新工科高校电路实验课改革之——一种特殊的鉴频器

崔建国,宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

在一般电路实验或电路设计中，获得某一固定频率的振荡信号并不困难，若希望修改电路的振荡频率，通常通过修改电路的阻容网络的时间参数τ值来实现，τ=R*C，故可以通过修改电阻值改变时间参数τ，也可以通过修改电容量来修改时间参数τ。

这种调整振荡频率的办法在实际工业控制中并不实用,比如在自动化控制领域，通过修改某一电容量或电阻值调整输出信号频率很不方便,因为在工业化自动控制中的控制或被控参数往往都是电压值或电流值,故可以利用压控振荡器来实现振荡频率的调整[1]。

若希望压控振荡器的振荡频率稳定度要求较高，可以利用鉴频器来实现对压控振荡器的控制[2]。

在自动控制系统理论中，有这样一种情况，若希望压控振荡器电路的输出信号的频率必须同步跟踪某一输入信号的频率，但是这个输入信号的频率并不像上述的基准频率一样固定不变，而是随机变化的。

可以设计这样一种频率比较器电路，该电路的输出电压值将是随机输入信号频率和压控振荡器频率的函数，比较器输出电压值若恰好是我们所希望的基准值(+6V)，说明压控振荡器的振荡频率已经紧密跟踪输入信号频率，若偏离基准电压值，该电压值将引入到压控振荡器控制端，则可对振荡器进行自动频率控制或跟踪，使其振荡频率与另一端的随机输入信号频率相一致。

这种特殊的鉴频器电路实验，是多种基本电路实验的结合，符合当前形势下新工科实验课程改革：紧密服务于社会。

1 频率比较器电路

在本文介绍的频率比较器电路中，我们所希望的基准电压UC可以由随机输入信号频率f1与压控振荡器频率f2比较而得到，电气原理如图1所示。

图1 频率比较器

从图1可以看到，该频率比较器电路包括随机信号输入电路，随机信号端二极管泵电路，基准电容放电电路，基准电容电路，基准电压形成电路，基准电容充电电路，压控振荡器端二极管泵电路，压控振荡器信号输入电路等。

该设计的基本原理简单描述如下：频率比较器电路有两个输入信号f1、f2，且比较器电路将对两个输入信号比较，随机输入信号f1通过输入电容C01，电阻R01、R1进入频率比较器电路，该随机信号将通过随机信号端二极管泵电路，基准电容放电电路使基准电容C1部分放电；而压控振荡器输出信号f2通过输入电容C02，电阻R02、R6同时进入频率比较器电路，f2信号将通过压控振荡器端二极管泵电路、静态基准电压形成电路(即R3、R4)、基准电容充电电路对基准电容C1充电，实现了阻止基准电容C1放电的目的。

所以这个基准电容C1上的平均电荷(即我们所希望的基准电压)，将是两个输入信号f1、f2频率的函数，该基准电压是两个输入信号f1、f2频率比较的结果，将反映两个输入信号f1、f2频率是否相等。

在静态时，即两个输入端皆没有信号输入时，晶体管T2、T3皆关断，供电电源12V通过分压电阻R3、R4组成的分压器对基准电容C1充电到电源电压的一半即6V。

1.1 随机信号端二极管泵电路的功能

一旦有随机信号加到晶体管T1的基极时，随机信号的幅值足够为T1的发射结提供导通电压，T1的集电极-发射极导通，T1的集电极电压突然反转为“0”电平，基于电容端电压不能突变的特性，该“0”电平将由电容C2、二极管D1组成的电路转换成一个负脉冲触发信号，即电容C2的右端电位或二极管D1正极由0V反转为一个小于“0”(瞬时值大约为-12V)的触发负脉冲，要注意这点。

随着f1随机信号的瞬时值不断变化，晶体管T1将按照输入随机信号的频率不断处于导通和关断状态，所以通常可以将晶体管T1、T1集电极偏置电阻R2、耦合电容C2、放电二极管D1组成的电路形象地称为“二极管泵电路”[3]。

之所以将这个电路取名叫“泵电路”，是因为它的作用能在晶体管T2的发射极端产生一连串与输入随机信号频率对应的触发负脉冲，这些负脉冲将被用来控制晶体管T2的发射极与集电极导通，一旦T2导通，基准电容所存储的电荷将通过T2、D1放电，随着f1信号的下一个脉冲到来，基准电容C1又重新按照输入端f1信号的频率脉冲式地进行放电，当然最后C1有可能会完全放电。

故f1端“二极管泵电路”的确切作用是为基准电容C1的基准电压提供放电通道。

1.2 压控振荡器端二极管泵电路的功能

由于压控振荡器端电路的结构与元件型号皆有所不同，故压控振荡器端二极管泵电路的作用将与上述随机信号端二极管泵电路不同。压控振荡器端二极管泵电路由晶体管T4、T4集电极偏置电阻R5、耦合电容C3、充电二极管D2组成。

压控振荡器信号将通过压控振荡器端二极管泵电路，在晶体管T3的发射极端同样产生一连串与f2输入信号频率对应的触发脉冲信号，但与f1端二极管泵电路不同的是，这一连串触发脉冲的瞬时值约等于电源电压的2倍，前述f1端二极管泵电路的触发脉冲的瞬时值约等于1倍的负电源电压，原理简单论述如下：

与f1端二极管泵电路分析方法相似，压控振荡器信号f2输入到晶体管T4基极的高电平信号使T4导通，电容C3的右端为0V，12V电源通过二极管D2、晶体管T4的C-E极为电容C3正向充电。

当压控振荡器f2信号翻转为低电平时，晶体管T4截止，T4集电极上升为12V，基于电容端电压不能突变的特性，以及二极管单向导电性的特性，电容C3的左端电位反转到大约+24V电位，所以，随着f2信号的瞬时值不断变化，通过压控振荡器端二极管泵电路，在晶体管T3的发射极端同样产生一连串与f2输入信号频率对应的2倍电源电压触发脉冲信号[4]。

该2倍电源电压触发脉冲信号，将被用来控制晶体管T3的发射极与集电极处于导通状态，故上述24V触发脉冲将试图为基准电容C1充电。

于是最终实现随着f2信号的一连串脉冲到来，f2端二极管泵电路是对应于f2输入信号的频率以短脉冲形式对基准电容C1充电。

故f2端“二极管泵电路”的作用是为基准电容C1提供充电条件。

1.3 基准电压的形成及其在频率跟踪中的应用

f1端泵电路为基准电容C1提供放电通道，f2端泵电路为基准电容C1提供充电通道。

以上两种“泵电路”同时作用，最终的结果是：基准电容C1同时经由充电、放电所充得的电平，是由f1、f2两个输入信号频率相比较后产生的结果，这个电平就是本频率比较器准备向外电路(本设计中外电路就指压控振荡器本身)提供的基准电平，该电平将控制压控振荡器修正振荡频率，以追踪随机输入信号f1的工作频率，直到频率相等为止，这是我们最终期望所得到的结果，频率跟踪过程简单介绍如下。

很明显，如果两个输入信号f1、f2频率相同，则每一周期中基准电容C1充电和放电的量也相等，因而这时C1两端的电压应等于电源电压的一半(6V)，如果随机输入信号f1的频率低于压控振荡器端输入信号f2的频率，C1端输出的基准电压UC将低于6V；若f1的信号频率高于f2的信号频率，则输出的基准电压UC将高于6V。

所以本电路频率比较器实际上也可以叫“鉴频器”，可用于对频率稳定度要求较高或对某个频率需要进行自动调整的场合，若将该基准电压引回到f2端压控振荡器，则可以对压控振荡器进行自动频率控制(AFC)，使其频率与另一端(f1端)的输入信号频率相一致，实现了信号频率的跟踪[5]。

2 压控振荡器

压控振荡器(VCO)的类型通常有三种，分别是LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器，RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽；晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；LC压控振荡器居二者之间[6]。

下面以LC压控振荡器为例，描述本文频率比较器电路中f2端压控振荡器实现基准电压控制振荡频率的电路。

在任何一种LC压控振荡器电路中，将压控可变电抗元件连接在振荡器回路就可形成LC压控振荡器，只是早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来大都使用变容二极管。

图2是克拉泼型LC压控振荡器的电气工作原理电路。图中，T为晶体管，L为回路电感，C1、C2、CV为回路电容，CV为变容二极管反向偏置时呈现出的容量；通常电容C1、C2比CV大得多。当VCO输入控制电压UC改变时，CV随之变化，因而振荡频率被改变。这种压控振荡器的输出频率与输入控制电压之间的关系为:

图2 LC压控振荡器原理电路

式中:C0是零反向偏压时变容二极管的电容量；φ是变容二极管的结电压；γ是结电容变化指数，在实际应用时，为了得到线性控制特性，可以采取各种补偿措施。

3 结语

实际上本文介绍的频率比较器本质上也属于“鉴频器”范畴，只不过基准频率由固定频率变为随机频率，比较器的输出基准电压值反馈控制压控振荡器的振荡频率，从而紧密跟踪随机信号的频率，故也属于“AFC”，该设计经过仿真电路仿真，电路结构正确，参数无误。