變容二極管調頻電路

1、變容二極管調頻電路實現調頻的方法很多，大致可分為兩類，一類是直接調頻，另一類是間接調頻。直接調頻是用調制信號電壓直接去控制自激振蕩器的振蕩頻率（實質上是改變振蕩器的定頻元件），變容二極管調頻便屬于此類。間接調頻則是利用頻率和相位之間的關系，將調制信號進行適當處理（如積分）后，再對高頻振蕩進行調相，以達到調頻的目的。兩種調頻法各有優(yōu)缺點。間接調頻器間接調頻的優(yōu)點是載波頻率比較穩(wěn)定，但電路較復雜，頻移小，且寄生調幅較大，通常需多次倍頻使頻移增加。對調頻器的基本要求是調頻頻移大，調頻特性好，寄生調幅小。調頻器廣泛用于調頻廣播、電視伴音、微波通信、鎖相電路和掃頻儀等電子設備直接調頻的穩(wěn)定性較差，但得到

2、的頻偏大，線路簡單，故應用較廣；間接調頻穩(wěn)定性較高，但不易獲得較大的頻偏。 常用的變容二極管直接調頻電路如圖Z0916（a）所示。圖中D為變容二極管，C2、L1、和C3組成低通濾濾器，以保證調制信號順利加到調頻級上，同時也防止調制信號影響高頻振蕩回路，或高頻信號反串入調制信號電路中。調制級本身由兩組電源供電。對高頻振蕩信號來說，L1可看作開路，電源EB的交流電位為零，R1與C3并聯；如果將隔直電容C4近似看作短路，R2看作開路，則可得到圖（b）所示的高頻等效電路。不難看出，它是一個電感三點式振蕩電路。變容二極管D的結電容Cj，充當了振蕩回路中的電抗元件之一。所以振蕩頻率取決于電感L2和變容二極

3、 變容二極管的正極直流接地（L2對直流可視為短路），負極通過R1接+EB，使變容二極管獲得一固定的反偏壓，這一反偏壓的大小與穩(wěn)定，對調頻信號的線性和中心頻率的穩(wěn)定性及精度，起著決定性作用。 對調制信號來說，L2可視為短路，調制信號通過隔直流電容C1和L1加到變容二極管D的負極，因此，當調制信號為正半周時，變容二極管的反偏電壓增加，其結電容減小，使振蕩頻率變高；調制信號為負半周時，變容二極管的反偏壓減小，其結電容增大，使振蕩頻率變低。 由上可見，變容二極管調頻的原理是，用調制信號去改變加在變容二極管上的反偏壓，以改變其結電容的大小，從而改變高頻振蕩頻率的大小，達到調

4、頻的目的。由變容二極管結電容Cj變化實現調頻的波形示意圖如圖Z0917所示。圖Z0918是應用電路舉例請讀者自行分析。 （二）.變容二極管的間接調頻:間接調頻優(yōu)點是:中心頻率十分穩(wěn)定,但最大角頻偏小。1.概述:（1)間接調頻定義:將調制信號v(t)先進行積分,再以積分后的信號去進行調相,所得的調相波就是對原調制信號實現的調頻,稱這樣調頻為間接調頻。（2)實現間接調頻的方法:由定義可知間接調頻方法取決于調相,調相方法有幾種,則間接調頻方法也有幾種。調相方法大致有三種：矢量法、移相法、時延法，所以間接調頻同樣也有三種方法：矢量法：  vFM=Vcmcos(ct+Mfsint)=

5、Vcmcosctcos(Mfsint)-Vcmsinctsin(Mfsint)   若：Mf<<1  cos(Mfsint)1   sin(Mfsint)Mfsint   則：vFM=Vcmcosct-VcmMfsinctsint=V'mcos  vFM的矢量合成圖：   矢量法實現FM的框圖：    若對調相而言，一旦矢量合成電路確定，最大相移也被惟一確定，即m=Mp=/12（rad）的窄帶調相；   若對間接調頻而言，一旦矢量合成電路確定了，

6、最大相移Mf被惟一確定，即m=Mf=/12（rad）的窄帶調頻。移相法：    實現PM的框圖：  移相網絡一旦確定，m=Mp=/6被惟一確定。  （按此仿真）     實現間接調頻的框圖：     移相網絡一旦確定，m=Mf=/6被惟一確定。  （按此仿真） 課題三  高頻調頻技術通過前面的學習我們知道用調制信號（低頻信號）去控制載波信號的幅度而實現的調制稱為調幅；同樣，若用調制信號去控制載波的頻率或相位而實現的調制分別稱為調頻或調相

7、。由于調頻或調相兩種調制都改變了載波的瞬時相位，通稱角度調制。在模擬調制中，調頻具有較為優(yōu)越的性能，因此，調頻技術廣泛應用于立體聲廣播、電視伴音、無線麥克風、微波傳輸及衛(wèi)星通信。同樣，完整的調頻通信系統(tǒng)也由發(fā)射機與接收機兩部分組成，與調幅通信系統(tǒng)比較，除了調制與解調的原理方法不同外，其他部分如超外差變頻接收技術、中頻放大電路等基本相同。 任務一     直接調頻電路的應用任務目標直接調頻電路可實現較大的調制頻偏，電路簡單，性能好，應用廣泛。通過本部分的學習，掌握調角波的基本概念，直接調頻電路的組成與工作原理，實現線性調制的電路參數的基

8、本分析與計算，及擴展頻偏的方法。課題導入許多調頻發(fā)射電路中采用直接調頻電路：如無線麥克風發(fā)射電路、無線遙控玩具的發(fā)射機電路及對講機電路等。在模擬電路課程的學習中，我們學習過各種振蕩器，這些振蕩器產生的是頻率、幅度不變的單頻余弦波。按照調頻波的定義，若這些振蕩器的頻率能夠被低頻信號直接控制而改變，則振蕩器就可輸出調頻波，相應的稱這些電路為直接調頻電路。相關知識一、角度調制原理1、調頻波的數學表達式設載波信號電壓為uc(t)Ucmcos(ct+0)            

9、0; （2.3.1）式中，ct+0為載波的瞬時相位；c為載波信號的角頻率；0為載波初相角（一般地，可以令0=0）。設調制信號(低頻信號)電壓為   u(t)=Umcost                  （2.3.2）式中，為調制信號的角頻率。根據調頻的定義，載波信號的瞬時角頻率隨調制信號u(t)線性變化，則瞬時角頻率用下式表示(t)=c+(t)=c+kfu(t)  

10、;  （2.3.3）式中，kf為與調頻電路有關的比例常數，單位為rad/(s·V)；(t)=kfu(t)，稱為角頻率偏移，簡稱角頻移。(t)的最大值叫角頻偏，m=kf|u(t)|max，它表示瞬時角頻率偏離中心頻率c的最大值。圖2-3-1 為調制信號與調頻波之間關系的波形圖對式（2.3.3）積分可得調頻波的瞬時相位為                   =  

11、; （2.3.4）則調頻波的表達式可表示為圖2-3-1調頻波波形           （2.3.5）式中為調頻波的最大相移，又稱調頻指數，顯然與成正比，與成反比。2、調相波的數學表達式根據調相的定義，若載波信號的瞬時相位隨調制信號線性變化，則瞬時相位用下式表示             =   （2.3.6）  

12、0;                  式中，Kp為由調相電路決定的比例常數，量綱為rad/V。Kp  為調相波的相移，而是調相波的最大相移，又稱調相指數，與成正比。則調相波的表達式可表示為           （2.3.7)對式（2.3.6）求導可得調相波的瞬時角頻率為 

13、60;                           （2.3.8）式中為調相波的最大角頻偏，與的乘積成正比。圖2-3-2為調制信號與調相波之間關系的波形圖。3、調角波的頻譜與帶寬我們首先分析調頻信號的頻譜，由單頻余弦調制的調頻信號     圖2-3-2 調相波的波形圖表示

14、式利用三角函數變換式cos (A+B)=cosAcosB-sinAsinB，將上式變換為  （2.3.9）上式可按傅立葉級數展開，由貝塞爾函數理論，有下述關系：  (2.3.10)  (2.3.11)代入（4.10）式，再利用三角函數的積化和差公式得           (2.3.12)由上式可以看出：在單頻余弦信號調制的情況下，調角信號可以分解為角頻率為的載頻分量與角頻率為的無限對上、下邊頻分量之和，這些邊頻分量和載頻分量的角頻率相差(其中n=l，2，3

15、，)。當n為偶數時，上、下兩邊頻分量的符號相同，當n為奇數時，上、下邊頻分量的符號相反。是未調制時的載頻振幅，調制時，載頻分量和各邊頻分量的振幅則由和貝塞爾函數決定。當m，n已知后，各階貝塞爾函數隨的變化曲線如圖2-3-3。圖2-3-3所示為在相同、載波相同的條件下，時的調頻波頻譜圖，其特點如下：（1）調制指數越大，具有較大增幅的邊頻分量就越多，且邊頻分量幅度可超過載頻分量幅度。（2）為某些值時，載頻分量可能為零，也可能使某些邊頻分量振幅為零；（3）由于調角信號的振幅不變，當一定時，它的平均功率與調制指數無關，其值等于末調制的載波功率，所以改變僅使載波分量和各邊頻分量之間的功率重新分配，而總功

16、率不會改變。4、調角波的帶寬從理論上分析，調角信號的邊頻分量有無限對，即它的頻帶應為無限寬，但由圖2-3-4可以看出，對于一定的，隨著n的增大，邊頻分量的幅度大小變化的總趨勢是減小的，這表明離開載頻較遠的邊頻振幅都很小，在傳送和放大過程中，可舍去這些邊頻分量。理論上可證明，當n>+1時，<0.1，因此，若忽略幅度小于未調制前載波幅度的10%的邊頻分量，則調角波的頻帶寬度可表示為：     (2.3.13)由上式可知，當ml(工程上規(guī)定m<0.25rad)時，調角信號的有效頻譜帶寬為BW=2F    

17、;                     ( 2.3.14)其值近似為調制信號頻率的兩倍，相當于普通調幅信號的頻譜寬度，通常把這種調角信號稱為窄帶調角信號。當ml時，調角信號的有效頻譜帶寬為BW2mF=2              (2.3.15)通常把這種

18、調角信號稱為寬帶調角信號。這里需要說明的是，調角信號的有效頻譜帶寬BW與最大頻偏是兩個不同的概念。最大頻偏是指在調制信號作用下，瞬時頻率偏離載頻的最大值；而有效頻譜帶寬BW是反映調角信號頻譜特性的參數，它是上、下邊頻所占有的頻帶范圍。上面討論了在單頻調制時的調角信號有效頻譜帶寬，實際上調制信號多為復雜信號，對復雜信號調制時，調頻信號占有的有效頻譜帶寬仍可用式(4.13)表示，但需將其中的F用調制信號中的最高頻率取代，用最大頻偏取代。舉例：調頻廣播系統(tǒng)中，按國家標準規(guī)定=l5kHz，=75kHz，由式(2.3.13)計算得到，實際取頻譜寬度200kHz。二、直接調頻電路調頻與調相都使瞬時相位、瞬

19、時頻率發(fā)生變化，因此，調頻與調相可以相互轉化，但在模擬信號的角度調制中，調頻調制應用更廣，這里主要學習調頻電路。調頻電路通常分為直接調頻電路和間接調頻電路，直接調頻是利用調制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率而實現的調頻方法。常用的直接調頻電路有變容二極管(或電抗管)調頻電路、晶振調頻電路、集成調頻電路等。直接調頻電路可獲得較高的調制靈敏度，較大調制頻偏和較好的調制線性，因此得到廣泛應用。1變容二極管直接調頻電路(1)調頻原理圖 2-3-5變容二極管接入振蕩回路   a) 變容二極管直接調頻電路  b) 高頻等效電路 

20、c) 低頻等效電路  d ) 曲線變容二極管直接調頻是利用調制信號直接控制變容二極管反偏電壓改變其電容量進而改變振蕩器的振蕩頻率而實現的調頻方法。圖2-3-5所示為變容二極管接入振蕩回路示意圖和曲線。當給PN結加反向偏置電壓時，結電容隨反向偏置電壓變化，變化范圍大約在3-20pF。目前常用的載波振蕩器為LC振蕩器，只要使變容二極管的可控電容參與回路電容，并用調制信號去控制變容二極管的電容量，就可以直接改變LC振蕩器的振蕩頻率，構成變容管直接調頻電路。在圖2-3-5 (a)中、對載波視為短路，同時、起隔離直流作用，為扼流圈，對載波視為開路，但對低頻和直流視

21、為短路；變容二極管的電容與L構成振蕩回路，如圖2-3-5 (b)所示，低頻調制信號與直流電壓迭加控制變容二極管的反偏電壓，其低頻等效電路如圖2-3-5 (c) 所示。振蕩頻率可近似由回路電感L和變容二極管結電容Cj所決定，即    （2.3.16）由于變容二極管的電容受調制信號的直接控制，所以振蕩頻率隨調制信號的變化而變化。變容二極管直接調頻電路控制方便，調制頻偏大，性能較好，常用于高頻寬帶調頻。（2）電路實例。圖 2-3-6 變容二極管的直接調頻a) 電原理圖  b) 高頻等效電路圖2-3-6

22、（a)所示為變容二極管90MHz直接調頻電路，調制信號電壓（含偏置直流）通過22H電感加在變容二極管兩端，控制變容二極管容量使振蕩器頻率隨低頻調制信號電壓變化。電路的基礎是電容三點式正弦振蕩器，如圖2-3-6 ( b)為振蕩部分交流等效電路，通過電感耦合輸出調頻信號。2晶體振蕩器直接調頻電路晶體振蕩器調頻電路是將變容二極管和石英晶體串聯或并聯后，接入振蕩回路構成的調頻振蕩器。圖2-3-7（a）為某型無線話筒晶體振蕩器直接調頻電路，音頻信號通過R29加在變容二極管負極，控制變容二極管結電容，實現直接調頻。電路中，電源電壓通過R29、R30、R31為變容二極管D4提供反向直流偏置，D4與

23、晶體Y1及電感L1串聯，再與C23,C27并聯構成克拉波振蕩器，改變L1可微調調頻中心頻率，交流等效電路如圖2-3-7（b）所示。該無線話筒發(fā)射的中心頻率是固定的，不同的頻點的無線話筒采用不同頻率的泛音晶體。石英晶體振蕩回路具有振蕩中心頻率十分穩(wěn)定，載波頻率飄移小的優(yōu)點，但晶體的調制頻偏小，為提高調頻頻偏，后級連接12倍頻電路使發(fā)射頻率倍頻到229.56MHz（19.130 MHz×12=229.56MHz）。倍頻后，不僅提高了載頻頻率，調制頻偏也擴大了12倍。          &#

24、160;   (a)                                         (b)圖 2-3-7 晶體振蕩器直接調頻電路a) 

25、;直接晶體調頻電路  b) 高頻振蕩等效電路 2.變容二極管調相電路：（按此仿真）對vc用諾頓定理變成載波恒流源，通過LCj移相網絡時，產生對c失諧，失諧量/6 其產生了相移，得 z=-nmQecost 即 m=Mp=nmQe=/6   結論：· 調相波常有寄生調幅 · Mp=nmQe=/6 · 欲提高相移應采用多極的變容二極管調相，即： · 調相電路中R3C3<1/，所以R3C3為音頻濾波器。 · 若調相電路中R3C3 滿足積分電路條件，說明這時變容二極管是受v(t) 的積分信號v'(t) 控制，變成了間接調頻電路，所以可得3.變容二極管間接調頻電路：    電路形式與變容二極管調相相似，若=103rad/s，那么實現間接調頻電路，只要將上述調相電路中R3改為470k，即可滿足的要求。電路為單級