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 單元三 壓控震盪器(VCO) 曾志成 國立宜蘭大學 電機工程學系 tsengcc@niu.edu.tw 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 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

教學目標 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。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

教學大綱 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。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

原理說明 (1/2) 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。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

原理說明 (2/2) 圖 3-1　壓控振盪器 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

CD4046之電路說明 (1/3) (optional) 圖 3-2　CD4046之VCO電路 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

CD4046之電路說明 (2/3) (optional) 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。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

CD4046之電路說明 (3/3) (optional) 圖 3-3　CD4046之VCO特性圖 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206之電路說明 (1/3) 本實驗的第二部分將測量XR2206的VCO特性，電路如圖 3-4所示。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206之電路說明 (2/3) 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 ，可由R調整之 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 式中之f0=1/RC，可由R調整之。V2a為V2之AC成分。 (3-1) (3-2) EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206之電路說明 (3/3) 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。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206特性簡介 (1/3) 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。 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 式中之 ，可由R調整之。 (3-3) EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206特性簡介 (2/3) 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 式中之 ，可由R調整之，V2a代表V2之AC成分。 (3-4) EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206特性簡介 (3/3) 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。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206電路分析 (1/9) 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： 圖 3-5　決定輸出波形之電路部分 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206電路分析 (2/9) 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。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206電路分析 (3/9) 輸出頻率：與輸出頻率有關之電路部分如圖 3-6所示，茲分述如下： 圖 3-6 決定輸出頻率之電路部分 圖 3-6　決定輸出頻率之電路部分 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206電路分析 (4/9) 輸出頻率如下式，主要是由電流I所控制。 f = I /3C (3-5) C是跨於 pin 5、pin 6間的電容 I是pin 9之電壓V3所決定： 當V3為High (V3 > 2V或open)時，I = I7 (由pin 7流出之電流)。 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。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206電路分析 (5/9) 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 又因為V3 open，故I = I7，所以 式中之 ，可由R調之。 (3-6) (3-7) EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206電路分析 (6/9) 圖 3-7　XR2206 I7之計算 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206電路分析 (7/9) 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 又V3 open，故 I = I7，所以 V2a為V2之 AC 成分。 f0 = 1/RC，可由R 調整之。 (3-8) EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206電路分析 (8/9) 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 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 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。 (3-9) EE of NIU Chih-Cheng Tseng

XR2206電路分析 (9/9) 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。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

提醒事項 請從步驟6開始進行。 提供4, 3, 2, 1, 1, 2, 3, 4這些直流電壓的方法 以頻率很低的方波，例如：0.1Hz，來一次實現正負直流電壓。 透過調整一個峰對峰電壓很低的任意頻率任意信號之直流偏壓來實現。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng

單元回顧 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。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng