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1、实验三.变容管调频电路和鉴频器n n频率调制频率调制是无线电通信的一类重要的调制方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。典带宽较宽，常用于超短波及频率更高的波段。典型的如型的如FMFM广播，电视伴音等。调频信号的产生广播，电视伴音等。调频信号的产生常有两种方法：常有两种方法：1.1.间接调频间接调频(俗称阿姆斯特朗法俗称阿姆斯特朗法):):先对调制信号积分再用载波调相，其特点是：先对调制信号积分再
2、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，调制振荡分离，故频率稳定性高，但频偏小，电路较复杂。电路较复杂。2.2.直接调频直接调频:用调制电压去控制用调制电压去控制LCLC回路参数，其特点是：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。调频电路和电抗管调频。由于变容二极管工作频率范围宽，固有损耗由于变容二极管工作频率范围宽，固有损耗小，小，使用方便，电路简单，故本节介绍变容管调使用方便，电路简单，故本节介绍变容管调频及
3、其实验仿真。从调频信号中解调出调制信频及其实验仿真。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、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。论的是集成差动峰值鉴频器。试验任务与要求n n实验目的n n了解变容二极管调频振荡器的工作原理了解变容二极管调频振荡器的工作原理n n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设计方法及组成电路n n掌握调频振荡器的调整方法和测试方法掌握调频振荡
4、器的调整方法和测试方法n n了解集成鉴频器的工作原理及性能分析了解集成鉴频器的工作原理及性能分析n n掌握鉴频特性的调整和测试方法掌握鉴频特性的调整和测试方法 实验仪器n n高频信号发生器高频信号发生器 QF1055A QF1055A 一台一台;n n超高频毫伏表超高频毫伏表 DA22A DA22A 一台一台;n n频率特性测试仪频率特性测试仪 BT BT3C 3C 一台一台;n n直流稳压电源直流稳压电源 HY1711 HY17112 2 一台一台;n n数字示波器数字示波器 TDS210 TDS210 一台一台.实验任务与要求基本命题n n基本实验的实验线路及说明 实验线路见图实验线路见图
5、1 1，使用，使用12V12V供电，振荡器三供电，振荡器三极管用极管用90189018，变容管用，变容管用2CC1D2CC1D。R Rw2w2、R R3 3、R R4 4组组成变容管的直流偏压电路，成变容管的直流偏压电路，ZLZL为轭流电感，为轭流电感，R R为隔离电阻，调制信号经为隔离电阻，调制信号经C C5 5耦和至变容二极管，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该电路变容管在合适的静偏压下便可实现线性调频。调频。图1.变容管调频振荡器实验电路图如下：n n实验内容1.1.实验前应先进行计算机仿真，可分析下述内容实验前应先进行计算机仿真，可分析下述内容:a a：变容管
6、静偏压对调频振荡器的影响。变容管静偏压对调频振荡器的影响。b b：调制电压对变容管的影响。：调制电压对变容管的影响。2.2.用万用表判断振荡器是否起振用万用表判断振荡器是否起振 a a：若：若U Ub bU Ue e 0 0，振荡器工作在丙类，振荡很强。，振荡器工作在丙类，振荡很强。b b：若：若U Ub bU Ue e=0=00.4V,0.4V,也起振也起振,工作在甲乙类。工作在甲乙类。c:c:c:c:若若U Ub bU Ue e0.7V,0.7V,振振荡荡器器可可能能起起振振,也也可可能能不不起起振。振。判判断断法法：可可短短路路LCLC回回路路，测测量量UeUe的的变变化化，短短路路后后
7、UeUe，说明原来已起振，否则不起振。，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，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。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
8、。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）7.7.改变调制信号频率，观察调频波的变化情况。改变调制信号频率，观察调频波的变化情况。8.8.改变偏置电压大小，观察调频波的变化情况。改变偏置电压大小，观察调频波的变化情况。扩展命题1.1.当变容管偏压选在静态调制特性的线性端中间当变容
9、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。分析这两种波形有什么差别？用实验说明。2.2.如何减小调频波的非线性失真如何减小调频波的非线性失真？3.3.鉴频特性曲线的测量（鉴频特性曲线的测量（S S型鉴频特性曲线）型鉴频特性曲线）实验箱鉴频电路为集成差动峰值鉴频器，其原实验箱鉴频电路为集成差动峰值鉴频器，其原 理参见文献理参见文献3 3P228P228P230P230。曲线测量可用。曲线测量可用两种方法两种方
10、法:a.a.逐点法逐点法 b.b.扫频法（也称连续法）扫频法（也称连续法）本本实实验验建建议议用用连连续续法法，测测量量时时将将扫扫频频输输出出加加到到实实验验板板输输入入端端，用用直直通通测测试试电电缆缆（不不带带检检波波探探头头）连连至至扫扫频频仪仪输输入入端端，合合适适调调整整衰衰减减及及中中心频率度盘，即可观测特性曲线。心频率度盘，即可观测特性曲线。4.4.将将调调频频振振荡荡器器和和鉴鉴频频电电路路相相连连，并并接接上上低低频频放放大大电电路路，改改变变调调制制频频率率（音音频频），听听声声音音的的变变化化情情况况，并并用用示示波波器器双双踪踪观观察察调调制制信信号号及及调调频频信号
11、。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n n变容管调频原理变容管调频原理 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。频率必随调制信号而变化，从而实现了调频。相关原理参
12、见文献相关原理参见文献3 3P201P201P210P210。n n实验电路的设计考虑实验电路的设计考虑 对对调调频频振振荡荡器器的的设设计计首首先先要要考考虑虑主主振振级级电电路路，对对主主振振级级电电路路的的设设计计请请参参考考实实验验二二振振荡荡器器实实验验的的相相关关内内容容。在在主主振振电电路路设设计计完完成成后后，然然后后考考虑虑调调制制电电路路的的设设计计。设设计计任任务务有有：选选择择变变容容二二极极管管，并并确确定定工工作作点点；选选择择线线路路，确确定定变变容容二二极极管管的的接接入入系系数数，确确定定调调制制信信号号电电压压；验验算算中中心心频频率率偏偏移移量和非线性失真
13、系数等。量和非线性失真系数等。1.1.变变容容管管的的选选择择和和工工作作点点的的确确定定：PNPN结结的的结结电电容容随随所所加加的的电电压压而而变变化化，因因此此接接到到回回路路中中能能实实现现调调频频。选选管管时时，要要选选用用截截止止频频率率高高，有有足足够够高高的的反反向向击击穿穿电电压压和和反反向向电电流流小小。变变容容管管上上加加的的反反向向偏偏压压越越大大,Q,Q值值越越高高,但但要要求求调调制制信信号号电电压压U U也也 越大。一般越大。一般C Cj j U U压容特性曲线的线性段。压容特性曲线的线性段。2.2.选择线路，确定接入系数：可根据频偏的大小选择线路，确定接入系数：
14、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。接入，接入系数取得小。根根据据P Pc c=C=Cc c/(C/(Cc c+C+Cj0j0)选选定定，可可计计算算出出耦耦合合电电容容C Cc.c.。3.3.求出在满足频偏要求下的求出在满足频偏要求下的mm值值 由由 ，求出，求出A A1 1 取取=1/2=1/2，由，由 可算出可算出mm值值 调制电压调制电压 4.4.计算非线性失真系数计算非线性失真系数K Kf f n n 调频振荡器的频
15、率调制特性调频振荡器的频率调制特性 1.1.静静态态调调制制特特性性：它它是是指指振振荡荡频频率率f f随随变变容容管管直直流流偏偏压压U UDD的的变变化化特特性性，即即f=f=(U UD D)曲曲线线，如如图图2 2所所示示。由由特特性性曲曲线线可可见见，f f随随偏偏压压的的变变化化不不是是直直线线，振振荡荡频频率率的的变变化化就就不不能能正正确确地地反反映映调调制制信信号号的的变变化化，引引入入了了非非线线性性失失真真。为为了了减减小小失失真真 变变容容管管的的偏偏压压应应选选在在线线性性段段的的中中点点。为为了了改改 善善调调制制特特性性，可可适适当当配配置置电电容容，可可在在一一定
16、定范范围围内内获获得得较较好好的的静态调制特性，调整方法是静态调制特性，调整方法是改善图改善图3 3中的中的C Cc c和和C Co o。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：一一般般C Cc c取取值值较较大大,C,Co o取取值值较较小小(由由几几个个P P到到几几十十个个P),CP),Cc c取值接近取值接近C Cj j（变容二极管结电容）（变容二极管结电容）的高端，的高端，远大于远大于C Cj j的低端的低端,C,Cc c的变化主要影响静态调频特性的变化主要影响静态调频特性低端的曲线形状低端的曲线形状,其变化如图其变化如图4 4所示。所示。假设假设C Cc c足够大
17、且保持不变，改变足够大且保持不变，改变C Co o的值，由于的值，由于C Co o的值接近于的值接近于C Cj j的低端值，因此改变的低端值，因此改变C Co o，主要影，主要影响静态特性高端曲线形状，其变化如图响静态特性高端曲线形状，其变化如图5 5所示，所示，适当调节适当调节C Cc c、C Co o的大小，可得到线性较好的静态的大小，可得到线性较好的静态调制特性。调制特性。图c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：2.2.动态调制特性动态调制特性当变容二极管静态工作点确定后，加入调制信号当变容二极管静态工作点确定后，加入调制信号U U，这时振荡频率随调制信号，这时
18、振荡频率随调制信号U U而变化，即而变化，即fUfU曲线称为动态特性曲线，如图曲线称为动态特性曲线，如图6 6所示所示,此曲此曲线可确定频率调制器的调制灵度和最大线性频偏。线可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测量动态调制特性的仪器连接图如图7(a)7(a)所示所示.若无频偏仪，则可借助于鉴频器间接测量，见图若无频偏仪，则可借助于鉴频器间接测量，见图7(b)7(b)所示所示.图图6.6.动态调制特性曲线如下：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：n n设计计算设计计算n n 设计指标：设计指标：振荡器
19、中心频率振荡器中心频率 f fo o =10 MHz=10 MHz 频频率率稳稳定定度度 f/ff/f0 01 11010-4-4 调制信号频率调制信号频率 F=1KHz F=1KHz 最最大大频频偏偏 ffm m50KHz50KHz 调频波非线性失真系数调频波非线性失真系数 K Kf f10%10%输出电压输出电压 U U0 0 p-pp-p1.1.选择电路形式：选择电路形式：如如图图1 1，即即振振荡荡器器用用频频率率稳稳定定度度高高的的西西勒勒振振荡器，变容管采用部分接入。荡器，变容管采用部分接入。2.2.振荡回路计算：振荡回路计算：有有关关三三端端LCLC振振荡荡器器内内容容请请参参照
20、照实实验验2 2，因因电电感感L L可可调调，故故f f0 0=10MHz=10MHz情情况况下下，上上节节设设计计用用的的 C C1 1=200PF=200PF，C C2 2=510PF=510PF，C C3 3=100PF=100PF，C C4 4=51=51等参数保持不变。等参数保持不变。3.3.调制电路的设计调制电路的设计 ：n n变变容容管管选选用用2CC2CC系系列列即即可可（2CC2CC系系列列管管参参数数请请见见附附录录），并并设设其其E EQQ=4V=4V（表表示示反反偏偏）时时，C Cj0j050pF,=1/2.50pF,=1/2.*实测时，静态下通过替代法得到实测时，静态
21、下通过替代法得到C Cj0j0的大小的大小(即频率不变用一标准电容替代即频率不变用一标准电容替代)。n n部分接入，特选接入系数部分接入，特选接入系数Pc=0.5 Pc=0.5 故故由由 有有Cc=50PFCc=50PF，取取标标称称值值51PF.51PF.n n部分接入，则回路总电容部分接入，则回路总电容n n根据最大频偏根据最大频偏ffm m求求mm及调制电压及调制电压n n由由 可得可得A A1 1 n n因因=1/2,=1/2,由由 可得可得 根据根据m m 的定义的定义:m=:m=U U/(/(E EQ Q+U U)可得可得 U U=m=mEEQ Qn n估算调制灵敏度估算调制灵敏度
22、 S SFMFM=f=fm m/U U=50kHz/0.55V=91kHz/V=50kHz/0.55V=91kHz/Vn n计算失真度计算失真度 K Kf fA A2 2/A A1 1=1.5%=1.5%n n若若静态静态E EQQ=4V=4V，则则R R2 2V Vcccc/(R/(R1 1+R+R2 2)=4V)=4V 取取R R2 2，R R1 1=13.6 K=13.6 K 实实际际用用R R W W 2 2 =22 22 KK电电位位器器和和R R1 1=6.8 6.8 KK串联串联 n n其它元件：耦合电容其它元件：耦合电容C C5 5取取10F10F，C C4 4取取0.01F,
23、0.01F,扼流圈扼流圈ZLZL取取470H,470H,隔离电阻隔离电阻R R取取39 39 KK。n n综上设计的实验测试电路见图综上设计的实验测试电路见图1 1。n n仿真分析仿真分析 对图对图1 1电路可作如下仿真，仅供参考。电路可作如下仿真，仅供参考。仿仿 真真 条条 件件，变变 容容 管管 MV2205MV2205、三三 极极 管管Q2N2222.Q2N2222.1.1.调调频频波波形形：见见图图8 8（该该波波形形仅仅供供参参考考，与与示示波波器测试结果有差别）器测试结果有差别）2.2.静静态态特特性性：改改变变变变容容二二极极管管的的偏偏压压，逐逐点点测测量量振荡频率，仿真结果见图振荡频率，仿真结果见图9 9的表格。的表格。图8.调频波形图如下：n n由表格可绘出静态调制特性曲线：如图由表格可绘出静态调制特性曲线：如图1010由静由静态调制特性曲线示意图可以看出，态调制特性曲线示意图可以看出，CcCc主要影响主要影响低端的性能。低端的性能。图图10.10.静态调制特性曲线如下：静态调制特性曲线如下：