《高頻電子技術(shù)》課件第4章

第四章調(diào)頻接收機(jī)：鑒頻與AFC電路4.1調(diào)頻波的認(rèn)識(shí)4.2調(diào)頻接收機(jī)的電路結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)4.3鑒頻電路與AFC電路

4.1調(diào)頻波的認(rèn)識(shí)

實(shí)驗(yàn)八調(diào)幅波與調(diào)頻波的比較

一、實(shí)驗(yàn)步驟

步驟1：觀測(cè)調(diào)幅波

使高頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生中心頻率1MHz，調(diào)制信號(hào)頻率為1kHz、調(diào)制度為30%的調(diào)幅波。示波器掃描周期置于2ms/div，用示波器觀察該調(diào)幅波。我們可以在示波器上觀測(cè)到已十分熟悉的調(diào)幅波形。

步驟2：觀測(cè)載波

去掉高頻信號(hào)發(fā)生器的調(diào)制，然后將示波器掃描周期逐步減少到2μs/div。可以在示波器上觀測(cè)到載波的波形，其形狀是我們熟悉的正弦波。

步驟3： 觀測(cè)調(diào)頻波

將高頻信號(hào)發(fā)生器的調(diào)制方式置于調(diào)頻，示波器顯示的波形如圖4－1所示。改變高頻信號(hào)發(fā)生器上調(diào)制度的大小，可以感受到波形重疊部分寬度的變化。圖4－1普通示波器觀測(cè)到的調(diào)頻波二、實(shí)驗(yàn)分析

(1)在第一章中我們對(duì)調(diào)幅波有了一定的了解，調(diào)幅波是用調(diào)制波去控制和改變載波的幅度。用調(diào)制波去控制和改變載波的頻率，亦即使載波的瞬時(shí)頻率隨要傳送的信號(hào)強(qiáng)度變化，這種已調(diào)波稱為調(diào)頻波。

(2)實(shí)驗(yàn)步驟3中我們看到了給載波加上頻率調(diào)制后，原來(lái)的單一正弦波變成了圖4－1所示的波形，它說(shuō)明被調(diào)波包含著一個(gè)頻帶而非單一的頻率，加大調(diào)制度，頻帶變寬。如果實(shí)驗(yàn)室有存儲(chǔ)示波器，我們可以看到如圖4－2所示的調(diào)頻波的實(shí)際波形。圖4－2調(diào)頻波與調(diào)幅波的區(qū)別圖4－2畫(huà)出了經(jīng)單一頻率調(diào)制的調(diào)幅波與調(diào)頻波的波形，由此可以清楚地看出兩者的區(qū)別：調(diào)幅波的頻率與相位與載波相同，是恒定的，調(diào)制信息包含在包絡(luò)內(nèi)；調(diào)頻波則是等幅疏密波，疏密程度正比于調(diào)制信號(hào)的幅度，相鄰最疏波或最密波的時(shí)間間隔或疏密相間的周期恰等于調(diào)制信號(hào)的周期，信息包含在載波頻率的瞬時(shí)變化中。4.2調(diào)頻接收機(jī)的電路結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

與調(diào)幅波一樣，調(diào)頻信號(hào)也可用于各種通信系統(tǒng)中，我們通過(guò)對(duì)調(diào)頻廣播接收機(jī)的認(rèn)識(shí)，來(lái)學(xué)習(xí)有關(guān)調(diào)頻接收的基本知識(shí)與基本電路。

圖4－3為普通調(diào)頻廣播接收機(jī)的方框圖。由于采用不同的調(diào)制方式，調(diào)幅接收機(jī)與調(diào)頻接收機(jī)的主要區(qū)別在于解調(diào)方式的不同。下面通過(guò)調(diào)頻與調(diào)幅接收機(jī)的對(duì)照，分析調(diào)頻廣播接收機(jī)的特點(diǎn)。圖4－3普通調(diào)頻廣播接收機(jī)方框圖

(1)調(diào)頻接收機(jī)在混頻級(jí)前必須有高放電路。

調(diào)幅接收機(jī)中，從天線感應(yīng)到的信號(hào)可直接與本振信號(hào)混頻，但調(diào)頻接收機(jī)必須先將天線感應(yīng)到信號(hào)放大后再去混頻。這是因?yàn)檎{(diào)頻廣播接收機(jī)工作在甚高頻段，機(jī)內(nèi)噪聲對(duì)整機(jī)靈敏度影響比中、短波大。在超外差式接收機(jī)中，變頻電路是機(jī)內(nèi)噪聲的主要來(lái)源。因此調(diào)頻接收機(jī)增設(shè)高頻放大電路，可以提高到達(dá)變頻級(jí)之前的高頻已調(diào)信號(hào)與高頻噪聲信號(hào)之比，明顯提高整機(jī)靈敏度。（2）調(diào)頻廣播接收機(jī)的載波頻率與中間頻率高于調(diào)幅接收機(jī)。

已調(diào)載波信號(hào)不再是單一的頻率，無(wú)論調(diào)幅波還是調(diào)頻波，都具有一定的帶寬。在第二篇的學(xué)習(xí)中我們就會(huì)知道，調(diào)制頻率、調(diào)制度相同的調(diào)頻波的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于調(diào)幅波的帶寬。我國(guó)立體聲調(diào)頻廣播的帶寬大約可達(dá)到200kHz，這就要求載波的頻率不能太低。例如，假設(shè)載頻為1000kHz，如果信號(hào)帶寬為200kHz，則這個(gè)載頻信號(hào)的最低頻率為900kHz，最高頻率為1100kHz，兩者相對(duì)差值達(dá)20%，電路、元件、天線等很難保證對(duì)它們一視同仁。但若載頻為100MHz，對(duì)200kHz的帶寬，信號(hào)的最低頻率為99.9MHz最高頻率為100.1MHz，兩者相對(duì)差值僅為2‰，處理起來(lái)就要方便得多。因此現(xiàn)行的調(diào)頻廣播都使用超短波。我國(guó)的調(diào)頻廣播波段規(guī)定為88～108MHz，中頻規(guī)定為10.7MHz。（3）調(diào)頻接收機(jī)采用中頻限幅放大，可不設(shè)AGC電路。

在接收機(jī)中，當(dāng)輸入高頻信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，隨著輸入信號(hào)的增強(qiáng)，中放電路各級(jí)從后向前依次進(jìn)入限幅狀態(tài)，對(duì)調(diào)幅接收機(jī)來(lái)說(shuō)，這是不允許的，因此調(diào)幅接收機(jī)設(shè)置了AGC電路。而調(diào)頻接收機(jī)卻恰恰需要將高頻信號(hào)限幅。調(diào)頻波的幅度不傳送任何信息，它的幅度之所以要經(jīng)過(guò)中放電路的足夠放大，一方面是使后面的鑒頻電路能正常解調(diào)，另一方面正是為了對(duì)已調(diào)波進(jìn)行良好的限幅。對(duì)已調(diào)波進(jìn)行限幅的好處是：第一，切除掉疊加在振幅上的各種干擾；第二，抑制掉比有用載波信號(hào)小的調(diào)頻干擾和噪聲干擾。因此，調(diào)頻接收機(jī)的抗干擾性和信噪比均比調(diào)幅接收機(jī)有顯著的提高。（4）解調(diào)方式不同。

調(diào)頻接收機(jī)的解調(diào)電路是將已調(diào)波的瞬時(shí)頻率變化變成電壓的變化，稱為鑒頻。其解調(diào)原理和電路與調(diào)幅檢波器不同。

（5）調(diào)頻接收機(jī)一般設(shè)置自動(dòng)頻率控制（AFC）電路。

調(diào)頻廣播接收機(jī)的本振頻率高達(dá)100MHz以上，比調(diào)幅接收機(jī)高得多，對(duì)于這樣高的頻率，當(dāng)接收機(jī)受外來(lái)機(jī)械沖擊、震動(dòng)、溫度變化等因數(shù)影響時(shí)，頻率的變化也很大。本振頻率一變，接收機(jī)出現(xiàn)偏調(diào)，使接收機(jī)音質(zhì)變差。為了防止這類(lèi)情況發(fā)生，調(diào)頻接收機(jī)一般都設(shè)置專(zhuān)門(mén)電路，自動(dòng)穩(wěn)定本振的頻率。 4.3鑒頻電路與AFC電路

調(diào)頻接收機(jī)中的高放、中放、變頻電路，其作用和原理與調(diào)幅接收機(jī)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。為此，我們只討論與調(diào)幅接收有著根本區(qū)別的鑒頻電路與AFC電路。

調(diào)頻接收與調(diào)幅接收的根本區(qū)別在于處理的信號(hào)不同，前者處理的是調(diào)頻信號(hào)，而后者處理的是調(diào)幅信號(hào)。在接收機(jī)里主要表現(xiàn)為二者的解調(diào)方式不同，因而所用的解調(diào)電路也不同，前者用鑒頻器解調(diào)，后者用檢波器解調(diào)。

實(shí)驗(yàn)九鑒頻電路的認(rèn)識(shí)

一、實(shí)驗(yàn)步驟

步驟1：觀測(cè)鑒頻輸出波形

在給出的實(shí)驗(yàn)板（實(shí)驗(yàn)板電路如圖4－4所示）上，輸入端加入中心頻率為10.7MHz、調(diào)制頻率為1kHz，調(diào)制度為30%的調(diào)頻信號(hào)，輸入信號(hào)幅度約30～60mV。用示波器測(cè)量鑒頻輸出端的輸出波形。調(diào)節(jié)T2磁芯，使輸出的音頻信號(hào)幅度大，上下半波對(duì)稱，并測(cè)出信號(hào)周期；隨后將高頻信號(hào)發(fā)生器的調(diào)制頻率轉(zhuǎn)換為400Hz，再一次測(cè)量出鑒頻輸出信號(hào)的周期。注意一下兩次測(cè)量的數(shù)據(jù)與調(diào)制信號(hào)的周期是否一致，然后依次沿正、負(fù)兩個(gè)方向改變高頻信號(hào)發(fā)生器輸出的中心頻率與調(diào)制度、觀測(cè)輸出波形的變化，體會(huì)一下變化的規(guī)律。圖4－4鑒頻電路如果實(shí)驗(yàn)板工作正常，兩次測(cè)量到的音頻信號(hào)的周期數(shù)分別為1ms與1.25ms，恰與1kHz、400Hz的調(diào)制信號(hào)頻率相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明電路將實(shí)驗(yàn)4.1中觀測(cè)到的已調(diào)高頻信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)解調(diào)出來(lái)了。調(diào)節(jié)磁芯，輸出信號(hào)的幅度與失真度會(huì)發(fā)生變化，改變輸入信號(hào)的中心頻率，也會(huì)使輸出波形失真。步驟2：測(cè)繪鑒頻曲線

將示波器置DC位置，時(shí)基線置屏幕中間。輸入探頭接實(shí)驗(yàn)板輸出端，高頻信號(hào)發(fā)生器輸出50mV、頻率為6MHz的等幅信號(hào)與實(shí)驗(yàn)板輸入端相接，同時(shí)用數(shù)字萬(wàn)用表DC擋監(jiān)測(cè)電容器C8兩端的電壓UCD。接通實(shí)驗(yàn)板電源，調(diào)節(jié)T2磁芯使示波器的輸出為零。保持高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出幅度不變，改變輸出信號(hào)的頻率。按表4－1給出的頻率點(diǎn)，測(cè)量鑒頻輸出的電壓幅度與C8兩端的電壓幅度，并將其值填入表中，在直角坐標(biāo)系上繪出鑒頻輸出電壓與頻率的關(guān)系曲線。表4－1鑒頻輸出與頻率的關(guān)系

步驟3：用掃頻儀測(cè)量與校正鑒頻特性曲線

將掃頻儀置短波波段，掃頻儀的輸出探頭接實(shí)驗(yàn)板的輸入端（T1的初級(jí)），掃頻儀輸入探頭接實(shí)驗(yàn)板的鑒頻輸出端。調(diào)節(jié)掃頻儀的相關(guān)旋鈕，使熒光屏上顯示如圖4－5的曲線。

比較一下掃頻儀顯示的曲線與步驟2所示的曲線是否一致。調(diào)節(jié)T2磁芯，觀測(cè)曲線在頻率軸的位置、幅度、形狀的變化。最后將曲線調(diào)至過(guò)水平位置時(shí)恰為10.7MHz，曲線上下對(duì)稱。圖4－5鑒頻特性曲線二、實(shí)驗(yàn)分析

1．鑒頻原理

在步驟1中，我們觀察到電路對(duì)調(diào)頻波的解調(diào)或稱鑒頻作用。鑒頻是調(diào)頻的逆變換，鑒頻電路的任務(wù)是從調(diào)頻波中檢出原調(diào)制信號(hào)。由于調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)大小變化，所以鑒頻器就須將已調(diào)波的頻率變化變換成電壓或電流幅度的變化。直接進(jìn)行這樣的變換是不易實(shí)現(xiàn)的，通常分兩部分完成：第一步先將等幅調(diào)幅波變換成幅度隨頻率變化的調(diào)頻波，即調(diào)幅調(diào)頻波，這時(shí)其幅度變化的規(guī)律與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律相同；第二步是利用振幅檢波電路檢出幅度的變化，從而得到原調(diào)制信號(hào)。下面針對(duì)圖4－4簡(jiǎn)單介紹鑒頻電路的工作原理。

1）調(diào)頻波變成調(diào)頻調(diào)幅波

圖4－4中，高頻扼流圈L3右端接地，左端通過(guò)C4與初級(jí)LC回路相接，由于C4的耦合作用以及旁通作用，L3同初級(jí)LC回路是并聯(lián)的，它兩端的電壓與初級(jí)回路同相，設(shè)為Ui。設(shè)次級(jí)電壓為U2，則次級(jí)線圈L1、L2上的電壓對(duì)中心抽頭來(lái)說(shuō)，分別為±U2/2。為此，可將圖4－4改畫(huà)成圖4－6的形式。圖4－6圖4－4的等效電路對(duì)高頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，C6、C7可視作短路，為此，加在VD1與VD2上的檢波電壓分別為A、O之間與B、O之間的電壓

3．電路的限幅作用

步驟2中，測(cè)得電容C8上有一直流電壓，當(dāng)改變輸入信號(hào)的頻率時(shí)，該電壓的值基本不變。由于C8足夠大，在輸入電壓幅度突然變化時(shí)，C8兩端的電壓幅度也能維持不變，因此它能抑制掉調(diào)頻波中的調(diào)幅干擾，使電路具有限幅作用。為了說(shuō)明電路的限幅原理，我們把圖4－4簡(jiǎn)化如圖4－8。圖4－8限幅等效電路

4．自動(dòng)頻率控制（AFC）

在實(shí)驗(yàn)步驟1中我們看到，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率不是10.7MHz時(shí)，或者說(shuō)輸入信號(hào)的頻率與調(diào)諧回路的頻率不一致時(shí)，輸出波形會(huì)失真，這是我們所不希望的。當(dāng)然，我們可以調(diào)試好電路，使變頻輸出的中頻信號(hào)恰為10.7MHz，同時(shí)保證鑒頻諧振回路的諧振頻率也為10.7MHz，以避免失真。然而，一臺(tái)調(diào)試好了的接收機(jī)可能因?yàn)榉N種原因破壞原來(lái)的狀態(tài)，最常見(jiàn)的情況是因?yàn)檎饎?dòng)、溫度變化等原因引起的本振頻率偏移，本機(jī)頻率一變，接收機(jī)必然偏調(diào)，混頻出來(lái)的中頻不再是10.7MHz，使接收機(jī)音質(zhì)變差。為避免這種情況的發(fā)生，在調(diào)頻接收機(jī)中，一般都設(shè)置了自動(dòng)頻率控制（AFC）電路。自動(dòng)頻率控制是利用偏調(diào)時(shí)鑒頻輸出的直流電壓作為控制信號(hào)通過(guò)閉環(huán)控制完成的。我們可以通過(guò)圖4－9來(lái)分析AFC電路。圖4－9

AFC電路圖4－9中，VD3為變?nèi)荻O管，變?nèi)荻O管的結(jié)電容與加在它兩端的反向電壓有關(guān)，反壓越高，電容量越小。VD3通過(guò)C2并聯(lián)在本振電路的諧振回路中，它的大小影響著本振頻率。

當(dāng)接收機(jī)本振頻率因?yàn)槟撤N原因漂移時(shí)，變頻級(jí)差出的中頻信號(hào)頻率必然隨之偏離原始狀態(tài)時(shí)的頻率。假設(shè)頻率偏低，并假設(shè)鑒頻電路的曲線為左高右低，則鑒頻器輸出相應(yīng)的正向直流分量，此直流電壓通過(guò)R1、R2作用于變?nèi)荻O管，使它的電容量減小，于是本振頻率變高，中頻信號(hào)頻率也隨之變高，回復(fù)到原始頻率。這種自動(dòng)返回的過(guò)程是通過(guò)本振—混頻—中放—鑒頻—本振構(gòu)成的頻率調(diào)節(jié)負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。有關(guān)AFC電路的理論將在第二篇中詳細(xì)分析。以上我們僅接觸了一種稱為電容耦合的比例鑒頻器。在以后的學(xué)習(xí)中，我們還會(huì)涉及其它的鑒頻器，包括斜率鑒頻器，不同耦合方式的相位鑒頻器、脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器等多種形式。

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)與分析，我們對(duì)調(diào)頻接