變?nèi)荻O管調(diào)頻電路課程設(shè)計(jì)

1、通信線路課程設(shè)計(jì) 南華大學(xué)通信線路設(shè)計(jì)報(bào)告變?nèi)荻O管調(diào)頻電路設(shè)計(jì)姓 名： 王佳杰 學(xué) 號(hào)： 20114400218 專業(yè)班級(jí)： 通信1102班 指導(dǎo)老師： 鄧賢君 所在學(xué)院： 電氣工程學(xué)院 2014年6月 12 日摘要 隨著電子與通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種新興電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度越來(lái)越快?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)一步結(jié)合和發(fā)展使得電子電路和通信線路出現(xiàn)了二個(gè)分支。一個(gè)是朝著更高集成度的集成電路發(fā)展：而另一個(gè)是利用分立元件和硬件描述語(yǔ)言對(duì)新型器件進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)。調(diào)頻廣播具有抗干擾性能強(qiáng)、聲音清晰等優(yōu)點(diǎn)，獲得了快速的發(fā)展。調(diào)頻電臺(tái)的頻帶通常大約是200250kHz，其頻帶寬度是調(diào)幅電臺(tái)的數(shù)十倍，便

2、于傳送高保真立體聲信號(hào)。由于調(diào)幅波受到頻帶寬度的限制，在接收機(jī)中存在著通帶寬度與干擾的矛盾，因此音頻信號(hào)的頻率局限于308000Hz的范圍內(nèi)。在調(diào)頻時(shí)，可以將音頻信號(hào)的頻率范圍擴(kuò)大至3015000Hz，使音頻信號(hào)的頻譜分量更為豐富，聲音質(zhì)量大為提高。目前，應(yīng)用最廣泛的是采用變?nèi)荻O管直接調(diào)頻技術(shù)，即利用二極管反偏工作的PN結(jié)呈現(xiàn)的勢(shì)壘電容，它與回路中的電感共同構(gòu)成振蕩器的振蕩回路，從而作為振蕩頻率直接調(diào)頻電路。它具有工作頻率高、固有損耗小和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。變?nèi)荻O管為特殊二極管的一種。當(dāng)外加順向偏壓時(shí)，有大量電流產(chǎn)生，PN（正負(fù)極）接面的耗盡區(qū)變窄，電容變大，產(chǎn)生擴(kuò)散電容效應(yīng)；當(dāng)外加反向偏壓時(shí)

3、，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)渡電容效應(yīng)。但因加順向偏壓時(shí)會(huì)有漏電流的產(chǎn)生，所以在應(yīng)用上均供給反向偏壓。在變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路中，變?nèi)荻O管作為一壓控電容接入到諧振回路中，有所學(xué)的正弦波振蕩器章節(jié)中，我們知道振蕩器的振蕩頻率由諧振回路的諧振頻率決定。因此，當(dāng)變?nèi)荻O管的結(jié)電容隨加到變?nèi)荻O管上的電壓變化時(shí)，由變?nèi)荻O管的結(jié)電容和其他回路元件決定的諧振回路的諧振頻率也就隨之變化，若此時(shí)諧振回路的諧振頻率與加到變?nèi)荻O管上的調(diào)制信號(hào)呈線性關(guān)系，就完成了調(diào)頻的功能，這也是變?nèi)荻O管調(diào)頻的原理。目錄1 系統(tǒng)方案論證51.1 電路設(shè)計(jì)原理51.2 電路的設(shè)計(jì)方案51.3 電路設(shè)計(jì)51.4 主振電路設(shè)計(jì)原理分析71.5

4、變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路設(shè)計(jì)原理分析71.6 調(diào)頻信號(hào)分析91.7 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路92 電路工作分析112.1 諧振回路總電容112.2 調(diào)制靈敏度113 電路元器件參數(shù)123.1 振蕩回路參數(shù)LC123.2 溫度補(bǔ)償法123.3 回路電阻123.4 加緩沖級(jí)123.5 有源器件的參數(shù)134 電路元器件參數(shù)設(shè)置134.1 LC震蕩電路直流參數(shù)設(shè)置134.2 變?nèi)莨苷{(diào)頻電路參數(shù)設(shè)置134.3 T2管參數(shù)設(shè)置144.4 調(diào)制信號(hào)的幅度計(jì)算145 元器件清單156 電路仿真結(jié)果167 課程設(shè)計(jì)心得與體會(huì)168 主要參考文獻(xiàn)17附件1 電路仿真原理圖18附件2 PCB圖191.系統(tǒng)方案論證1.1

5、 電路設(shè)計(jì)原理變?nèi)荻O管為特殊二極管的一種。當(dāng)外加順向偏壓時(shí)，有大量電流產(chǎn)生，PN（正負(fù)極）接面的耗盡區(qū)變窄，電容變大，產(chǎn)生擴(kuò)散電容效應(yīng)；當(dāng)外加反向偏壓時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)渡電容效應(yīng)。但因加順向偏壓時(shí)會(huì)有漏電流的產(chǎn)生，所以在應(yīng)用上均供給反向偏壓。 在變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路中，變?nèi)荻O管作為一壓控電容接入到諧振回路中，有所學(xué)的正弦波振蕩器章節(jié)中，我們知道振蕩器的振蕩頻率由諧振回路的諧振頻率決定。因此，當(dāng)變?nèi)荻O管的結(jié)電容隨加到變?nèi)荻O管上的電壓變化時(shí)，由變?nèi)荻O管的結(jié)電容和其他回路元件決定的諧振回路的諧振頻率也就隨之變化，若此時(shí)諧振回路的諧振頻率與加到變?nèi)荻O管上的調(diào)制信號(hào)呈線性關(guān)系，就完成了調(diào)頻的功

6、能，這也是變?nèi)荻O管調(diào)頻的原理。1.2 電路的設(shè)計(jì)方案 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路由于變?nèi)荻O管的電容變化范圍大，因而工作頻率變化就大，可以得到較大的頻偏，且調(diào)制靈敏度高、固有損耗小、使用方便、構(gòu)成的調(diào)頻器電路簡(jiǎn)單。因而變?nèi)荻O管直接調(diào)管頻器是一種應(yīng)用非常廣泛的調(diào)頻電路。1.3 電路設(shè)計(jì) 變?nèi)荻O管調(diào)頻電路主要是由主振電路和變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路構(gòu)成，電路如圖所示。不加調(diào)制信號(hào)加入調(diào)制信號(hào)1.4 主振電路設(shè)計(jì)原理分析 端口通過(guò)濾直電容C82輸入頻率為1KHz大小為200mv的調(diào)制信號(hào)，并且頻率由零慢慢增大，端口12輸出調(diào)頻信號(hào)。T1,T2為3DG12C三極管，C9、C10、C7、L4、CC1、C8

7、為主振回路，D1為Bb910變?nèi)荻O管。為了減小三極管的極間電容Cce、Cbe、Ccb這些不穩(wěn)定電容對(duì)振蕩頻率的影響，要求C9C7,C10C7，且C7越小，這種影響就越小，回路的標(biāo)準(zhǔn)性也就越高。則回路的諧振頻率是 本電路采用常見(jiàn)的電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)LC振蕩，簡(jiǎn)便易行。式中，L為L(zhǎng)C振蕩電路的總電感量，C為振蕩電路中的總電容，主要取決于C3、C7、C8、Cc1及變?nèi)荻O管反偏時(shí)的結(jié)電容Cj。，變?nèi)荻O管電容Cj作為組成LC振蕩電路的一部分，電容值會(huì)隨加在其而端的電壓的變化而變化，從而達(dá)到變頻的目的。R4、R5、R6、R7和W2調(diào)節(jié)并設(shè)置電容三點(diǎn)式振蕩器中T1管的靜態(tài)工作點(diǎn)，R8、R9、R10

8、調(diào)節(jié)并設(shè)置T2管的靜態(tài)工作點(diǎn)，C7、C9、C10以及L4、CC1、C8構(gòu)成LC振蕩電路。電容三點(diǎn)式振蕩器電路等效電路如下圖所示。 電容三點(diǎn)式振蕩器等效電路1.5 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路設(shè)計(jì)原理分析圖1.1中，直接調(diào)頻電路由變?nèi)荻O管(Bb910)D1，耦合電容C1、C3、C82，偏置電阻R1、R2，隔離電阻R3和電位器W1構(gòu)成。接入系數(shù)，（C3由不同電容值的電容代替，保證接入系數(shù)不同）其中等效電路圖如下圖所示。變?nèi)荻O管部分接入等效圖無(wú)調(diào)制時(shí)，諧振回路的總電容為： 式中，（由于C9和C10電容值遠(yuǎn)大于C7,C9和C10可串聯(lián)忽略）CQ為靜態(tài)工作點(diǎn)是所對(duì)應(yīng)的變?nèi)荻O管結(jié)電容。調(diào)頻電路中，R1、R

9、2、R3和W1調(diào)節(jié)并設(shè)置變?nèi)荻O管的反偏工作點(diǎn)電壓VQ，調(diào)制信號(hào)v經(jīng)C82和高頻扼流圈L1加到二極管上。為了使VQ和v能有效的加到變?nèi)莨苌希恢劣诒徽袷幓芈分蠰4所短路，須在變?nèi)莨芎蚅4之間接入隔直流電容C3，要求它對(duì)高頻接近短路，而對(duì)調(diào)制頻率接近開(kāi)路。C1為高頻濾波電容，要求它對(duì)高頻的容抗很小，近似短路，而對(duì)調(diào)制頻率的容抗很大，近似開(kāi)路。信號(hào)V從端口通過(guò)C82輸入，C82為隔直電容，濾除輸入信號(hào)中摻雜的直流成分。電感L1為高頻扼流圈，要求它對(duì)高頻的感抗很大，近似開(kāi)路，而對(duì)直流和調(diào)制頻率近似短路。對(duì)高頻而言，L1相當(dāng)于斷路，C3相當(dāng)于短路，因而C3和二極管D1接入LC振蕩電路，并組成振蕩器中

10、的電抗分量，等效電路如下左圖所示。對(duì)直流和調(diào)制頻率而言，由于C3的阻斷，因而VQ和v可以有效的加到變?nèi)莨苌?，不受振蕩回路的影響，等效電路如下右圖所示。 高頻通路 直流和調(diào)制頻率通路1.6 調(diào)頻信號(hào)分析FM調(diào)制是靠調(diào)頻使信號(hào)頻率發(fā)生變化，振幅可保持不變，所以噪聲易消除。設(shè)載波,調(diào)制波。則或，此時(shí)的頻率偏移量 f為最大頻率偏移。最后得到的被調(diào)制波 , V m 隨Vs的變化而變化。為調(diào)制系數(shù)1.7 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路變?nèi)荻O管具有PN結(jié)，利用PN結(jié)反向偏置時(shí)勢(shì)壘電容隨外加反向偏壓變化的機(jī)理，在制作半導(dǎo)體二極管的工藝上進(jìn)行特殊處理，以控制半導(dǎo)體的摻雜濃度和摻雜分布，可以使二極管的勢(shì)壘電容靈敏地隨反

11、偏電壓變化且呈現(xiàn)較大的變化，這樣就制作成了變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj，與在其而端所加反向電壓u之間存在著如下關(guān)系：（）式中，VB為PN結(jié)的勢(shì)壘位差(硅管約為0.7V,鍺管約為0.3V)，Cj0為變?nèi)荻O管在零偏置時(shí)的結(jié)電容值，n為變?nèi)荻O管的結(jié)電容變化指數(shù)，它取決于PN結(jié)的雜質(zhì)分布規(guī)律：n=1/3對(duì)于緩變結(jié)，擴(kuò)散型管多屬此種； n=1/2為突變結(jié)，合金型管屬于此類。采用特殊工藝制程的超突變結(jié)的n在15之間。 變?nèi)荻O管的結(jié)電容變化曲線如所示。變?nèi)荻O管的Cj-u特性曲線加到變?nèi)荻O管上的反向電壓包括直流偏壓V0和調(diào)制信號(hào)電壓V(t)= Vcost，即（）將式（）帶入（），得式中，為靜態(tài)

12、工作點(diǎn)的結(jié)電容，為反映結(jié)電容調(diào)深度的調(diào)制指數(shù)。結(jié)電容在u(t)的控制下隨時(shí)間的變化而變化。把受到調(diào)制信號(hào)控制的變?nèi)荻?jí)管接入載波振蕩器的振蕩回路，則振蕩回路的頻率已收到調(diào)制信號(hào)的控制。適當(dāng)選擇調(diào)頻二極管的特性和工作狀態(tài)，這樣就實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻。設(shè)電路工作在線性調(diào)制狀態(tài)，在靜態(tài)工作點(diǎn)Q處，曲線的斜率為。2電路工作分析2.1諧振回路總電容 回路總電容變化量2.2調(diào)制靈敏度單位調(diào)制電壓所引起的最大頻偏稱為調(diào)制靈敏度，以Sf表示，單位為 kHz/V，即Sf = fm / VmVm為調(diào)制信號(hào)的幅度；fm為變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容變化Cj時(shí)引起的最大頻偏。在頻偏較小時(shí)，fm與C的關(guān)系可采用下面近似公式，即調(diào)制靈敏度 調(diào)制

13、靈敏度Sf可以由變?nèi)荻O管Cj-v 特性曲線上VQ處的斜率kc計(jì)算。Sf越大，說(shuō)明調(diào)制信號(hào)的控制作用越強(qiáng)，產(chǎn)生的頻偏越大。 改變CC1的值可以使變?nèi)荻O管的工作點(diǎn)調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。3 電路元器件參數(shù)3.1震蕩回路參數(shù)LC 顯然LC如有變化，必然引起震蕩頻率的變化，影響LC變化的因素有：元件的機(jī)械變形，周圍溫度變化的影響，適度，氣壓的變化，因此為了維持LC的數(shù)值不變，首先就應(yīng)選取標(biāo)準(zhǔn)性高的，不易發(fā)生機(jī)械變形的元件；其次，應(yīng)盡量維持振蕩器的環(huán)境溫度的恒定，因?yàn)楫?dāng)溫度變化時(shí)，不僅會(huì)使LC的數(shù)值發(fā)生變化，而且會(huì)引起電子器件的參數(shù)變化，因此高穩(wěn)定度的振蕩器可以封閉在恒溫箱（杜瓦瓶）內(nèi)，LC采用溫度系數(shù)低的

14、材料制成。3.2 溫度補(bǔ)償法 使L與C的變化量與L與C的變化量相互抵消以維持恒定的震蕩頻率，：若回路的損耗電阻r很小，即Q值很高，則振蕩頻率可以近似的用回路的固有頻率f0來(lái)表示。由于外界因素的影響，使LC產(chǎn)生微小的變量L、C，因而引起振蕩頻率的變化，若選用合適的負(fù)溫度系數(shù)的電容器 （電感線圈的溫度系數(shù)恒為正值），使得C/C與L/L互相抵消，則f可減為零。這就是溫度補(bǔ)償法。3.3 回路電阻 r的大小是由振蕩器的負(fù)載決定的，負(fù)載重時(shí)，r大，負(fù)載輕時(shí)r小，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，振蕩頻率也隨之變化。為了減小r的影響盡量使負(fù)載小且穩(wěn)定，r越小，回路的Q值越高，頻率的穩(wěn)定度也越高，3.4 加緩沖級(jí) 為了減弱后級(jí)電

15、路對(duì)主振器的影響，可在主振器后面加入緩沖級(jí)。所謂緩沖級(jí)，就是實(shí)際上是一級(jí)不需要推動(dòng)功率的放大器（工作于甲類）。3.5 有源器件的參數(shù) 晶體管為有源器件時(shí)，若他的工作狀態(tài)（電源電壓或周圍溫度等）有所改變，則晶體管的h參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，即引起振蕩頻率的改變。為了維持晶體管的參數(shù)不變，應(yīng)該采用穩(wěn)壓電源，和恒溫措施。4.電路元器件參數(shù)設(shè)置4.1 LC震蕩電路直流參數(shù)設(shè)置ICQ一般為14mA。若ICQ偏大，振蕩幅度增加，但波形失真加重，頻率穩(wěn)定性變差。取ICQ1=2mA。取VCEQ1=（1/2）VCC=1.25V。可以求出R11+R4=625，取R11=200，R4=100；=60，IBQ=IBQ，為使減

16、小IBQ對(duì)偏執(zhí)電阻的電位偏執(zhí)效果的影響，取R6和R7上流過(guò)的電流IBIBQ，取R6=15K，R7=8.2K，W2的可調(diào)最大阻值為20K。4.2 變?nèi)莨苷{(diào)頻電路參數(shù)設(shè)置由LC震蕩頻率的計(jì)算公式可求出，若取C=，本次實(shí)驗(yàn)中可調(diào)電容CC1規(guī)格為5120pF，計(jì)算時(shí)取5pF，C7=24pF。L41.2mH。實(shí)驗(yàn)中可適當(dāng)調(diào)整CC1的值。電容C9、C10由反饋系數(shù) F 及電路條件C7C9，C7R2，R3R1，以減小調(diào)制信號(hào)V對(duì)VQ的影響。取 R2=3.9kW ，隔離電阻R3=180k，R1=20K。實(shí)際調(diào)試時(shí)，L1用1.2uH代替，測(cè)得C3與L1之間節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓為0.5V,較理論值偏小。R1與R2之間節(jié)點(diǎn)

17、對(duì)地電壓為2.7V。4.3 T2管參數(shù)設(shè)置對(duì)輸出電路，為保證T2管正常工作，可取R8=8.2K，R9=10K，R10=1.5K。取耦合電容C12=33pF，C13=0.01uF4.4 調(diào)制信號(hào)的幅度計(jì)算為達(dá)到最大頻偏fm的要求，調(diào)頻信號(hào)的主振頻率和最大頻偏fm，可由下列關(guān)系式求出。 計(jì)算以上各式可得fo12MHz，fm25KHz，滿足實(shí)驗(yàn)要求。5.元器件清單名稱規(guī)格數(shù)量備注電阻20K,3.9K,180K,200,100,15K,8.2K,10K,1.5K8.2K 2個(gè)其余各一個(gè)電位器5K,20K各一個(gè)電容4.7UF,30PF,0.1UF,330PF,5PF,24PF,100PF,33PF,0.

18、01UF5-120PF30PF二個(gè)；0.01UF二個(gè)其余電容各一個(gè)4.7UF為耦合電容5-120PF為可調(diào)電容電感1.2UH2變?nèi)荻O管BB9101三極管3DG6C2 6.電路仿真結(jié)果7.課程設(shè)計(jì)心得與體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)自己對(duì)高頻跟通信電路方面的知識(shí)的理解和掌握還有很多的不足，距離學(xué)好這方面的知識(shí)還有很大差距，還有很長(zhǎng)的路要走。通過(guò)對(duì)變?nèi)荻O管調(diào)頻電路的設(shè)計(jì)與研究，我們不僅對(duì)變?nèi)荻O管的調(diào)頻原理有了更深刻的了解，還對(duì)調(diào)頻電路的應(yīng)用進(jìn)行了一定的了解，調(diào)頻電路在無(wú)線電通信中是非常重要的調(diào)制方式，應(yīng)用非常廣泛，特別是在數(shù)字調(diào)制中應(yīng)用更廣，頻率調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)頻，是指用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的頻率，使之隨調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，確切的講，是使載波信號(hào)的頻率隨調(diào)制信號(hào)線性變化，而振幅保持不變。變?nèi)荻O管調(diào)頻電路是直接調(diào)頻電路的一種，主要是因?yàn)?/p>