變容二極管直接調頻電路課程設計.doc

2014 2015學年 第 1 學期 高頻電子線路課程設計 題 目： 變容二極管直接調頻電路的設計 班 級： 12電子信息工程（2）班 姓 名： 指導教師： 電氣工程系 2014年12月6日 161、任務書課題名稱變容二極管直接調頻電路的設計指導教師（職稱） 執(zhí)行時間20122013學年第二學期 第 16 周學生姓名學號承擔任務整體布局設計以及排版調頻工作原理電路設計電路元器件參數設置提出問題整理資料原理圖繪制以及仿真 設計目的1原理分析及電路圖設計2用相關仿真軟件畫出電路并對電路進行分析與測試設計要求(1)輸入1KHz大小為200Mv的正弦電壓（也可以用1KHz的方波）；(2)主振頻率為f0大于15MHz；(3）最大頻偏fm=20KHz。摘 要 調頻電路具有抗干擾性能強、聲音清晰等優(yōu)點，獲得了快速的發(fā)展。主要應用于調頻廣播、廣播電視、通信及遙控。調頻電臺的頻帶通常大約是200250kHz，其頻帶寬度是調幅電臺的數十倍，便于傳送高保真立體聲信號。由于調幅波受到頻帶寬度的限制，在接收機中存在著通帶寬度與干擾的矛盾，因此音頻信號的頻率局限于308000Hz的范圍內。在調頻時，可以將音頻信號的頻率范圍擴大至3015000Hz，使音頻信號的頻譜分量更為豐富，聲音質量大為提高。 變容二極管調頻電路是一種常用的直接調頻電路，廣泛應用于移動通信和自動頻率微調系統(tǒng)。其優(yōu)點是工作頻率高，固有損耗小且線路簡單，能獲得較大的頻偏，其缺點是中心頻率穩(wěn)定度較低。較之中頻調制和倍頻方法，這種方法的電路簡單、性能良好、副波少、維修方便，是一種較先進的頻率調制方案。 本課題載波由LC電容反饋三端振蕩器組成主振回路，振蕩頻率有電路電感和電容決定，當受調制信號控制的變容二極管接入載波振蕩器的振蕩回路，則振蕩頻率受調制信號的控制，從而實現(xiàn)調頻。關鍵字：變容二極管；直接調頻；LC振蕩電路。目 錄第一章 設計思路1第二章 調頻電路工作原理22.1 間接調頻原理22.2 直接調頻原理22.3 變容二極管直接調頻原理2第三章 電路設計53.1 主振電路設計原理分析53.2 變容二極管直接調頻電路設計原理分析6第四章 電路元器件參數設置84.1 LC震蕩電路直流參數設置84.2 變容管調頻電路參數設置84.3 T2管參數設置85.1 mulitisim11軟件介紹95.2 電路仿真9小結12附錄一 元器件清單13附錄二 參考文獻14 第一章 設計思路 變容二極管為特殊二極管的一種。當外加順向偏壓時，有大量電流產生，PN（正負極）接面的耗盡區(qū)變窄，電容變大，產生擴散電容效應；當外加反向偏壓時，則會產生過渡電容效應。但因加順向偏壓時會有漏電流的產生，所以在應用上均供給反向偏壓。在變容二極管直接調頻電路中，變容二極管作為一壓控電容接入到諧振回路中，當變容二極管的結電容隨加到變容二極管上的電壓變化時，由變容二極管的結電容和其他回路元件決定的諧振回路的諧振頻率也就隨之變化，若此時諧振回路的諧振頻率與加到變容二極管上的調制信號呈線性關系，就完成了調頻的功能，這也是變容二極管調頻的原理。第二章 調頻電路工作原理 頻率調制是對調制信號頻譜進行非線性頻率變換，而不是線性搬移，因而不能簡單地用乘法器和濾波器來實現(xiàn)。實現(xiàn)調頻的方法分為兩大類：直接調頻法和間接調頻法。 2.1 間接調頻原理 先將調制信號進行積分處理，然后用它控制載波的瞬時相位變化，從而實現(xiàn)間接控制載波的瞬時頻率變化的方法，稱為間接調頻法。 根據前述調頻與調相波之間的關系可知，調頻波可看成將調制信號積分后的調相波。 這樣，調相輸出的信號相對積分后的調制信號而言是調相波，但對原調制信號而言則為調頻波。這種實現(xiàn)調相的電路獨立于高頻載波振蕩器以外，所以這種調頻波突出的優(yōu)點是載波中心頻率的穩(wěn)定性可以做得較高，但可能得到的最大頻偏較小。2.2 直接調頻原理 用調制信號直接控制振蕩器的瞬時頻率變化的方法稱為直接調頻法。如果受控振蕩器是產生正弦波的 LC 振蕩器，則振蕩頻率主要取決于諧振回路的電感和電容。將受到調制信號控制的可變電抗與諧振回路連接，就可以使振蕩頻率按調制信號的規(guī)律變化，實現(xiàn)直接調頻。 可變電抗器件的種類很多，其中應用最廣的是變容二極管。作為電壓控制的可變電容元件，它有工作頻率高、損耗小和使用方便等優(yōu)點。具有鐵氧體磁芯的電感線圈，可以作為電流控制的可變電感元件。此外，由場效應管或其它有源器件組成的電抗管電路，可以等效為可控電容或可控電感。 直接調頻法原理簡單，頻偏較大，但中心頻率不易穩(wěn)定。在正弦振蕩器中，若使可控電抗器連接于晶體振蕩器中，可以提高頻率穩(wěn)定度，但頻偏減小。 2.3 變容二極管直接調頻原理 變容二極管具有PN結，利用PN結反向偏置時勢壘電容隨外加反向偏壓變化的機理，在制作半導體二極管的工藝上進行特殊處理，以控制半導體的摻雜濃度和摻雜分布，可以使二極管的勢壘電容靈敏地隨反偏電壓變化且呈現(xiàn)較大的變化，這樣就制作成了變容二極管。 變容二極管的結電容Cj，與在其而端所加反向電壓u之間存在著如下關系：（）式中，VB為PN結的勢壘位差(硅管約為0.7V,鍺管約為0.3V)，Cj0為變容二極管在零偏置時的結電容值，n為變容二極管的結電容變化指數，它取決于PN結的雜質分布規(guī)律：n=1/3對于緩變結，擴散型管多屬此種； n=1/2為突變結，合金型管屬于此類。采用特殊工藝制程的超突變結的n在15之間。 變容二極管的結電容變化曲線如所示。圖2.1 變容二極管的Cj-u特性曲線 加到變容二極管上的反向電壓包括直流偏壓V0和調制信號電壓V(t)= Vcost，即（）將式（）帶入（），得式中，為靜態(tài)工作點的結電容，為反映結電容調深度的調制指數。結電容在u(t)的控制下隨時間的變化而變化。把受到調制信號控制的變容二級管接入載波振蕩器的振蕩回路，則振蕩回路的頻率已收到調制信號的控制。適當選擇調頻二極管的特性和工作狀態(tài)，這樣就實現(xiàn)了調頻。設電路工作在線性調制狀態(tài)，在靜態(tài)工作點Q處，曲線的斜率為。第三章 電路設計變容二極管調頻電路主要是由主振電路和變容二極管直接調頻電路構成，電路如圖所示。 圖 3.1 總體電路圖 3.1 主振電路設計原理分析 端口通過濾直電容C82輸入頻率為1KHz大小為200mv的調制信號，并且頻率由零慢慢增大，端口12輸出調頻信號。T1,T2為3DG12C三極管，C9、C10、C7、L4、CC1、C8為主振回路，D1為Bb910變容二極管。為了減小三極管的極間電容Cce、Cbe、Ccb這些不穩(wěn)定電容對振蕩頻率的影響，要求C9C7,C10C7，且C7越小，這種影響就越小，回路的標準性也就越高。則回路的諧振頻率是 本電路采用常見的電容三點式振蕩電路實現(xiàn)LC振蕩，簡便易行。式中，L為LC振蕩電路的總電感量，C為振蕩電路中的總電容，主要取決于C3、C7、C8、Cc1及變容二極管反偏時的結電容Cj。，變容二極管電容Cj作為組成LC振蕩電路的一部分，電容值會隨加在其而端的電壓的變化而變化，從而達到變頻的目的。R4、R5、R6、R7和W2調節(jié)并設置電容三點式振蕩器中T1管的靜態(tài)工作點，R8、R9、R10調節(jié)并設置T2管的靜態(tài)工作點，C7、C9、C10以及L4、CC1、C8構成LC振蕩電路。電容三點式振蕩器電路等效電路如下圖所示。 圖3.2 電容三點式振蕩器等效電路3.2 變容二極管直接調頻電路設計原理分析 圖3.1中，直接調頻電路由變容二極管(Bb910)D1，耦合電容C1、C3、C82，偏置電阻R1、R2，隔離電阻R3和電位器W1構成。接入系數，（C3由不同電容值的電容代替，保證接入系數不同）其中等效電路圖如下圖所示。圖3.3 變容二極管部分接入等效圖 無調制時，諧振回路的總電容為： 式中，（由于C9和C10電容值遠大于C7,C9和C10可串聯(lián)忽略）CQ為靜態(tài)工作點是所對應的變容二極管結電容。 調頻電路中，R1、R2、R3和W1調節(jié)并設置變容二極管的反偏工作點電壓VQ，調制信號v經C82和高頻扼流圈L1加到二極管上。為了使VQ和v能有效的加到變容管上，而不至于被振蕩回路中L4所短路，C1為高頻濾波電容，要求它對高頻的容抗很小，近似短路，而對調制頻率的容抗很大，近似開路。信號V須在變容管和L4之間接入隔直流電容C3，要求它對高頻接近短路，而對調制頻率接近開路。從端口通過C82輸入，C82為隔直電容，濾除輸入信號中摻雜的直流成分。電感L1為高頻扼流圈，要求它對高頻的感抗很大，近似開路，而對直流和調制頻率近似短路。對高頻而言，L1相當于斷路，C3相當于短路，因而C3和二極管D1接入LC振蕩電路，并組成振蕩器中的電抗分量，等效電路如下左圖所示。對直流和調制頻率而言，由于C3的阻斷，因而VQ和v可以有效的加到變容管上，不受振蕩回路的影響，等效電路如下右圖所示。 圖3.4 高頻通路 圖3.5 直流和調制頻率通路第四章 電路元器件參數設置4.1 LC震蕩電路直流參數設置 ICQ一般為14mA。若ICQ偏大，振蕩幅度增加，但波形失真加重，頻率穩(wěn)定性變差。 取ICQ1=2mA。取VCEQ1=（1/2）VCC=6V。可以求出R4+R5=3K，取R4=2K，R5=1K；=60，IBQ=IBQ，為使減小IBQ對偏執(zhí)電阻的電位偏執(zhí)效果的影響，取R6和R7上流過的電流IBIBQ，取R6=15K，R7=8.2K，W2的可調最大阻值為20K。實驗實際測得T1管Vc1=7.8V，Vce1=5.6V，Vbe=0.64V，基本接近理論值。4.2 變容管調頻電路參數設置由LC震蕩頻率的計算公式可求出 若取，本次實驗中可調電容CC1規(guī)格為5120pF，計算時取5pF，C7=24pF。L41.2H。實驗中可適當調整CC1的值。電容C9、C10由反饋系數 F 及電路條件C7C9，C7R2，R3R1，以減小調制信號V對VQ的影響。取 R2=3.9k ，隔離電阻R3=180k，R1=20K。實際調試時，L1用1.2uH代替，測得C3與L1之間節(jié)點對地電壓為0.5V,較理論值偏小。R1與R2之間節(jié)點對地電壓為2.7V。4.3 T2管參數設置 對輸出電路，為保證T2管正常工作，可取R8=8.2K，R9=10K，R10=1.5K，實驗實測得R8與R9間節(jié)點對地電壓為6.4V,Ve2=5.69V,則Vbe20.7V，基本符合理論值。取耦合電容C12=33pF，C13=0.01uF第五章 電路仿真5.1 mulitisim11軟件介紹 Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。5.2 電路仿真在mulitisim中連接測試電路，按下仿真開始按鈕，開始仿真。（1）用萬用表分別測量Q1管Vcb，Vce和Vbe，調試T1管的靜態(tài)工作點。測得Vcb1=7.8V，Vce1=5.6V，Vbe1=0.64V，說明T1管正常工作。 （a）Vcb1 (b)Vce1 (c)Vbe1圖5.1 T1管靜態(tài)工作點的調試（2） 用萬用表測得R8與R9間節(jié)點對地電壓即Vb為6.4V,Ve2=5.69V,則Vbe20.7V（a）Vb2 (b)Ve2 (c)Vbe2圖5.2 T2管靜態(tài)工作點調試 （3）用萬用表測得C3與L1之間節(jié)點對地電壓為0.5V,較理論值偏小。R1與R2之間節(jié)點對地電壓為2.7V。 （a）C3與L1之間節(jié)點對地電壓 （b）R1與R2之間節(jié)點對地電壓圖5.3 變容二極管反向電壓的設置說明加在變容二極管兩端的反向電壓為0.5V，變容二極管正常工作。（4）不加調制信號，使用示波器測電路的輸出波形，即振蕩回路的載波信號的波形。 圖5.4 載波信號波形 （4）然后在c82處加入頻率為1KHz，幅度為200MV的調制信號，此時示波器輸出的即為調制后的FM信號。圖5.5 加入調制信號后的輸出波形根據所得數據及已知參數計算可得 計算以上各式可得，fm20KHz，滿足實驗要求。小結通過本周的課程設計，我認識到課本上的知識的實際應用，激發(fā)了學習興趣，增強了思考和解決實際問題的能力。這次做課程設計，給我留下了很深的印象。上了三年大學，學了三年電子，發(fā)覺自己竟然連一只三極管還沒有學會?？磥碜鍪裁炊家凶犯蟮椎木瘛２蝗皇裁炊贾皇侵?，卻什么都不精通，這是將來走上社會最忌諱的。雖然只是短暫的一周，但在這期間，卻讓我受益匪淺。這次課程設計讓我認識到了知識和實踐的重要性。只有牢固掌握了所學的知識，才能有清晰的思路，知道每一步該怎樣走。才能順利的解決每一個問題。就以這次課程設計為例，剛拿到題目的時候，大致看一下要求，根據平時所學的知識，腦海中就立刻會想到應該用到的元器件，然后再去圖書館去查這些元器件的資料，很快地初步方案以及大概的電路原理圖就出來了。但是，在具體的細節(jié)設計上，我卻不知道為什么，從而明白了自己基礎知識掌握得不牢固。所以，這次課程設計在讓我認識了知識的重要性之外，更讓我明白了自己理論知識和實踐知識的欠缺。我會在以后的學習中更加努力，做到理論與實踐更好的結合。附錄一 元器件清單名稱規(guī)格數量備注電阻20K,3.9K,180K,2K,1K,15K,8.2K,10K,1.5K8.2K 2個其余各一個電位器5K,20K各一個電容4.7UF,30PF,0.1UF,330PF,5PF,24PF,100PF,33PF,0.01UF5-120PF30PF二個；0.01UF二個其余電容各一個4.7UF為耦合電容5-120PF為可調電容電感1.2UH2變容二極管BB9101三極管3DG6C2附錄二 參考文獻1童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第四版）R.高等教育出版社2朱代先,高頻電路原理及應用R.西安電子科技大學出版社3沈偉慈.通信電路R.西安電子科技大學出版社4鄔國揚，顧涵錚，周雪嬌.高頻電路原理R.浙江大學出版社5譚琦耀，韋忠善.高頻電子線路R.北京理工大學出版社6 曾興文、劉乃安、陳健高頻電子線路北京：高等教育出版社，20077 張肅文等高頻電子線路（第四版）北京：高等教育出版社，20048 聶典等Multisim 10計算機仿真北京