霍然，葉建芳

基于集成壓控振蕩器的調頻電路仿真分析

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，在調頻電路的教學中作為調制器和解調器，通過對其芯片的仿真，可以在軟件平臺形象的展示其工作特點，便于定量分析。由于Multisim元件庫里沒有LM566所需模型，為實現LM566在Multisim12仿真環(huán)境中的建模，首先，運用Multisim元件庫中現有的基本元件模型，構建LM566芯片內部結構；然后，對外圍調頻電路的靜態(tài)工作方式和動態(tài)工作方式的分析；最后，實驗結果表明，給出的芯片模型能夠客觀的描述LM566的基本特性，為運用該芯片完成包括調頻電路在內的各種功能電路的仿真分析奠定了基礎，有效擴展了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；頻率調制；電子電路

0 引言

信號的頻率對于無線通信的重要性不言而喻。信號調制可以將信號的頻譜搬移到任意位置來實現頻分復用，從而提高信號的傳送效率，使頻譜資源得到充分利用。

電子技術的發(fā)展日新月異，頻率不斷向高端延伸致使系統(tǒng)性能復雜化，傳統(tǒng)電路設計中采用的cut-and-try的方式早已無法滿足現代電子系統(tǒng)設計的需要。電子設計自動化（EDA）技術，使得電子線路的設計人員能在計算機上完成電路的功能設計、邏輯設計、性能分析、時序測試直至印刷電路板的自動生成，其中包括印制板的溫度分布和電磁兼容性測試，代表著現代電子系統(tǒng)設計的技術潮流。本文通過研究及反復嘗試，準確的實現了集成壓控振蕩器芯片LM566在Multisim12仿真環(huán)境中的建模及調頻電路性能的仿真分析，仿真與測試結果表明，該模型客觀準確的描述了芯片的基本特性。

1 Multisim12主要功能及其特點

Multisim12是美國國家儀器公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作[1]。該軟件包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，再結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。用戶可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路行為。

Multisim12具有如下特點：

（1）模擬和數字應用的系統(tǒng)級閉環(huán)仿真配合Multisim和LabVIEW能在設計過程中有效節(jié)省時間[2]。既可對模擬電路或數字電路分別進行仿真，也可進行數?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻（RF）電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，仿真結果可隨時儲存和打??；

（2）全新的數據庫改進包括了新的機電模型，AC/DC電源轉換器和用于設計功率應用的開關模式電源；

（3）超過2000個來自于亞諾德半導體，美國國家半導體，NXP和飛利浦等半導體廠商的全新數據庫元件；

（4）超過90個全新的引腳精確的連接使得NI硬件的自定制附件設計更加容易。

2 基于LM566的調頻電路

本設計的目的是為了進一步了解壓控振蕩器和用它構成頻率調制的原理，更加深刻的掌握集成電路頻率調制器的工作方法。并通過在Multisim仿真環(huán)境中完成LM566芯片的建模，有效擴展Multisim應用范圍，提高軟件應用能力。

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腳接定時電阻，⑦腳接定時電容[3]。

2.2 硬件電路工作原理

調頻電路原理圖，如圖1所示：

圖1 調頻電路原理圖

系統(tǒng)采用+5V、-5V兩路直流電源供電，分別接到⑧腳、①腳。R3與一起組成了定時電阻，調節(jié)可改變定時電阻的數值。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所在之路的開關)，由⑤腳輸入直流電壓，輸出為未調載波；調節(jié)可改變載波頻率（周期）。二是動態(tài)工作方式（⑤腳所對應的開關，斷開中間的開關、兩邊的開關接通），從IN端輸入的調制信號與R6上的直流分電相疊加，一起加入到⑤腳上，從而輸出為已調波[4]。本設計在R1端（即③管腳）獲取載波為方波的非正弦已調波，也可從R2端（即④管腳）得到三角波輸出。調制出來的頻率計算公式為公式（1）：

2.3 構建Multisim仿真平臺

由于Multisim12仿真軟件的元件庫中沒有LM566，必須首先在Multisim12中構建芯片的仿真模型。根據芯片廠商提供的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

平臺所用軟件：美國NI公司的Multisim12[5]；

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

仿真平臺測試儀器及參數包括：函數信號發(fā)生器，按照需要調整參數；頻率計數器（頻率計），靈敏度和觸發(fā)電平均為1V；雙蹤示波器，按照需要調整參數；萬用表，調至電壓檔。

基于Multisim調頻電路的仿真原理圖，如圖3所示：

圖3 Multisim平臺電路圖

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外接電容測量對管腳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，調使V5=3.5V，將頻率計接至管腳③，記錄當RT（管腳⑥外接的總電阻值，下同）為最大和最小時的輸出頻率，并與理論值進行比較，用雙蹤示波器觀察記錄RT為最小時方波及三角波的輸出波形[6]，如圖4～圖7所示：

圖4 調Rp2使V5=3.5V

圖5 RT為最大時，輸出的頻率

圖6 RT為最小時，輸出頻率

經計算，仿真結果基本與理論分析吻合。

圖7 RT=Rmin時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關系曲線圖

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設置為最大，斷開⑤腳所接C2，輸入信號電路的輸出接至⑤腳，如圖9所示：

圖9 輸入信號電路

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

圖10 輸入信號em和566管腳3的調頻方波輸出信號

圖11 輸入信號幅度Vp-p和頻率fm有微小變化時，輸出波形變化

可以看出，方波調頻信號在調制信號最小值波形較密，在最大值處波形較稀疏。這是調頻方波信號的特點，即已調信號頻率受到調制信號控制，在調制信號高電平處調頻信號頻率較大，正向頻偏最大；低電平處調頻信號頻率最小，正向頻偏最小[10][11]。

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

圖12 em和566管腳③的調頻（FM）方波輸出信號

由上圖可以看出，調頻方波的頻率變化不明顯，改變調制信號，將Vp-p改為1V，結果如圖13所示：

圖13 改變電壓，觀察變化情況

可以明顯的看出，調頻信號頻率受到調制信號控制，調制信號高電平處調頻信號頻率較低，低電平處調頻信號頻率較高[12]。

由以上仿真可以看出，調頻信號頻率受到調制信號控制，在調制信號高電平處調頻信號頻率較大，正向頻偏最大；低電平處調頻信號頻率最小，正向頻偏最小。方波調頻信號在調制信號最小值波形較密，在最大值處波形較稀疏。

4 總結

在Multisim仿真平臺上做出LM566的芯片內部電路圖，從靜態(tài)輸出特性和動態(tài)輸出特性兩方面的仿真結果驗證了在調頻電路下LM566的電氣特性。與其datasheet上的指標基本吻合，具有一定的實用價值。

用Multisim軟件設計電路，如同在實驗室面包板上搭接電路，且不受元器件種類、數量和測試儀器的限制。在學習及操作使用該軟件時，需要設計者不斷學習，才能掌握到其精華的所在。我們應該在學習及應用過程中，注意總結積累經驗。

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

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

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

[5] 褚麗娜左先章王瑾.Multisim在三角波發(fā)生電路教學中的應用[J].電氣電子教學學報,2013,35(3):111-113.

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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，東華大學信息學院，碩士研究生，研究方向：無線通信電路，上海，201620

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