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1、10.3调频方法的概述调频方法的概述因为频率调制不是频谱线性搬移过程，它的电路就不能采因为频率调制不是频谱线性搬移过程，它的电路就不能采用乘法器和线性滤波器来构成，而必须根据调频波的特用乘法器和线性滤波器来构成，而必须根据调频波的特点，提出具体实现的方法。对于调频电路的性能指标，点，提出具体实现的方法。对于调频电路的性能指标，一般有以下几方面的要求：一般有以下几方面的要求：1线性的调制特性。即已调波的瞬时频率变化与调制线性的调制特性。即已调波的瞬时频率变化与调制信号成线性关系。信号成线性关系。2具有较高的调制灵敏度。即单位调制电压所产生的具有较高的调制灵敏度。即单位调制电压所产生的振荡频率偏移
2、要大。振荡频率偏移要大。3.最大频率偏移与调制信号频率无关。最大频率偏移与调制信号频率无关。4.未调制的载波频率（即已调波的中心频率）应具有未调制的载波频率（即已调波的中心频率）应具有一定的频率稳定度。一定的频率稳定度。5.无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。实现调频的方法分为实现调频的方法分为直接调频直接调频和和间接调频间接调频两大类。两大类。10.3.1直接调频原理直接调频原理直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。要器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。要用调制信号去控制载波
3、振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。接调频。1改变振荡回路的元件参数实现调频改变振荡回路的元件参数实现调频在在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振振荡回路的电感荡回路的电感L和电容和电容C。在。在RC振荡器中，决定振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据
4、振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。阻的数值就能实现调频。调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和场效应管。二极管和场效应管。2控制振荡器的工作状态实现调频控制振荡器的工作状态实现调频在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振荡在微波发射机中，常用速调管振荡器作为
5、载波振荡器，其振荡频率受控于加在管子反射极上的反射器，其振荡频率受控于加在管子反射极上的反射极电压。因此，只需将调制信号加至反射极即可极电压。因此，只需将调制信号加至反射极即可实现调频。实现调频。若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。频率。10.3.2间接调频原理间接调频原理调频波的数学表示式，在调制信号为调频波的数学表示式，在调制信号为u(t)时，为时，为uFM(t)=Ucmcosct+kf可见调频波的相位偏移为可见调频波的相位偏移为kf，与调制信号与调
6、制信号u(t)的积分成正比。的积分成正比。若将调制信号先通过积分器得若将调制信号先通过积分器得，然后再通过，然后再通过调相器进行调相，即可得到调制信号为调相器进行调相，即可得到调制信号为的的调相波，即调相波，即u(t)=Ucmcosct+kP因此，调频可以通过调相间接实现。通常将这样的因此，调频可以通过调相间接实现。通常将这样的调频方式称为间接调频，其原理方框图如图调频方式称为间接调频，其原理方框图如图10-1所示。这样的调频方式采用频率稳定度很高的振所示。这样的调频方式采用频率稳定度很高的振荡器荡器(例如石英晶体振荡器例如石英晶体振荡器)作为载波振荡器，然作为载波振荡器，然后在它的后级进行调
7、相，得到的调频波的中心频后在它的后级进行调相，得到的调频波的中心频率稳定度很高。率稳定度很高。图图10-1间接调频原理方框图间接调频原理方框图10.4变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路10.4.1.变容二极管调频电路变容二极管调频电路1变容二极管的特性变容二极管的特性变容二极管是根据变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的。在加反向偏压时，变容二而变化的原理设计的。在加反向偏压时，变容二管呈现一个较大的结电容。这个结电容的大小能管呈现一个较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极灵敏地随反向偏压而变化。正是
8、利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会明路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会明显地随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达显地随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。到调频的目的。变容二极管的反向电压与其结电容呈非线性关系。变容二极管的反向电压与其结电容呈非线性关系。其结电容其结电容Cj与反向偏置电压与反向偏置电压ur之间有如下关系：之间有如下关系：(10-19)式中，式中，UD为为PN结的势垒电压，结的势垒电压，Cj0为为ur=0时的结时的结电容电容;为电容变化系数。为电容变化系
9、数。2调频基本原理调频基本原理图图10-2变容二极管调频电路变容二极管调频电路图图10-2是变容二极管调频器的原理电路。图中虚线是变容二极管调频器的原理电路。图中虚线左边是一个左边是一个LC正弦波振荡器，右边是变容二极正弦波振荡器，右边是变容二极管和它的偏置电路。其中管和它的偏置电路。其中Cc是藕合电容，是藕合电容，ZL为为高频扼流圈，它对高频信号可视为开路。变容二高频扼流圈，它对高频信号可视为开路。变容二极管是振荡回路的一个组成部分，加在变容二极极管是振荡回路的一个组成部分，加在变容二极管上的反向电压为管上的反向电压为ur=Vcc VB+u(t)=VQ+u(t)(10-20)式中，式中，VQ
10、=Vcc VB是加在变容二极管上的直流偏置是加在变容二极管上的直流偏置电压；电压；u(t)为调制信号电压。为调制信号电压。图图10-3结电容随调制电压变化关系结电容随调制电压变化关系图图10-3(a)是变容二极管的结电容与反向电压是变容二极管的结电容与反向电压ur的关的关系曲线。由电路可知，加在变容二极管上的反向系曲线。由电路可知，加在变容二极管上的反向电压为直流偏压电压为直流偏压VQ和调制电压和调制电压u(t)之和，若设之和，若设调制电压为单频余弦信号，即调制电压为单频余弦信号，即u(t)=Umcost则则反向电压为反向电压为ur(t)=VQ+Umcost(10-21)如图如图10-3(b)
11、所示。在所示。在ur(t)的控制下，结电容将随时间发的控制下，结电容将随时间发生变化，如图生变化，如图10-3(c)所示。结电容是振荡器振荡回路的所示。结电容是振荡器振荡回路的一部分，结电容随调制信号变化，回路总电容也随调制一部分，结电容随调制信号变化，回路总电容也随调制信号变化，故振荡频率也将随调制信号变化。只要适当信号变化，故振荡频率也将随调制信号变化。只要适当选取变容二极管的特性及工作状态，可以使振荡频率的选取变容二极管的特性及工作状态，可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性关系，从而实现调频。变化与调制信号近似成线性关系，从而实现调频。3.电路分析电路分析设调制信号为设调制信号为u(
12、t)=Umcost，加在二极管上的反向直加在二极管上的反向直流偏压为流偏压为VQ，VQ的取值应保证在未加调制信号时振荡的取值应保证在未加调制信号时振荡器的振荡频率等于要求的载波频率，同时还应保证在调器的振荡频率等于要求的载波频率，同时还应保证在调制信号制信号u(t)的变化范围内保持变容二极管在反向电压的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。加在变容二极管上的控制电压为下工作。加在变容二极管上的控制电压为ur(t)=VQ+Umcost相应的变容二极管结电容变化规律为相应的变容二极管结电容变化规律为当调制信号电压当调制信号电压u(t)=0时，即为载波状态。此时时，即为载波状态。此时ur(t)=
13、VQ，对应的变容二极管结电容为对应的变容二极管结电容为CjQ当调制信号电压当调制信号电压u(t)=Umcost时，时，(10-22)代入式代入式(10-22),并令并令m=Um/(UD+VQ)为电容调制为电容调制度，则可得度，则可得(10-23)上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电压系。而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电压的关系由振荡回路决定。由图的关系由振荡回路决定。由图10-2可得，振荡器可得，振荡器振荡回路的等效电路，如图振荡回路的等效电路，如图10-4(a)所示。所示。图图10-4振荡回路等效
14、电路振荡回路等效电路1)变容二极管作为振荡回路的总电容变容二极管作为振荡回路的总电容设设C1未接入未接入,Cc较大较大,即回路的总电容仅是变容二极即回路的总电容仅是变容二极管的结电容管的结电容,其等效回路如图其等效回路如图10-4(b)所示。加在所示。加在变容二极管上的高频电压很小变容二极管上的高频电压很小,可忽略其对变容可忽略其对变容二极管电容量变化的影响二极管电容量变化的影响,则瞬时振荡角频率为则瞬时振荡角频率为(10-24)因为未加调制信号时的载波频率因为未加调制信号时的载波频率,所以所以（10-25）根据调频的要求根据调频的要求,当变容二极管的结电容作为回路当变容二极管的结电容作为回路
15、总电容时总电容时,实现线性调频的条件是容二极管的电实现线性调频的条件是容二极管的电容变化系数容变化系数=2。若变容二极管的电容变化系数若变容二极管的电容变化系数不等于不等于2，设，设u(t)=Umcost，则则可以在可以在mcos t=0处展开成为泰勒级数，得处展开成为泰勒级数，得(10-26)通常通常m1，上列级数是收敛的。因此上列级数是收敛的。因此,可以忽略三可以忽略三次方项以上的各项次方项以上的各项,则则 从上式可知从上式可知,对于变容二极管调频器对于变容二极管调频器,若使用的变容若使用的变容二极管的变容系数二极管的变容系数2,则输出调频波会产生非线则输出调频波会产生非线性失真和中心频率
16、偏移。其结果如下：性失真和中心频率偏移。其结果如下：(1).调频波的最大角频率偏移调频波的最大角频率偏移(10-27)(2).调频波会产生二次谐波失真调频波会产生二次谐波失真,二次谐波失真二次谐波失真的最大角频率偏移的最大角频率偏移(10-28)调频波的二次谐波失真系数为调频波的二次谐波失真系数为(10-29)(3)调频波会产生中心频率偏移，其偏离值为调频波会产生中心频率偏移，其偏离值为(10-30)中心角频率的相对偏离值为中心角频率的相对偏离值为(10-31)综上所述，若要调频的频偏大，就需增大综上所述，若要调频的频偏大，就需增大m，这样这样中心频率偏移量和非线性失真量也增大。中心频率偏移量
17、和非线性失真量也增大。在某些应用中，要求的相对频偏较小，而所需要的在某些应用中，要求的相对频偏较小，而所需要的m也就较小。因此，这时即使也就较小。因此，这时即使不等于不等于2，二次谐，二次谐波失真和中心频率偏移也不大。由此可见，在相波失真和中心频率偏移也不大。由此可见，在相对频偏较小的情况下，对变容二极管对频偏较小的情况下，对变容二极管值的要求值的要求并不严格。并不严格。2)变容二极管部分接入振荡回路变容二极管部分接入振荡回路变容二极管的结电容作为回路总电容的调频电路的变容二极管的结电容作为回路总电容的调频电路的中心频率稳定度较差，这是因为中心频率中心频率稳定度较差，这是因为中心频率fc决定决
18、定于变容二极管结电容的稳定性。当温度变化或反于变容二极管结电容的稳定性。当温度变化或反向偏压向偏压VQ不稳时，会引起结电容的变化不稳时，会引起结电容的变化,它又会它又会引起中心频率较大变化。为了减小中心频率不稳引起中心频率较大变化。为了减小中心频率不稳,提高中心频率稳定度，通常采用部分接入的办法提高中心频率稳定度，通常采用部分接入的办法来改善性能。来改善性能。变容二极管部分接入振荡回路的等效电路如图变容二极管部分接入振荡回路的等效电路如图10-4(a)所示。变容二极管和所示。变容二极管和Cc串联，再和串联，再和C1并联，并联，构成振荡回路总电容构成振荡回路总电容C(10-32)加调制信号加调制
19、信号u(t)=Umcost后，总回路电容后，总回路电容C为为(10-33)相应的调频特性方程为相应的调频特性方程为(10-34)从上式知，调频特性取决于回路的总电容从上式知，调频特性取决于回路的总电容C，而，而C可以看成一个等效的变容二极管，可以看成一个等效的变容二极管，C随调制电随调制电压压u(t)的变化规律不仅决定于变容二极管的结的变化规律不仅决定于变容二极管的结电容电容Cj随调制电压随调制电压u(t)的变化规律，而且还与的变化规律，而且还与C1和和Cc的大小有关。变容二极管部分接入振荡回的大小有关。变容二极管部分接入振荡回路，中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，路，中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但最大频偏要减小。但最大频偏要减小。