變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路

1、 2012 2013學(xué)年 第 1 學(xué)期 高頻電子線路 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 題 目： 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 10信息（2）班 電氣工程系 2012年12月17日 141、任務(wù)書(shū)課題名稱變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師（職稱） 執(zhí)行時(shí)間20122013學(xué)年第二學(xué)期 第 16 周學(xué)生姓名學(xué)號(hào)承擔(dān)任務(wù) 設(shè)計(jì)目的1原理分析及電路圖設(shè)計(jì)2用相關(guān)仿真軟件畫(huà)出電路并對(duì)電路進(jìn)行分析與測(cè)試設(shè)計(jì)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。變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的設(shè)計(jì)摘

2、 要 調(diào)頻電路具有抗干擾性能強(qiáng)、聲音清晰等優(yōu)點(diǎn)，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(tái)的頻帶通常大約是200250kHz，其頻帶寬度是調(diào)幅電臺(tái)的數(shù)十倍，便于傳送高保真立體聲信號(hào)。由于調(diào)幅波受到頻帶寬度的限制，在接收機(jī)中存在著通帶寬度與干擾的矛盾，因此音頻信號(hào)的頻率局限于308000Hz的范圍內(nèi)。在調(diào)頻時(shí)，可以將音頻信號(hào)的頻率范圍擴(kuò)大至3015000Hz，使音頻信號(hào)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(dòng)通信和自動(dòng)頻率微調(diào)系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是工作頻率高，固有損耗小且線路簡(jiǎn)單，能獲得較大的頻偏，其缺點(diǎn)是中心頻率穩(wěn)定度

3、較低。較之中頻調(diào)制和倍頻方法，這種方法的電路簡(jiǎn)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(hào)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(hào)的控制，從而實(shí)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(jì)目 錄第一章 設(shè)計(jì)思路1第二章 調(diào)頻電路工作原理22.1 間接調(diào)頻原理22.2 直接調(diào)頻原理22.3 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理2第三章 電路設(shè)計(jì)53.1 主振電路設(shè)計(jì)原理分析53.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路設(shè)計(jì)原理分析6第四章 電路元器件參數(shù)設(shè)置8

4、4.1 LC震蕩電路直流參數(shù)設(shè)置84.2 變?nèi)莨苷{(diào)頻電路參數(shù)設(shè)置84.3 T2管參數(shù)設(shè)置85.1 mulitisim11軟件介紹95.2 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(jì)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(shí)，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(kuò)散電容效應(yīng)；當(dāng)外加反向偏壓時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)渡電容效應(yīng)。但因加順向偏壓時(shí)會(huì)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O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(shí)，由變?nèi)荻O管的結(jié)電容和其他回路元件

5、決定的諧振回路的諧振頻率也就隨之變化，若此時(shí)諧振回路的諧振頻率與加到變?nèi)荻O管上的調(diào)制信號(hào)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(duì)調(diào)制信號(hào)頻譜進(jìn)行非線性頻率變換，而不是線性搬移，因而不能簡(jiǎn)單地用乘法器和濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)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(hào)進(jìn)行積分處理，然后用它控制載波的瞬時(shí)相位變化，從而實(shí)現(xiàn)間接控制載波的瞬時(shí)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(hào)積分后的調(diào)相波。 這樣，調(diào)相輸出的信號(hào)相對(duì)積分后的調(diào)制信號(hào)而言是調(diào)相波，但對(duì)

6、原調(diào)制信號(hào)而言則為調(diào)頻波。這種實(shí)現(xiàn)調(diào)相的電路獨(dú)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(diǎn)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(hào)直接控制振蕩器的瞬時(shí)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(hào)控制的可變電抗與諧振回路連接，就可以使振蕩頻率按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，實(shí)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(diǎn)。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。

7、此外，由場(chǎng)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(jiǎn)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(shí)勢(shì)壘電容隨外加反向偏壓變化的機(jī)理，在制作半導(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(shì)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：（）式中，VB為PN結(jié)的勢(shì)壘位差(硅管約為0.7

8、V,鍺管約為0.3V)，Cj0為變?nèi)荻O管在零偏置時(shí)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(duì)于緩變結(jié)，擴(kuò)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。 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(hào)電壓V(t)= Vcost，即（）將式（）帶入（），得式中，為靜態(tài)工作點(diǎn)的結(jié)電容，為反映結(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(shí)間的變化而變化。把受到調(diào)制信號(hào)控制的變?nèi)荻?jí)管接入載波振蕩器的振蕩回路，則振蕩回路的

9、頻率已收到調(diào)制信號(hào)的控制。適當(dāng)選擇調(diào)頻二極管的特性和工作狀態(tài)，這樣就實(shí)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(diǎn)Q處，曲線的斜率為。第三章 電路設(shè)計(jì)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(jì)原理分析 端口通過(guò)濾直電容C82輸入頻率為1KHz大小為200mv的調(diào)制信號(hào)，并且頻率由零慢慢增大，端口12輸出調(diào)頻信號(hào)。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(duì)振蕩頻率的影響，要求C9&g

10、t;C7,C10>C7，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 本電路采用常見(jiàn)的電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)LC振蕩，簡(jiǎn)便易行。式中，L為L(zhǎng)C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(shí)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(huì)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(diǎn)式振蕩器中T1管的靜態(tài)工作點(diǎn)，R8、R9、R10調(diào)節(jié)并設(shè)置T2管的靜態(tài)工作點(diǎn)，C7、C9、C10以及L4、CC1、C8構(gòu)成LC振蕩電路。電容三點(diǎn)式振蕩器電路等效電

11、路如下圖所示。 圖3.2 電容三點(diǎn)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(jì)原理分析 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)，（C3由不同電容值的電容代替，保證接入系數(shù)不同）其中等效電路圖如下圖所示。圖3.3 變?nèi)荻O管部分接入等效圖 無(wú)調(diào)制時(shí)，諧振回路的總電容為： 式中，（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(diǎn)是所對(duì)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(diǎn)電壓VQ，調(diào)制信號(hào)v經(jīng)C82和高頻扼流圈L

12、1加到二極管上。為了使VQ和v能有效的加到變?nèi)莨苌?，而不至于被振蕩回路中L4所短路，須在變?nèi)莨芎蚅4之間接入隔直流電容C3，要求它對(duì)高頻接近短路，而對(duì)調(diào)制頻率接近開(kāi)路。C1為高頻濾波電容，要求它對(duì)高頻的容抗很小，近似短路，而對(duì)調(diào)制頻率的容抗很大，近似開(kāi)路。信號(hào)V從端口通過(guò)C82輸入，C82為隔直電容，濾除輸入信號(hào)中摻雜的直流成分。電感L1為高頻扼流圈，要求它對(duì)高頻的感抗很大，近似開(kāi)路，而對(duì)直流和調(diào)制頻率近似短路。對(duì)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(duì)直流和調(diào)制頻率而言，由于C3的阻斷，因而VQ和v可以

13、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。 圖3.4 高頻通路 圖3.5 直流和調(diào)制頻率通路第四章 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(duì)偏執(zhí)電阻的電位偏執(zhí)效果的影響，取R6和R7上流過(guò)的電流IB>>IBQ，取R6=15K，R7=8.2K，W2的可調(diào)最大阻值為20K。實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)得T1管Vc1=7.8V，Vc

14、e1=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(jì)算公式可求出 若取，本次實(shí)驗(yàn)中可調(diào)電容CC1規(guī)格為5120pF，計(jì)算時(shí)取5pF，C7=24pF。L41.2H。實(shí)驗(yàn)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C7<<C9，C7<<C10 所決定，若取C9=100pF，由，則取 C10=330 pF，取耦合電容 C1=4.7F，C14=0.1uF。圖1.3為變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路的等效電路，接入系數(shù)p及回路總電容C分別為 為減小振蕩回路高頻電壓對(duì)變?nèi)莨艿挠绊懀?p應(yīng)取小，但p過(guò)小又會(huì)使頻偏達(dá)不到指

15、標(biāo)要求?？梢韵热=0.2，然后在實(shí)驗(yàn)中調(diào)試。取C3=30pF，C82=330pF，電位器W1規(guī)格為5K。R1與R2為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時(shí)的反向直流偏置電壓VQ，電阻R3稱為隔離電阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以減小調(diào)制信號(hào)V對(duì)VQ的影響。取 R2=3.9k ，隔離電阻R3=180k，R1=20K。實(shí)際調(diào)試時(shí)，L1用1.2uH代替，測(cè)得C3與L1之間節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓為0.5V,較理論值偏小。R1與R2之間節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓為2.7V。4.3 T2管參數(shù)設(shè)置 對(duì)輸出電路，為保證T2管正常工作，可取R8=8.2K，R9=10K，R10=1.5K，實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)得R8與R9間節(jié)點(diǎn)對(duì)地電

16、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(guó)國(guó)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(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)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(duì)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(wú)需懂得深入的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(jì)，這也使其更適合電子

17、學(xué)教育。通過(guò)Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)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(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。5.2 電路仿真在mulitisim中連接測(cè)試電路，按下仿真開(kāi)始按鈕，開(kāi)始仿真。（1）用萬(wàn)用表分別測(cè)量Q1管Vcb，Vce和Vbe，調(diào)試T1管的靜態(tài)工作點(diǎn)。測(cè)得Vcb1=7.8V，Vce1=5.6V，Vbe1=0.64V，說(shuō)明T1管正常工作。 （a）Vcb1 (b)Vce1 (c)Vbe1圖5.1 T1管靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試（2） 用萬(wàn)用表測(cè)得R8與R9間節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓即Vb為6.4V,Ve2=5.69V,則Vbe20.7V（a）Vb2 (b)V

18、e2 (c)Vbe2圖5.2 T2管靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)試 （3）用萬(wàn)用表測(cè)得C3與L1之間節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓為0.5V,較理論值偏小。R1與R2之間節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓為2.7V。 （a）C3與L1之間節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓 （b）R1與R2之間節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓圖5.3 變?nèi)荻O管反向電壓的設(shè)置說(shuō)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(hào)，使用示波器測(cè)電路的輸出波形，即振蕩回路的載波信號(hào)的波形。 圖5.4 載波信號(hào)波形 （4）然后在c82處加入頻率為1KHz，幅度為200MV的調(diào)制信號(hào)，此時(shí)示波器輸出的即為調(diào)制后的FM信號(hào)。圖5.5 加入調(diào)制信號(hào)后的輸出波形根據(jù)所得數(shù)據(jù)及已知參數(shù)計(jì)算可得 計(jì)算以上各式可得，fm20KHz，滿足實(shí)驗(yàn)要求。小結(jié)通過(guò)本周的課程設(shè)計(jì)，我認(rèn)識(shí)到課本上的知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了思考和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。這次做課程設(shè)計(jì)，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(jué)自己竟然連一只三極管還沒(méi)有學(xué)會(huì)?？磥?lái)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(lái)走上社會(huì)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)