變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路綜述

1、2012 2013學(xué)年 第 1 學(xué)期 高頻電子線路 課程設(shè)計報告 題 目 ： 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的設(shè)計 專業(yè)： 電子信息工程 班級： 10 信息（ 2）班 電氣工程系 2012 年 12 月 17 日 1、任務(wù)書 課題名稱 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的設(shè)計 指導(dǎo)教師(職稱) 執(zhí)行時間 20122013 學(xué)年第二學(xué)期 第 16 周 學(xué)生姓名 學(xué)號 承擔(dān)任務(wù) 設(shè)計目的 1原理分析及電路圖設(shè)計 2用相關(guān)仿真軟件畫出電路并對電路進(jìn)行分析與測試 設(shè)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 f

2、m= 20KHz。 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的設(shè)計 摘要 調(diào)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(yīng)用于調(diào)頻 廣播、廣播電視、通信及遙控。調(diào)頻電臺的頻帶通常大約是 200250kHz，其頻帶寬度是 調(diào)幅電臺的數(shù)十倍，便于傳送高保真立體聲信號。由于調(diào)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(nèi)。 在調(diào)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(zhì)量大為提高。 變?nèi)荻O管調(diào)頻電路是一種常用的直接調(diào)頻電路，廣泛應(yīng)用于移動通信和自動頻率微 調(diào)系統(tǒng)。其優(yōu)點是工

3、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(diào)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(jìn)的頻率調(diào)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(dāng)受調(diào)制信號控制的變?nèi)荻O管接入載波振蕩器的振蕩回路，則振蕩頻率受調(diào)制信號 的控制，從而實現(xiàn)調(diào)頻。 關(guān)鍵字 ：變?nèi)荻O管；直接調(diào)頻； LC振蕩電路。 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的設(shè)計 目錄 第一章 設(shè)計思路 1 第二章 調(diào)頻電路工作原理 2 2.1 間接調(diào)頻原理 2. . 2.2 直接調(diào)頻原理 2. . 2.3 變?nèi)荻O管直接

4、調(diào)頻原理 2. 第三章 電路設(shè)計 5 3.1 主振電路設(shè)計原理分析 5. 3.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路設(shè)計原理分析 6. 第四章 電路元器件參數(shù)設(shè)置 8 4.1 LC 震蕩電路直流參數(shù)設(shè)置 8. 4.2 變?nèi)莨苷{(diào)頻電路參數(shù)設(shè)置 8. 4.3 T2 管參數(shù)設(shè)置 8. . 5.1 mulitisim11 軟件介紹 9. . 5.2 電路仿真 9. . 小結(jié) 12 附錄一 元器件清單 13 附錄二 參考文獻(xiàn) 14 第一章 設(shè)計思路 變?nèi)荻O管為特殊二極管的一種。 當(dāng)外加順向偏壓時， 有大量電流產(chǎn)生， PN（正負(fù)極） 接面的耗盡區(qū)變窄，電容變大，產(chǎn)生擴散電容效應(yīng)；當(dāng)外加反向偏壓時，則會產(chǎn)生過渡電 容

5、效應(yīng)。但因加順向偏壓時會有漏電流的產(chǎn)生，所以在應(yīng)用上均供給反向偏壓。在變?nèi)荻?極管直接調(diào)頻電路中，變?nèi)荻O管作為一壓控電容接入到諧振回路中，當(dāng)變?nèi)荻O管的結(jié) 電容隨加到變?nèi)荻O管上的電壓變化時，由變?nèi)荻O管的結(jié)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?nèi)荻O管上的調(diào)制 信號呈線性關(guān)系，就完成了調(diào)頻的功能，這也是變?nèi)荻O管調(diào)頻的原理。 第二章 調(diào)頻電路工作原理 頻率調(diào)制是對調(diào)制信號頻譜進(jìn)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(diào)頻的方法分為兩大類：直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法。 2.1 間接調(diào)頻原理 先將調(diào)制信號進(jìn)行

6、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(diào)頻法。 根據(jù)前述調(diào)頻與調(diào)相波之間的關(guān)系可知，調(diào)頻波可看成將調(diào)制信號積分后的調(diào)相波。 這樣，調(diào)相輸出的信號相對積分后的調(diào)制信號而言是調(diào)相波，但對原調(diào)制信號而言則為調(diào) 頻波。這種實現(xiàn)調(diào)相的電路獨立于高頻載波振蕩器以外，所以這種調(diào)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(diào)頻原理 用調(diào)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(diào)頻法。如果受控振蕩器 是產(chǎn)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(diào)制 信號控制的可變

7、電抗與諧振回路連接，就可以使振蕩頻率按調(diào)制信號的規(guī)律變化，實現(xiàn)直 接調(diào)頻。 可變電抗器件的種類很多，其中應(yīng)用最廣的是變?nèi)荻O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(yīng)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(diào)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?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理 變?nèi)荻O管具有 PN 結(jié)，利用 PN 結(jié)反向偏置時勢壘電容隨外加反向偏壓變化的機理， 在制作

8、半導(dǎo)體二極管的工藝上進(jìn)行特殊處理，以控制半導(dǎo)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?nèi)荻O 管。 變?nèi)荻O管的結(jié)電容 Cj ，與在其而端所加反向電壓 u 之間存在著如下關(guān)系： Cj0 Cj n 1u VB 式中， VB為 PN結(jié)的勢壘位差 （硅管約為 0.7V, 鍺管約為 0.3V） ，Cj0 為變?nèi)荻O管在零偏置 時的結(jié)電容值， n 為變?nèi)荻O管的結(jié)電容變化指數(shù)， 它取決于 PN結(jié)的雜質(zhì)分布規(guī)律： n=1/3 對于緩變結(jié)，擴散型管多屬此種； n=1/2 為突變結(jié)，合金型管屬于此類。采用特殊工藝制 程的超突變結(jié)的 n 在 15 之間

9、。 變?nèi)荻O管的結(jié)電容變化曲線如所示。 圖 2.1 變?nèi)荻O管的 Cj-u 特性曲線 加到變?nèi)荻O管上的反向電壓包括直流偏壓 V0 和調(diào)制信號電壓 V（t）= Vcost， 即u VQ V VQ Vmcost （） 將式（）帶入（） ，得 Cj Cj0 VQ cost 1Q VB Cj01 n 1V m cost VQ VB Cj Q 1 mcost n 式中， Cj Q Cj0V 為靜態(tài)工作點的結(jié)電容， m 結(jié)電容調(diào)深度的調(diào)制指數(shù)。結(jié)電容在 u(t)的控制下隨時間的變化而變化。把受到調(diào)制信號 控制的變?nèi)荻壒芙尤胼d波振蕩器的振蕩回路，則振蕩回路的頻率已收到調(diào)制信號的控 制。適當(dāng)選擇調(diào)頻二極管

10、的特性和工作狀態(tài)，這樣就實現(xiàn)了調(diào)頻。設(shè)電路工作在線性調(diào)制 狀態(tài)，在靜態(tài)工作點 Q 處，曲線的斜率為 kC C V 。 第三章 電路設(shè)計 變?nèi)荻O管調(diào)頻電路主要是由主振電路和變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路構(gòu)成，電路如圖所 示。 圖 3.1 總體電路圖 3.1 主振電路設(shè)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(diào)制信號，并且頻率由零慢 慢增大，端口 12 輸出調(diào)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?nèi)荻O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

11、率的影響， 要求 C9C7,C10C7，且 C7 越小，這種影響就越小， 回路 的標(biāo)準(zhǔn)性也就越高。則回路的諧振頻率是 fo 1 2 LC 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?nèi)荻O 管反偏時的結(jié)電容 Cj。，變?nèi)荻O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(dá)到變頻的目的。 R4、R5、R6、R7和 W2 調(diào)節(jié)并 設(shè)置電容三點式振蕩器中 T1 管的靜態(tài)工作點， R8、R9、R10 調(diào)節(jié)并設(shè)置 T2 管的靜態(tài)

12、工作點，C7、C9、C10以及 L4、CC1、C8 構(gòu)成 LC 振蕩電路。電容三點式振蕩器電路等效電 3DG12C 路如下圖所示 C9 100pF 6 C10 330pF 圖 3.2 電容三點式振蕩器等效電路 3.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路設(shè)計原理分析 C3 Cj ，（C3 由不同電容值的 圖 3.1 中，直接調(diào)頻電路由變?nèi)荻O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(gòu)成。接入系數(shù) 電容代 替，保證接入系數(shù)不同）其中等效電路圖如下圖所示 C3 3 2 CJ 圖 3.3 變?nèi)荻O管部分接入等效圖 無調(diào)制時，諧振回路的

13、總電容為： C CC3CQ CQ Ca C3 CQ 式中 Ca C8 CC1 C 7 ，（由于 C9 和 C10電容值遠(yuǎn)大于 C7,C9和C10 可串聯(lián)忽略） CQ 為靜態(tài)工作點是所對應(yīng)的變?nèi)荻O管結(jié)電容。 調(diào)頻電路中， R1、R2、R3和 W1 調(diào)節(jié)并設(shè)置變?nèi)荻O管的反偏工作點電壓 VQ，調(diào) 制信號 v經(jīng) 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?nèi)莨?上，而不至于被振蕩回路中 L4 所短路，須在變?nèi)莨芎?L4 之間接入隔直流電容 C3，要求 它對高頻接近短路， 而對調(diào)制頻率接近開路。 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(diào)制頻率的容

14、抗很大， 近似開路。信號 V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(diào)制頻率近似短路。對高頻而言， L1 相當(dāng)于斷路， C3 相當(dāng)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(diào)制頻率而言， 由于 C3的阻斷，因而 VQ 和 v可以有效的 加到變?nèi)莨苌?，不受振蕩回路的影響，等效電路如下右圖所示。 C3 12 Ca CJ 圖 3.4 高頻通路 3 第四章 電路元器件參數(shù)設(shè)置 4.1 LC 震蕩電路直流參數(shù)設(shè)置 ICQ一般為 1

15、4mA。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 ?？梢郧蟪?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(diào)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?nèi)莨苷{(diào)頻電路參數(shù)設(shè)置 由 LC 震蕩頻率的計算公式可求出 1 2 LC 若取 C Ca C8 CC1 C7 ，

16、本次實驗中可調(diào)電容 CC1 規(guī)格為 5120pF，計算時取 5pF，C7=24pF。L41.2 H。實驗中可適當(dāng)調(diào)整 CC1的值。電容C9、C10由反饋系數(shù) F 及 電路條件 C7C9，C7R2，R3R1，以減小調(diào)制信號 V 對 VQ 的影響。取 R2=3.9k ，隔離電 阻 R3=180k，R1=20K。實際調(diào)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(shù)設(shè)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

17、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(chǔ)的仿真工具，適 用于板級的模擬 /數(shù)字電路板的設(shè)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(jìn)行仿真。 Multisim 提煉了 SPICE 仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂 得深入的

18、 SPICE 技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、 仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子 學(xué)教育。通過 Multisim 和虛擬儀器技術(shù)， PCB 設(shè)計工程師和電子學(xué)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(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)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(diào)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

19、的調(diào)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(diào)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?nèi)荻O管反向電壓的設(shè)置 說明加在變?nèi)荻O管兩端的反向電壓為 0.5V，變?nèi)荻O管正常工作 4）不加調(diào)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

20、 （4）然后在 c82 處加入頻率為 1KHz ，幅度為 200MV 的調(diào)制信號，此時示波器輸出 的即為調(diào)制后的 FM 信號。 10 圖 5.5 加入調(diào)制信號后的輸出波形 根據(jù)所得數(shù)據(jù)及已知參數(shù)計算可得 1 2 LC C fo CQ 計算以上各式可得 f0 20.945MHz ，fm 20KHz，滿足實驗要求 11 小結(jié) 通過本周的課程設(shè)計，我認(rèn)識到課本上的知識的實際應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，增強了 思考和解決實際問題的能力。這次做課程設(shè)計，給我留下了很深的印象。上了三年大學(xué)， 學(xué)了三年電子，發(fā)覺自己竟然連一只三極管還沒有學(xué)會。看來做什么都要有追根求底的精 神。不然什么都只是知道，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(shè)計讓我認(rèn)識到了知識和實踐的重要性。只有牢固