳⑥外接的總電阻值，下同）為最大和最小時(shí)的輸出頻率，并與理論值進(jìn)行比較，用雙蹤示波器觀(guān)察記錄RT為最小時(shí)方波及三角波的輸出波形[6]，如圖4～圖7所示：

圖4 調(diào)Rp2使V5=3.5V

圖5 RT為最大時(shí)，輸出的頻率

圖6 RT為最小時(shí)，輸出頻率

經(jīng)計(jì)算，仿真結(jié)果基本與理論分析吻合。

圖7 RT=Rmin時(shí)方波及三角波的輸出波形

3.2.2 直流電壓控制

表1 頻率隨電壓而改變

如圖8所示：

圖8 V5、f關(guān)系曲線(xiàn)圖

從圖8中可以看出，隨著輸入電壓的增大輸出頻率不斷減小。

3.2.3 交流電壓控制

仍將RP1設(shè)置為最大，斷開(kāi)⑤腳所接C2，輸入信號(hào)電路的輸出接至⑤腳，如圖9所示：

圖9 輸入信號(hào)電路

首先將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的正弦波調(diào)制信號(hào) em（輸入的調(diào)制信號(hào)）置為 f=5KHz，Vp-p=1V，然后接至輸入電路的IN端，用雙蹤示波器同時(shí)觀(guān)察輸入信號(hào)em和566管腳③的調(diào)頻（FM）方波輸出信號(hào)，觀(guān)察并記錄輸入信號(hào)幅度Vp-p和頻率 fm有微小變化時(shí)，輸出波形如何變化。Vp-p和 fm有微小變化時(shí)，輸出波形基本沒(méi)有影響[7][8][9]，如圖10和圖11所示：

圖10 輸入信號(hào)em和566管腳3的調(diào)頻方波輸出信號(hào)

圖11 輸入信號(hào)幅度Vp-p和頻率fm有微小變化時(shí)，輸出波形變化

可以看出，方波調(diào)頻信號(hào)在調(diào)制信號(hào)最小值波形較密，在最大值處波形較稀疏。這是調(diào)頻方波信號(hào)的特點(diǎn)，即已調(diào)信號(hào)頻率受到調(diào)制信號(hào)控制，在調(diào)制信號(hào)高電平處調(diào)頻信號(hào)頻率較大，正向頻偏最大；低電平處調(diào)頻信號(hào)頻率最小，正向頻偏最小[10][11]。

再將調(diào)制信號(hào)改為方波信號(hào)em，使其頻率fm=1KHz，Vp-p=0.35V，用雙蹤示波器觀(guān)察記錄em和566管腳③的調(diào)頻(FM)方波輸出信號(hào)，如圖12所示：

圖12 em和566管腳③的調(diào)頻（FM）方波輸出信號(hào)

由上圖可以看出，調(diào)頻方波的頻率變化不明顯，改變調(diào)制信號(hào)，將Vp-p改為1V，結(jié)果如圖13所示：

圖13 改變電壓，觀(guān)察變化情況

可以明顯的看出，調(diào)頻信號(hào)頻率受到調(diào)制信號(hào)控制，調(diào)制信號(hào)高電平處調(diào)頻信號(hào)頻率較低，低電平處調(diào)頻信號(hào)頻率較高[12]。

由以上仿真可以看出，調(diào)頻信號(hào)頻率受到調(diào)制信號(hào)控制，在調(diào)制信號(hào)高電平處調(diào)頻信號(hào)頻率較大，正向頻偏最大；低電平處調(diào)頻信號(hào)頻率最小，正向頻偏最小。方波調(diào)頻信號(hào)在調(diào)制信號(hào)最小值波形較密，在最大值處波形較稀疏。

4 總結(jié)

在Multisim仿真平臺(tái)上做出LM566的芯片內(nèi)部電路圖，從靜態(tài)輸出特性和動(dòng)態(tài)輸出特性?xún)煞矫娴姆抡娼Y(jié)果驗(yàn)證了在調(diào)頻電路下LM566的電氣特性。與其datasheet上的指標(biāo)基本吻合，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

用Multisim軟件設(shè)計(jì)電路，如同在實(shí)驗(yàn)室面包板上搭接電路，且不受元器件種類(lèi)、數(shù)量和測(cè)試儀器的限制。在學(xué)習(xí)及操作使用該軟件時(shí)，需要設(shè)計(jì)者不斷學(xué)習(xí)，才能掌握到其精華的所在。我們應(yīng)該在學(xué)習(xí)及應(yīng)用過(guò)程中，注意總結(jié)積累經(jīng)驗(yàn)。

[1] 黃志偉.基于NI Multisim的電子電路計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析[M].電子工業(yè)出版社,2009.

[2] 仇潤(rùn)鶴,葉建芳.通信電子電路原理及仿真設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社,2012.

[3] 曾凡,黃娟,李勇峰,張偉敬.基于Multisim的高通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真析[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013,21(2):108-110.

[4] 張愛(ài)英.基于Multisim的三極管放大電路仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(4):123-126.

[5] 褚麗娜左先章王瑾.Multisim在三角波發(fā)生電路教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2013,35(3):111-113.

[6] 張晶.基于multisim的電路設(shè)計(jì)與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真,2005,22(5):109-110,152.

[7] 王鑫榮.基于Multisim的《電子線(xiàn)路》教學(xué)模式研究[D].長(zhǎng)沙:湖南師范大學(xué),2011

[8] Li N., Zhou R., Hu Q.H., et al. Mechanical fault diagnosis based on redundant second generation wavelet packet transform, neighborhood rough set and support vector machine[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2012, 28: 608-621.

[9] W idodo A, Yang B S. Application of nonlinear feature extraction and support vector machines for fault diagnosis of induction motors [J]. Expert Systems with Applications, 2007, 33(1):241-250.

[10] TANG Jing-Lei, HE Dong-Jian, JING Xu, et al. Maize seedling/weed multiclass detection in visible/near infrared image based on SVM [J].; Infrared Millim. Waves, 2011,30(2): 97-103.

[11] 白玉成.基于MULTISIM仿真電路的設(shè)計(jì)與分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2010.

[12] 石冬梅.基于Multisim的虛擬電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南:山東師范大學(xué),2009.

FM Circuit Design and Simulation Analysis Based on Integrated VCO

Huo Ran, Ye Jianfang
(College of Information of Donghua University, Shanghai201620, China)

LM566 is a kind of Monolithic integrated VCO chips of integral – schmidt trigger circuit type. It plays the role of modulator and demodulator in the FM teaching. By simulation of its chip, the feature of its work can be vitally showed on the software platform, which is convenient for conducting quantitative analysis. Since there are not any models in the Multisim library that LM566 requires, in order to build up the LM566 modeling in Multisim12 simulation environment, the paper firstly establishes LM566’s chip internal structure. Then it analyzes the static and dynamic work of peripheral frequency modulation circuit.; it is indicated in the end that the chips model provided can objectively describe the basic character of LM566. It laids a solid foundation for chips using to complete simulation analysis of various functional circuit like FM and effectively expands Multisim’s range of application. So it has certain reference significe.

Simulation; Voltage-controlled Oscillator; Frequency Modulation; Electronic Circuit

TP391.9

A

2014.10.13）

1007-757X(2014)12-0051-04

霍 然（1991-）女，河南鄭州，東華大學(xué)信息學(xué)院，碩士研究生，研究方向：無(wú)線(xiàn)通信電路，上海，201620

葉建芳（1964-）女，浙江金華，東華大學(xué)信息學(xué)院，副教授，研究所導(dǎo)師，研究方向：射頻電路，上海，201620