Oscylator sterowany napięciem (VCO)

Większość konsumenckich urządzeń elektronicznych wokół nas, takich jak telefony komórkowe, telewizory, radio, odtwarzacze MP3 itp., To połączenie elektroniki cyfrowej i analogowej. Wszędzie tam, gdzie w projekcie elektronicznym występują sygnały transmisji / odbioru bezprzewodowego lub sygnały audio, będziemy potrzebować okresowych oscylujących sygnałów elektronicznych, które nazywane są sygnałami oscylacyjnymi i są bardzo przydatne w transmisji bezprzewodowej lub do wykonywania operacji związanych z synchronizacją.

Oscylatora w elektronice na ogół odnosi się do układu, który jest zdolny do wytwarzania sygnałów. Ten przebieg może być sinusoidalny, trójkątny lub nawet piłokształtny. Niektóre z najpowszechniejszych obwodów oscylatora to obwód LC, obwód zbiornika itp. Oscylator sterowany napięciemto oscylator wytwarzający sygnały oscylacyjne (przebiegi) o zmiennej częstotliwości. Częstotliwość tego przebiegu jest zmieniana poprzez zmianę wielkości napięcia wejściowego. Na razie możesz sobie wyobrazić, że oscylator kontrolowany napięciem (VCO) jest czarną skrzynką, która przyjmuje napięcie o zmiennej wielkości i wytwarza sygnał wyjściowy o zmiennej częstotliwości, a częstotliwość sygnału wyjściowego jest wprost proporcjonalna do wielkości napięcia wejściowego. Dowiemy się więcej o tej czarnej skrzynce i jak jej używać w naszych projektach w tym samouczku.

Zasada działania

Istnieje wiele typów obwodów VCO używanych w różnych zastosowaniach, ale można je ogólnie podzielić na dwa typy na podstawie ich napięcia wyjściowego.

Oscylatory harmoniczne: Jeśli kształt fali wyjściowej oscylatora jest sinusoidalny, nazywa się go oscylatorami harmonicznymi. Do tej kategorii należą obwody RC, LC i obwody zbiornika. Tego typu oscylatory są trudniejsze do wdrożenia, ale mają lepszą stabilność niż oscylator relaksacyjny. Oscylatory harmoniczne są również nazywane oscylatorami liniowymi sterowanymi napięciem.

Oscylator relaksacyjny: Jeśli kształt fali wyjściowej oscylatora ma postać piłokształtną lub trójkątną, wówczas oscylator nazywany jest oscylatorem relaksacyjnym. Są one stosunkowo łatwe do wdrożenia i dlatego są najczęściej używane. Oscylator relaksacyjny można dalej sklasyfikować jako

• Oscylator sterowany napięciem sprzężonym z emiterem
• Uziemiony kondensator Oscylator sterowany napięciem
• Opóźniony oscylator sterowany napięciem pierścieniowym

Oscylator sterowany napięciem - praktyczne zastosowanie

Jak wspomniano wcześniej, VCO można po prostu skonstruować za pomocą pary RC lub LC, ale w rzeczywistych aplikacjach nikt tak naprawdę tego nie robi. Istnieje specjalny układ scalony, który ma zdolność generowania oscylacji w oparciu o napięcie wejściowe. Jednym z takich powszechnie używanych układów scalonych jest LM566 firmy National Semiconductor.

Ten układ scalony jest w stanie generować zarówno falę trójkątną, jak i prostokątną, a nominalną częstotliwość tej fali można ustawić za pomocą zewnętrznego, kondensatora i rezystora. Później częstotliwość tę można również zmieniać w czasie rzeczywistym na podstawie dostarczonego do niego napięcia wejściowego.

Schemat sworzeń LM566 IC przedstawiono poniżej

Układ scalony może być obsługiwany z pojedynczego źródła zasilania lub z podwójnej szyny zasilającej z napięciem roboczym do 24 V. Piny 3 i 4 to piny wyjściowe, które dają nam odpowiednio falę prostokątną i falę trójkątną. Częstotliwość nominalną można ustawić podłączając odpowiednią wartość kondensatora i rezystora do pinów 7 i 6.

Do preparatów do obliczenia wartości B i C, na podstawie częstotliwości wyjściowej (Fo) przedstawiono wzorami

Fo = 2,4 (Vss - Vc) / Ro + Co + Vss

Gdzie, Vss to napięcie zasilania (tutaj 12 V), a Vc to napięcie sterujące przyłożone do pinu 5, na podstawie którego wielkości kontrolowana jest częstotliwość wyjściowa. (Tutaj utworzyliśmy dzielnik potencjału przy użyciu rezystora 1,5k i 10k, aby dostarczyć stałe napięcie do pinu 5). Przykładowy schemat obwodu dla LM566 pokazano poniżej

W praktycznych zastosowaniach rezystory 1,5k i 10k można zignorować, a napięcie sterujące może być bezpośrednio doprowadzone do pinu 5. Można również zmienić wartość Ro i Co w zależności od wymaganego zakresu częstotliwości wyjściowej. Należy również zapoznać się z arkuszem danych, aby sprawdzić, jak liniowa częstotliwość wyjściowa zmienia się w odniesieniu do wejściowego napięcia sterującego. Wartość częstotliwości wyjściowej jest regulowana za pomocą napięcia sterującego (na pinie 5) w stosunku 10: 1, co pomaga nam w zapewnieniu szerokiego zakresu sterowania.

Zastosowania oscylatorów sterowanych napięciem (VCO)

• Kluczowanie z przesunięciem częstotliwości
• Identyfikatory częstotliwości
• Rozpoznawanie dźwięków klawiatury
• Generatory zegara / sygnału / funkcji
• Służy do tworzenia pętli z blokadą fazową.

Oscylator sterowany napięciem jest głównym blokiem funkcyjnym w systemie pętli fazowej. Zrozummy więc również o pętli z blokadą fazową, dlaczego jest ona ważna i co VCO robi w pętli z blokadą fazową.

Co to jest pętla z blokadą fazową (PLL)?

Pętla z blokadą fazową, zwana również PPL, to system sterowania, który składa się głównie z trzech ważnych bloków. Są to detektor fazy, filtr dolnoprzepustowy i oscylator sterowany napięciem. Razem te trzy elementy tworzą system sterowania, który stale dostosowuje częstotliwość sygnału wyjściowego w oparciu o częstotliwość sygnału wejściowego. Schemat blokowy PLL pokazano poniżej

System PLL jest używany w aplikacjach, w których wysoka stabilna częstotliwość (f _OUT) musi być uzyskana z niestabilnego sygnału częstotliwości (f _IN). Główną funkcją obwodu PLL jest wytwarzanie sygnału wyjściowego o tej samej częstotliwości sygnału wejściowego. Jest to bardzo ważne w zastosowaniach bezprzewodowych, takich jak routery, systemy transmisji RF, sieci telefonów komórkowych itp.

Detektor fazy porównuje częstotliwość wejściową (f _IN) z częstotliwością wyjściową (f _OUT) przy użyciu dostarczonej ścieżki sprzężenia zwrotnego. Różnica między tymi dwoma sygnałami jest porównywana i podawana w postaci wartości napięcia i nazywana jest sygnałem napięcia błędu. Ten sygnał napięciowy będzie również zawierał pewne szumy o wysokiej częstotliwości, które można filtrować za pomocą filtra dolnoprzepustowego. Następnie ten sygnał napięciowy jest dostarczany do VCO, które, jak już wiemy, zmienia częstotliwość wyjściową w oparciu o dostarczony sygnał napięciowy (napięcie sterujące).

PLL - praktyczne zastosowanie

Jednym z powszechnie używanych układów scalonych implementacji PLL jest LM567. Jest to układ scalony dekodera tonów, co oznacza, że ​​nasłuchuje określonego typu tonu skonfigurowanego przez użytkownika na pinie 3, jeśli ten ton zostanie odebrany, łączy wyjście (pin 8) z masą. Czyli po prostu słucha całego dźwięku dostępnego w danej częstotliwości i porównuje częstotliwość tych sygnałów dźwiękowych z zadaną częstotliwością przy użyciu techniki PLL. Kiedy częstotliwości pasują do pinu wyjściowego, stawał się niski. Pin układu scalonego LM567 pokazano poniżej, obwód jest bardzo podatny na zakłócenia, więc nie zdziw się, jeśli nie możesz zmusić tego układu do pracy na płytce stykowej.

Jak pokazano na wyprowadzeniu, układ scalony składa się z obwodu detektora fazy I i Q wewnątrz niego. Te detektory fazy sprawdzają różnicę między ustawioną częstotliwością a przychodzącym sygnałem częstotliwości. Do ustawienia wartości tej zadanej częstotliwości używane są komponenty zewnętrzne. IC również składa się z układu filtracyjnego, który filtruje błędne szum przełączania, ale wymaga zewnętrznego kondensatora połączony kołka 1. 2 ^ND PIN jest stosowany do określenia szerokości pasma IC, wyższą pojemność niższa będzie przepustowości. Kołki 5 i 6 służą do ustawienia wartości zadanej częstotliwości. Tę wartość częstotliwości można obliczyć za pomocą poniższych wzorów

Podstawowy obwód układu scalonego LM567 pokazano poniżej.

Sygnał wejściowy, którego częstotliwość ma być porównywana, podawany jest na pin 3 przez kondensator filtrujący o wartości 0,01uF. Ta częstotliwość jest porównywana z ustawioną częstotliwością. Częstotliwość jest ustawiana za pomocą rezystora 2,4k (R1) i kondensatora 0,0033 (C1), wartości te można obliczyć zgodnie z ustawioną częstotliwością przy użyciu omówionych powyżej wzorów.

Gdy częstotliwość wejściowa jest dopasowana do ustawionej częstotliwości, pin wyjściowy (pin 8) zostanie uziemiony. W przeciwnym razie ten pin pozostanie wysoki. Tutaj użyliśmy rezystora (R _L) jako obciążenia, ale zwykle będzie to dioda LED lub brzęczyk, zgodnie z wymaganiami projektu. Tak więc LM567 wykorzystuje zdolność VCO do porównywania częstotliwości, co jest bardzo przydatne w zastosowaniach związanych z audio / bezprzewodowymi.

Mam nadzieję, że masz teraz dobry pomysł na temat VCO. Jeśli masz jakiekolwiek wątpliwości, opublikuj je w sekcji komentarzy lub skorzystaj z forów.

Sprawdź również:

• Oscylator przesunięcia fazowego RC
• Oscylator Wein Bridge
• Oscylator kwarcowy