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1、实验三.变容管调频电路和鉴频器,频率调制是无线电通信的一类重要的调制方 式，调频信号是用载波频率的变化来反映调制信 号的变化规律，因而其抗干扰能力较强，但因其 带宽较宽，常用于超短波及频率更高的波段。典 型的如FM广播，电视伴音等。调频信号的产生 常有两种方法： 1.间接调频(俗称阿姆斯特朗法): 先对调制信号积分再用载波调相，其特点是： 调制振荡分离，故频率稳定性高，但频偏小， 电路较复杂。,2. 直接调频: 用调制电压去控制LC回路参数，其特点是：振荡调制同时进行，故频率稳定性较差，但其频偏大，电路简单。常用的是变容二极管直接调频电路和电抗管调频。 由于变容二极管工作频率范围宽，固有损耗小
2、， 使用方便，电路简单，故本节介绍变容管调频及其实验仿真。从调频信号中解调出调制信号的电路称为频率检波器或鉴频器。常用的鉴频器有相位鉴频器、比例鉴频器、振幅鉴频器、正交鉴频器、锁相环鉴频器等。本实验主要讨论的是集成差动峰值鉴频器。,试验任务与要求,实验目的 了解变容二极管调频振荡器的工作原理 掌握调频振荡器的设计方法及组成电路 掌握调频振荡器的调整方法和测试方法 了解集成鉴频器的工作原理及性能分析 掌握鉴频特性的调整和测试方法,实验仪器,高频信号发生器 QF1055A 一台; 超高频毫伏表 DA22A 一台; 频率特性测试仪 BT3C 一台; 直流稳压电源 HY17112 一台; 数字示波器
3、TDS210 一台.,实验任务与要求 基本命题,基本实验的实验线路及说明 实验线路见图1，使用12V供电，振荡器三 极管用9018，变容管用2CC1D。Rw2、R3、R4组 成变容管的直流偏压电路，ZL为轭流电感，R 为隔离电阻，调制信号经C5耦和至变容二极管， 该电路变容管在合适的静偏压下便可实现线性 调频。,图1.变容管调频振荡器实验电路图如下：,实验内容 1.实验前应先进行计算机仿真，可分析下述内容: a：变容管静偏压对调频振荡器的影响。 b：调制电压对变容管的影响。 2.用万用表判断振荡器是否起振 a：若UbUe 0，振荡器工作在丙类，振荡很强。 b：若UbUe=00.4V,也起振,工
4、作在甲乙类。 c: 若UbUe=0.5V0.7V,振荡器可能起振,也可能不起振。 判断法：可短路LC回路，测量Ue的变化，短路后Ue，说明原来已起振，否则不起振。,3.电路调整：调整振荡器的工作点为13mA，在输出端用示波器观察波形，使波形无失真，幅度最大，记下此时三极管的各极直流电压。 4.静态调制特性的测量 a.变容管偏压从最小值到最大值，间隔0.5V，Cc51pF测出相应f的变化，作出f EQ曲线。 b.改变变容管的耦合电容Cc,取Cc = 100pF,重复上述步骤。 c.描绘Cc为不同值时的静态调制特性。,5.LC调频电路实验 a.接通电源调节Rw2，在变容管的负端用万用表测试电压，使
5、变容管的偏压为4V。 b.用示波器和数字频率计在输出端分别观测频率，在波形最大不失真的情况下，调电感L，使振荡频率为10MHz。 c.输入1KHz的正弦调制信号（用EE1641产生），慢慢增加其幅度，用示波器在输出端观察振荡波形（如有频谱仪则可观察调制频偏）。将调制波形换为方波，输出如何。,a.用频谱仪观测调频信号，记下不同调制电压所对应的频偏大小，并计算调制灵敏度的数值。 b.改变Cc，观测频偏与接入系数的关系（测试时应同等条件，即偏压相同，调制电压相同）。,6. 动态调制特性的测量（选做）,7.改变调制信号频率，观察调频波的变化情况。 8.改变偏置电压大小，观察调频波的变化情况。,扩展命题
6、,1. 当变容管偏压选在静态调制特性的线性端中间，调制信号比较小，与偏压选在非线性段，而调制信号较大时，得到的调制波经解调后，试分析这两种波形有什么差别？用实验说明。 2.如何减小调频波的非线性失真 ？ 3.鉴频特性曲线的测量（S型鉴频特性曲线） 实验箱鉴频电路为集成差动峰值鉴频器，其原 理参见文献3P228P230。曲线测量可用两种方法: a.逐点法,b.扫频法（也称连续法） 本实验建议用连续法，测量时将扫频输出加到实验板输入端，用直通测试电缆（不带检波探头）连至扫频仪输入端，合适调整衰减及中心频率度盘，即可观测特性曲线。 4.将调频振荡器和鉴频电路相连，并接上低频放大电路，改变调制频率（音
7、频），听声音的变化情况，并用示波器双踪观察调制信号及调频信号。,完成上述测试内容,整理文档,写出规范的实验报告,实验说明及思路提示,变容管调频原理 变容管相当一压控电容，其结电容随所加的反 向偏压而变化。调制时将直流和调制信号同时 加入，则其结电容在直流偏压所定的电容基础 上随调制信号的变化而变化，因为变容管的结 电容是回路电容的一部分，所以振荡器的振荡 频率必随调制信号而变化，从而实现了调频。 相关原理参见文献3P201P210。,实验电路的设计考虑 对调频振荡器的设计首先要考虑主振级电路，对主振级电路的设计请参考实验二振荡器实验的相关内容。在主振电路设计完成后，然后考虑调制电路的设计。设计
8、任务有：选择变容二极管，并确定工作点；选择线路，确定变容二极管的接入系数，确定调制信号电压；验算中心频率偏移量和非线性失真系数等。 1. 变容管的选择和工作点的确定：PN结的结电容随所加的电压而变化，因此接到回路中能实现调频。选管时，要选用截止频率高，有足够高的反向击穿电压和反向电流小。变容管上加的反向偏压越大,Q值越高,但要求调制信号电压U也,越大。一般Cj U压容特性曲线的线性段。 2. 选择线路，确定接入系数：可根据频偏的大小 和对频率的稳定度的要求来选。若要求的频偏不 大，希望变容管上的变频电压小，往往采用部分 接入，接入系数取得小。 根据Pc=Cc/(Cc+Cj0)选定，可计算出耦合
9、电容Cc. 。 3. 求出在满足频偏要求下的m值 由 ，求出A1,取=1/2 ，由 可算出m值 调制电压 4. 计算非线性失真系数Kf,调频振荡器的频率调制特性 1.静态调制特性：它是指振荡频率f随变容管直流偏压UD的变化特性，即f=(UD)曲线，如图2所示。由特性曲线可见，f随偏压的变化不是直线，振荡频率的变化就不能正确地反映调制信号的变化，引入了非线性失真。为了减小失真 变容管的偏压应选在线性段的中点。为了改 善调制特性，可适当配置电容，可在一定范围内获得较好的静态调制特性，调整方法是改善图3中的Cc和Co。,图2. 静态调制特性曲线如下：,图3.调制特性的改善电路如下：,一般Cc取值较大
10、,Co取值较小(由几个P到几十个 P),Cc取值接近Cj（变容二极管结电容）的高端， 远大于Cj的低端,Cc的变化主要影响静态调频特性 低端的曲线形状,其变化如图4所示。 假设Cc足够大且保持不变，改变Co的值，由于 Co的值接近于Cj的低端值，因此改变Co，主要影 响静态特性高端曲线形状，其变化如图5所示， 适当调节Cc、Co的大小，可得到线性较好的静态 调制特性。,图4.Cc对静态调制特性的影响如下：,图5.C0对静态调制特性的影响如下：,2.动态调制特性 当变容二极管静态工作点确定后，加入调制信号 U，这时振荡频率随调制信号U而变化，即 fU曲线称为动态特性曲线，如图6所示, 此曲 线可
11、确定频率调制器的调制灵度和最大线性频偏。 测量动态调制特性的仪器连接图如图7(a)所示. 若无频偏仪，则可借助于鉴频器间接测量，见图 7(b)所示.,图6.动态调制特性曲线如下：,图7(a).动态调制特性测试方框图：,图7(b).动态调制特性测试方框图：,设计计算 设计指标： 振荡器中心频率 fo = 10 MHz 频率稳定度 f/f0110-4 调制信号频率 F = 1KHz 最大频偏 fm50KHz 调频波非线性失真系数 Kf10% 输出电压 U0 0.3Vp-p,1.选择电路形式： 如图1，即振荡器用频率稳定度高的西勒振荡器，变容管采用部分接入。 2.振荡回路计算： 有关三端LC振荡器内
12、容请参照实验2，因电感L可调，故f0=10MHz情况下，上节设计用的C1=200PF，C2=510PF，C3=100PF，C4=51等参数保持不变。 3.调制电路的设计 ： 变容管选用2CC系列即可（2CC系列管参数请见附录），并设其EQ=4V（表示反偏）时，Cj050pF, =1/2.,*实测时，静态下通过替代法得到Cj0的大小(即频率不变用一标准电容替代)。 部分接入，特选接入系数Pc=0.5 故由 有Cc=50PF，取标称值51PF. 部分接入，则回路总电容 根据最大频偏fm求m及调制电压 由 可得A1 =0.0612 因 =1/2, 由 可得m = 0.12,根据m 的定义:m=U/(
13、EQ+U)可得 U=mEQ/(1-m)=0.55V 估算调制灵敏度 SFM=fm/U=50kHz/0.55V=91kHz/V 计算失真度 KfA2/A1=1.5% 若静态EQ = 4V，则R2Vcc/ (R1+R2)=4V 取R2 = 6.8K，R1 =13.6 K 实际用R W 2 = 22 K电位器和R1= 6.8 K串联 其它元件：耦合电容C5取10F，C4取0.01F, 扼流圈ZL取470H,隔离电阻R取39 K。 综上设计的实验测试电路见图1。,仿真分析 对图1电路可作如下仿真，仅供参考。 仿真条件:L=2.2H，变容管MV2205、三极管Q2N2222. 1.调频波形：见图8（该波形仅供参考，与示波器测试结果有差别） 2.静态特性：改变变容二极管的偏压，逐点测量振荡频率，仿真结果见图9的表格。,图8.调频波形图如下：,由表格可绘出静态调制特性曲线：如图10由静态调制特性曲线示意图可以看出，Cc主要影响低端的性能。,图10.静态调制特性曲线如下：,