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1、第18讲高频直接调频电路1第1页，共51页，编辑于2022年，星期日间接调频：间接调频：对调制信号先积分后调相对调制信号先积分后调相 (fC 较稳定，但是频偏小较稳定，但是频偏小 )直接调频：直接调频：对振荡器直接进行频率调制对振荡器直接进行频率调制 (可获大频偏，但可获大频偏，但 fC 不稳定不稳定)请一班请一班5 5位同学位同学:实现实现图图6-156-15电路仿真电路仿真请二班请二班5 5位同学位同学:实现（旧版）实现（旧版）图图7-167-16电路仿真电路仿真请三班请三班5 5位同学位同学:实现实现图图6-29a6-29a电路仿真电路仿真请四班请四班5 5位同学位同学:实现实现图图6-
2、29b6-29b电路仿真电路仿真请五班请五班5 5位同学位同学:实现实现图图6-276-27电路仿真电路仿真2第2页，共51页，编辑于2022年，星期日 压控振荡器的振荡频率随调制信号线性变化压控振荡器的振荡频率随调制信号线性变化，压控振荡器的中心频率即为载波频率压控振荡器的中心频率即为载波频率。若被控制的是若被控制的是LCLC振荡器振荡器,则则只需控制振荡回路的只需控制振荡回路的某个元件某个元件(L(L或或C),C),使其参数随调制电压变化使其参数随调制电压变化,就可达就可达到直接调频的目的。到直接调频的目的。直接调频法直接调频法3第3页，共51页，编辑于2022年，星期日1.1.调制特性调
3、制特性 要线性要线性调频电路输出电压调频电路输出电压的频率偏移与调制的频率偏移与调制电压的关系（电压的关系（fV ）一一.调频电路的指标：调频电路的指标：4第4页，共51页，编辑于2022年，星期日4.4.相对相对频偏频偏 1%大频偏大频偏 1%小频偏小频偏3.3.中心频率中心频率(载波频率载波频率)要稳定要稳定2.2.调制灵敏度：调制灵敏度：)V/Hz(WD=vfKf5第5页，共51页，编辑于2022年，星期日PN结的电容效应结的电容效应电容效应包括两部分电容效应包括两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容(a)PN 结加正向电压结加正向电压（b)PN 结加反向电压结加反向电压-N空间空间电荷
4、区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+-UV6第6页，共51页，编辑于2022年，星期日应满足：应满足：|V VQ Q|V V m mC C1 1 隔直作用隔直作用C C2 2 高频滤波电容高频滤波电容L L1 1 高频扼流圈高频扼流圈变容二极管直接调频电路利用结电容受反向外加电压控制而变化来实现调频。利用结电容受反向外加电压控制而变化来实现调频。7第7页，共51页，编辑于2022年，星期日加在变容管上的电压加在变容管上的电压8第8页，共51页，编辑于2022年，星期日图图7-7-13 变容二极管作为回路总电容的直接调频电路变容二极管作为回路总电容的直接调频电路9第9页，共51页，
5、编辑于2022年，星期日140MHz的变容管直接调频电路的变容管直接调频电路 150pF10第10页，共51页，编辑于2022年，星期日L L1 1与变容管与变容管CjCj构成振荡回路并与晶体管构成振荡回路并与晶体管Q1Q1接成电感三点式接成电感三点式 振荡电路。振荡电路。变容管的直流电压偏置从正电源稳压电路中通过两个变容管的直流电压偏置从正电源稳压电路中通过两个470W470W 电位器取出一部分提供，作为电位器取出一部分提供，作为V VQ Q。调制信号通过调制信号通过1.7mH1.7mH的高频扼流圈的高频扼流圈L L2 2和两个和两个150pF150pF电容电容 C1 C1、C2C2接成的接
6、成的p p型滤波网络加到变容管上。型滤波网络加到变容管上。11第11页，共51页，编辑于2022年，星期日两个对接的变容二极管部分接入的直接调频电路两个对接的变容二极管部分接入的直接调频电路 （1 1）两个变容二极管串联后的总电容）两个变容二极管串联后的总电容（2 2）两两变变容容二二极极管管反反向向串串联联，对对高高频频信信号号而而言言，加加到到两两管管的的高高频频电电压压降降低低一一半半，可可减减弱弱高高频频电电压压对对结结电电压压的的影影响响，另另外外在在高高频频电电压压的的任任 一一 半半 周周 内内，一一 个个 变变 容容 管管 寄寄 生生 电电 容容 增增 大大，而而 另另 一一
7、个个减少，从而消弱寄生调制。减少，从而消弱寄生调制。12第12页，共51页，编辑于2022年，星期日 图示是一个电容式话筒调频发射机实例。图示是一个电容式话筒调频发射机实例。电容话筒在声波作用下，内部的金属薄膜产生振动，会引起薄膜电容话筒在声波作用下，内部的金属薄膜产生振动，会引起薄膜与另一电极之间电容量的变化。如果把电容式话筒直接接到振荡器的与另一电极之间电容量的变化。如果把电容式话筒直接接到振荡器的谐振回路中，作为回路电抗就可构成调频电路。谐振回路中，作为回路电抗就可构成调频电路。13第13页，共51页，编辑于2022年，星期日 电电容容式式话话筒筒振振荡荡器器是是电电容容三三点点式式电电
8、路路，它它利利用用了了晶晶体体管管的的极极间间电电容容。电电容容话话筒筒直直接接并并联联在在振振荡荡回回路路两两端端，用用声声波直接进行调频。波直接进行调频。图图（b b）是是电电容容式式话话筒筒的的原原理理图图，金金属属膜膜片片与与金金属属板板之之间间形形成成电电容容，声声音音使使膜膜片片振振动动，两两片片间间距距随随声声音音强强弱弱而而变变化化，因因而而电电容容 量量 也也 随随 声声 音音 强强 弱弱 而而 变变 化化。在在 正正 常常 声声 压压 下下，电电容量变化较小，为获得足够的频偏应选择较高的载频。容量变化较小，为获得足够的频偏应选择较高的载频。14第14页，共51页，编辑于20
9、22年，星期日 这种调频发射机载频约在几十兆赫兹到几百兆赫兹之间。这种调频发射机载频约在几十兆赫兹到几百兆赫兹之间。耳语时，频偏约有耳语时，频偏约有2kHz2kHz；大声说话时，频偏约大声说话时，频偏约40kHz40kHz左右；左右；高声呼喊时，频偏可达高声呼喊时，频偏可达75kHz75kHz。这种电路没有音频放大器所造成的非线性失真，易于获得这种电路没有音频放大器所造成的非线性失真，易于获得较好的音质。这种调频发射机只有一级振荡器，输出功率小，较好的音质。这种调频发射机只有一级振荡器，输出功率小，频率稳定度差，但体积小，重量轻。频率稳定度差，但体积小，重量轻。15第15页，共51页，编辑于2
10、022年，星期日Cj+Cj0 反向电压反向电压v =0 时的结电容时的结电容VD PN结内建电位差结内建电位差(很小很小)电容的变化指数电容的变化指数 变容二极管直接调频原理分析Cjv 16第16页，共51页，编辑于2022年，星期日CjQ当调制信号为：当调制信号为：=gWgW+)cos1()(0tVVVVVVCQDmDQDjCjv 结电容的调制度结电容的调制度M17第17页，共51页，编辑于2022年，星期日结电容的调制度结电容的调制度静态结电容动态结电容18第18页，共51页，编辑于2022年，星期日瞬时振荡角频率为瞬时振荡角频率为:19第19页，共51页，编辑于2022年，星期日线性调制
11、线性调制调制特性分析调制特性分析最大频偏最大频偏20第20页，共51页，编辑于2022年，星期日调制特性分析调制特性分析利用函数展开幂级数利用函数展开幂级数21第21页，共51页，编辑于2022年，星期日最大角频偏最大角频偏中心频率偏移中心频率偏移调制灵敏度调制灵敏度22第22页，共51页，编辑于2022年，星期日例例 调频振荡回路有电感调频振荡回路有电感L L和变容二极管组成。和变容二极管组成。L=2mH,变容二极管的参数为变容二极管的参数为：(1)(1)载波载波fc(2)(2)由调制信号引起的载波漂移由调制信号引起的载波漂移fc(3)(3)最大频偏最大频偏fm(4)(4)调频系数调频系数k
12、f(5)(5)二阶失真系数二阶失真系数23第23页，共51页，编辑于2022年，星期日解解24第24页，共51页，编辑于2022年，星期日25第25页，共51页，编辑于2022年，星期日26第26页，共51页，编辑于2022年，星期日C3为高频滤波电容变容管部分接入振荡回路变容管部分接入振荡回路27第27页，共51页，编辑于2022年，星期日动态结电容 C1、C2 的引入，使的引入，使Cj 对回路总电容的影响减小，从而对回路总电容的影响减小，从而 c c 的稳的稳定性提高定性提高28第28页，共51页，编辑于2022年，星期日C30.002uF20pF调频波输出调频波输出 2例：对图例：对图6
13、-15所示的变容管直接调频电路。所示的变容管直接调频电路。1.说明电路中各元件的作用；说明电路中各元件的作用；2.画出该调频振荡器的高频通路、变容管的直流通路和音频通路。画出该调频振荡器的高频通路、变容管的直流通路和音频通路。3.若已知若已知u(t)=Umcos(2104t)(V)，变容管结电容，变容管结电容Cj=80(UQ+u)0.5(pF),调频指数调频指数mf=5，当，当u=0时的振荡频率为时的振荡频率为fc=90MHz，试求变容管所需，试求变容管所需的直流偏置电压的直流偏置电压UQ，调频波的最大频偏，调频波的最大频偏fm以及调制信号的振幅以及调制信号的振幅Um。29第29页，共51页，
14、编辑于2022年，星期日(1)(1)R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4为晶体管提供直流偏置和直流通路，为晶体管提供直流偏置和直流通路，R R4 4、R R5 5、R R6 6、R R7 7为变容管提供直流反偏置和直流通路；为变容管提供直流反偏置和直流通路；1000pF1000pF，0.001mF0.001mF、0.002mF0.002mF均为高频旁路电容，即高频交流通路；均为高频旁路电容，即高频交流通路；47mH47mH为高频扼流图，对高频近似开路，对直流、低频近似短路；为高频扼流图，对高频近似开路，对直流、低频近似短路；47 mF47 mF为隔直为隔直电容，对低频近似短路
15、；电容，对低频近似短路；C C1 1、C C2 2、C C3 3、C C4 4、C C5 5、C Cj j和电感和电感L L1 1与晶体管与晶体管Q1Q1构成电容三点式振荡器；构成电容三点式振荡器；L L1 1、L L2 2互感耦合输出互感耦合输出v vFMFM。C30.002uF20pF调频波输出调频波输出 2解解30第30页，共51页，编辑于2022年，星期日(2)高频通路 31第31页，共51页，编辑于2022年，星期日(3)32第32页，共51页，编辑于2022年，星期日33第33页，共51页，编辑于2022年，星期日34第34页，共51页，编辑于2022年，星期日3.3.晶体振荡器直
16、接调频电路晶体振荡器直接调频电路 在要求调频波在要求调频波中心频率稳定度高中心频率稳定度高，而，而频偏较小频偏较小的场合，的场合，可采可采用变容二极管用变容二极管+晶体直接调频电路。晶体直接调频电路。35第35页，共51页，编辑于2022年，星期日注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，故只能工作于晶体的串联谐振频率故只能工作于晶体的串联谐振频率f q与并联谐振频率与并联谐振频率f p之间之间，而，而f q与与 f p之间的频率变化范围只有之间的频率变化范围只有量级，再加上量级，再加上Cj的串联，晶体的的串联，晶体的可调振荡频率更窄可调振荡频率更窄。扩大频偏
17、的方法有两种：扩大频偏的方法有两种：晶体支路中串接小电感；晶体支路中串接小电感；利用利用型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感 性的工作频率范围。性的工作频率范围。36第36页，共51页，编辑于2022年，星期日4.4.集成电路集成电路MC283337第37页，共51页，编辑于2022年，星期日4.4.集成电路集成电路MC2833MC2833是单片调频发射集成电路是单片调频发射集成电路 38第38页，共51页，编辑于2022年，星期日39第39页，共51页，编辑于2022年，星期日fi(t)晶晶振振 PD PD LF LFVCOfo(t)调调 频频波波f(t)调制
18、信号调制信号+5.用锁相实现调频用锁相实现调频能够得到中心频率高度稳定的调频信号能够得到中心频率高度稳定的调频信号 当调制信号为锯齿波时，可输出扫频信号。当调制信号为数字脉当调制信号为锯齿波时，可输出扫频信号。当调制信号为数字脉冲时，可产生移频键控调制（冲时，可产生移频键控调制（FSKFSK信号）信号）调制信号作为调制信号作为VCOVCO控制电压的一部分使其频率产生相应的控制电压的一部分使其频率产生相应的变化，由此在输出端得到已调频信号。变化，由此在输出端得到已调频信号。40第40页，共51页，编辑于2022年，星期日间接调频法间接调频法高稳定度高稳定度载波振荡器载波振荡器 相位相位调制器调制
19、器积分积分 电路电路多级倍频多级倍频和混频器和混频器宽带宽带 窄带窄带 采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定对这个稳定的载频信号进行调相的载频信号进行调相，这样一来就可得到中心频率稳定度高的调频，这样一来就可得到中心频率稳定度高的调频信号。信号。41第41页，共51页，编辑于2022年，星期日42第42页，共51页，编辑于2022年，星期日高稳定度高稳定度载载 波波 振振 荡荡器器 相位相位调制器调制器积分积分 电路电路多级倍频多级倍频和混频器和混频器宽带宽带 窄带窄带 在在间间接接调调频频时时，要要获获得得线线性性调调频频必必需需以以
20、线线性性调调相相为为基基础础。但但在在实实现现线线性性调调相相时时，要要求求最最大大瞬瞬时时相相位位偏偏移移m30，因因而而线线性性调调相相的的范范围很窄。围很窄。因因此此，转转换换成成的的调调频频波波的的最最大大频频偏偏 fm很很小小，即即：mf1，这这是是间接调频法的主要缺点。间接调频法的主要缺点。但但最最大大频频偏偏小小的的缺缺点点可可以以通通过过多多级级倍倍频频器器后后获获得得符符合合要要求求的的调调频频频频偏偏，另另外外采采用用混混频频器器变变换换频频率率可可以以得得到到符符合合要要求求的的调调频频波波工作范围。工作范围。43第43页，共51页，编辑于2022年，星期日R1R2R3R
21、4C1C2C3C4CjL载波输入载波输入间接调频的关键电路是间接调频的关键电路是调相器调相器.高稳定度高稳定度 振荡器振荡器 调相器调相器 积分器积分器 如如果果忽忽略略二二次次方方以以上上各各项项，可可得回路的谐振频率为得回路的谐振频率为：将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。相电路。CjLUQ=9V载波输入载波输入调相波调相波 输出输出回路的频率偏移为：回路的频率偏移为：在在高高Q值值及及谐谐振振回回路路失失谐谐不不大大的的情情况况下下，并并联联LC谐谐振振回路电压和电流间的相位关系为：回路电压和电流
22、间的相位关系为：调相波调相波 输出输出载波输入载波输入44第44页，共51页，编辑于2022年，星期日调相波调相波 输出输出Oo幅频特性幅频特性/6-/6 当当 /6(或或30o)时，时，tan 可得可得:表明表明:单级单级LC谐振回路在满足谐振回路在满足 /6（30o）的条件下，回路输出电压）的条件下，回路输出电压的相移是与输入调制电压的相移是与输入调制电压u(t)成线性关系的。成线性关系的。如如果果将将调调制制电电压压u u(t t)先先积积分分后后再再加加在在变变容容二二极极管管上上，则则单单级级LCLC谐谐振振回回路路输输出出电电压压的的瞬瞬时时频频率率(t)(t)就就与与输输入入调调
23、制制电电压压u u(t t)成成线线性性关系，即可实现对调制电压关系，即可实现对调制电压u u(t t)的间接调频。的间接调频。45第45页，共51页，编辑于2022年，星期日图图7-24.7-24.实用变容二极管调相电路实用变容二极管调相电路 由由晶晶体体管管组组成成单单LCLC回回路路调调谐谐放放大大电电路路，电电感感L L、电电容容C C1 1、C C2 2与与变变容容管管C Cj j组组成成并联谐振回路；并联谐振回路；C C3 3、C C4 4、C C5 5为耦合电容；为耦合电容；L LZ Z为高频扼流圈，以防高频载波被调制信号源旁为高频扼流圈，以防高频载波被调制信号源旁路路;R R5
24、 5、R R6 6对电源对电源E EC C分压后为变容二极管提供静态偏置电压分压后为变容二极管提供静态偏置电压U UQ Q。放大的载波信号经放大的载波信号经C C3 3耦合输入，调制信号经耦合输入，调制信号经C C5 5耦合输入，调相信号经耦合输入，调相信号经C C4 4耦耦合输出。如果将调制电压合输出。如果将调制电压u u(t t)先积分后再输入，那么从先积分后再输入，那么从C C4 4耦合输出的信号就是对耦合输出的信号就是对调制电压调制电压u u(t t)的间接调频波。的间接调频波。载波输入载波输入 uFM(t)R5R1R3R4R3CbC1CjC3C2C4C5LLZECR6Ce+UQ-46
25、第46页，共51页，编辑于2022年，星期日 注意图中注意图中470k470k和三个和三个0.0020.002F F的并联电容组成的电路满足积的并联电容组成的电路满足积分器的条件，因此加到三个变容二极管上的电压为调制电压的积分器的条件，因此加到三个变容二极管上的电压为调制电压的积分，所以该电路的输出是调频信号，实现了间接调频的目的。分，所以该电路的输出是调频信号，实现了间接调频的目的。图示为三级单回路变容二极管调相电路。这样使该电路图示为三级单回路变容二极管调相电路。这样使该电路总的相移近似三个回路的相移之和，为总的相移近似三个回路的相移之和，为 47第47页，共51页，编辑于2022年，星期
26、日2.2.改善频偏的方法改善频偏的方法 最大线性频偏最大线性频偏是频率调制器的主要质量指标。在实际调频设是频率调制器的主要质量指标。在实际调频设备中，需要的最大线性频偏往往不是简单的调频电路能够达到备中，需要的最大线性频偏往往不是简单的调频电路能够达到的，因此，如何扩展最大线性频偏是设计调频设备的一个关键的，因此，如何扩展最大线性频偏是设计调频设备的一个关键问题。问题。则当该调频波通过倍频次数为则当该调频波通过倍频次数为n n的倍频器时，它的瞬时角频率将的倍频器时，它的瞬时角频率将增大增大n n倍，变为倍，变为 可见，倍频器可以不失真的将调频波的载波角频率和最大角可见，倍频器可以不失真的将调频
27、波的载波角频率和最大角频偏同时增大频偏同时增大n n倍。倍。一个调频波，若设它的瞬时振荡角频率为一个调频波，若设它的瞬时振荡角频率为 48第48页，共51页，编辑于2022年，星期日 如果将该调频波通过混频器，则由于混频器具有频率加减的功能，因如果将该调频波通过混频器，则由于混频器具有频率加减的功能，因而，可以使调频波的中心角频率降低或者增高，但不会引起最大角频偏而，可以使调频波的中心角频率降低或者增高，但不会引起最大角频偏变化。变化。可见，混频器可以在保持调频波最大角频偏不变的条件下增高可见，混频器可以在保持调频波最大角频偏不变的条件下增高或降低中心角频率，换句话说，或降低中心角频率，换句话说，混频器可以不失真的改变调频波的相对混频器可以不失真的改变调频波的相对角频偏。角频偏。换句话说，换句话说，倍频器可以在保持调频波的相对角频偏不变的倍频器可以在保持调频波的相对角频偏不变的条件下成倍的扩展其最大角频偏。条件下成倍的扩展其最大角频偏。49第49页，共51页，编辑于2022年，星期日50第50页，共51页，编辑于2022年，星期日作业作业:(新版新版:P249):P249)6-5(1)6-5(1)6-6 6-6 6-7(1)(2)6-7(1)(2)6-9 6-951第51页，共51页，编辑于2022年，星期日