變?nèi)荻O管調(diào)頻電路

..變?nèi)荻O管調(diào)頻電路實現(xiàn)調(diào)頻的方法很多,大致可分為兩類,一類是直接調(diào)頻,另一類是間接調(diào)頻。直接調(diào)頻是用調(diào)制信號電壓直接去控制自激振蕩器的振蕩頻率〔實質(zhì)上是改變振蕩器的定頻元件,變?nèi)荻O管調(diào)頻便屬于此類。間接調(diào)頻則是利用頻率和相位之間的關(guān)系,將調(diào)制信號進行適當(dāng)處理〔如積分后,再對高頻振蕩進行調(diào)相,以達到調(diào)頻的目的。兩種調(diào)頻法各有優(yōu)缺點。間接調(diào)頻器間接調(diào)頻的優(yōu)點是載波頻率比較穩(wěn)定,但電路較復(fù)雜,頻移小,且寄生調(diào)幅較大,通常需多次倍頻使頻移增加。對調(diào)頻器的基本要求是調(diào)頻頻移大,調(diào)頻特性好,寄生調(diào)幅小。調(diào)頻器廣泛用于調(diào)頻廣播、電視伴音、微波通信、鎖相電路和掃頻儀等電子設(shè)備直接調(diào)頻的穩(wěn)定性較差,但得到的頻偏大,線路簡單,故應(yīng)用較廣；間接調(diào)頻穩(wěn)定性較高,但不易獲得較大的頻偏。常用的變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路如圖Z0916〔a所示。

圖中D為變?nèi)荻O管,C2、L1、和C3組成低通濾濾器,以保證調(diào)制信號順利加到調(diào)頻級上,同時也防止調(diào)制信號影響高頻振蕩回路,或高頻信號反串入調(diào)制信號電路中。調(diào)制級本身由兩組電源供電。對高頻振蕩信號來說,L1可看作開路,電源EB的交流電位為零,R1與C3并聯(lián)；如果將隔直電容C4近似看作短路,R2看作開路,則可得到

圖〔b所示的高頻等效電路。不難看出,它是一個電感三點式振蕩電路。變?nèi)荻O管D的結(jié)電容Cj,充當(dāng)了振蕩回路中的電抗元件之一。所以振蕩頻率取決于電感L2和變?nèi)荻O變?nèi)荻O管的正極直流接地〔L2對直流可視為短路,負極通過R1接+EB,使變?nèi)荻O管獲得一固定的反偏壓,這一反偏壓的大小與穩(wěn)定,對調(diào)頻信號的線性和中心頻率的穩(wěn)定性及精度,起著決定性作用。

對調(diào)制信號來說,L2可視為短路,調(diào)制信號通過隔直流電容C1和L1加到變?nèi)荻O管D的負極,因此,當(dāng)調(diào)制信號為正半周時,變?nèi)荻O管的反偏電壓增加,其結(jié)電容減小,使振蕩頻率變高；調(diào)制信號為負半周時,變?nèi)荻O管的反偏壓減小,其結(jié)電容增大,使振蕩頻率變低。

由上可見,變?nèi)荻O管調(diào)頻的原理是,用調(diào)制信號去改變加在變?nèi)荻O管上的反偏壓,以改變其結(jié)電容的大小,從而改變高頻振蕩頻率的大小,達到調(diào)頻的目的。由變?nèi)荻O管結(jié)電容Cj變化實現(xiàn)調(diào)頻的波形示意圖如圖Z0917所示。

圖Z0918是應(yīng)用電路舉例請讀者自行分析?！捕?變?nèi)荻O管的間接調(diào)頻:

間接調(diào)頻優(yōu)點是:中心頻率十分穩(wěn)定,但最大角頻偏小。

1.概述:

〔1>間接調(diào)頻定義:

將調(diào)制信號vΩ<t>先進行積分,再以積分后的信號去進行調(diào)相,所得的調(diào)相波就是對原調(diào)制信號實現(xiàn)的調(diào)頻,稱這樣調(diào)頻為間接調(diào)頻。

〔2>實現(xiàn)間接調(diào)頻的方法:

由定義可知間接調(diào)頻方法取決于調(diào)相,調(diào)相方法有幾種,則間接調(diào)頻方法也有幾種。調(diào)相方法大致有三種：矢量法、移相法、時延法,所以間接調(diào)頻同樣也有三種方法：

①矢量法：

◆vFM=Vcmcos<ωct+MfsinΩt>=Vcmcosωctcos<MfsinΩt>-Vcmsinωctsin<MfsinΩt>若：Mf<<1cos<MfsinΩt>≈1sin<MfsinΩt>≈MfsinΩt則：vFM=Vcmcosωct-VcmMfsinωctsinΩt=V'mcosφ

◆vFM的矢量合成圖：矢量法實現(xiàn)FM的框圖：

◆若對調(diào)相而言,一旦矢量合成電路確定,最大相移也被惟一確定,即△φm=Mp=π/12〔rad的窄帶調(diào)相；

若對間接調(diào)頻而言,一旦矢量合成電路確定了,最大相移Mf被惟一確定,即△φm=Mf=π/12〔rad的窄帶調(diào)頻。②移相法：

◆實現(xiàn)PM的框圖：移相網(wǎng)絡(luò)一旦確定,Δφm=Mp=π/6被惟一確定。〔按此仿真

◆實現(xiàn)間接調(diào)頻的框圖：

移相網(wǎng)絡(luò)一旦確定,Δφm=Mf=π/6被惟一確定。〔按此仿真課題三高頻調(diào)頻技術(shù)通過前面的學(xué)習(xí)我們知道用調(diào)制信號〔低頻信號去控制載波信號的幅度而實現(xiàn)的調(diào)制稱為調(diào)幅；同樣,若用調(diào)制信號去控制載波的頻率或相位而實現(xiàn)的調(diào)制分別稱為調(diào)頻或調(diào)相。由于調(diào)頻或調(diào)相兩種調(diào)制都改變了載波的瞬時相位,通稱角度調(diào)制。在模擬調(diào)制中,調(diào)頻具有較為優(yōu)越的性能,因此,調(diào)頻技術(shù)廣泛應(yīng)用于立體聲廣播、電視伴音、無線麥克風(fēng)、微波傳輸及衛(wèi)星通信。同樣,完整的調(diào)頻通信系統(tǒng)也由發(fā)射機與接收機兩部分組成,與調(diào)幅通信系統(tǒng)比較,除了調(diào)制與解調(diào)的原理方法不同外,其他部分如超外差變頻接收技術(shù)、中頻放大電路等基本相同。任務(wù)一直接調(diào)頻電路的應(yīng)用任務(wù)目標(biāo)直接調(diào)頻電路可實現(xiàn)較大的調(diào)制頻偏,電路簡單,性能好,應(yīng)用廣泛。通過本部分的學(xué)習(xí),掌握調(diào)角波的基本概念,直接調(diào)頻電路的組成與工作原理,實現(xiàn)線性調(diào)制的電路參數(shù)的基本分析與計算,及擴展頻偏的方法。課題導(dǎo)入許多調(diào)頻發(fā)射電路中采用直接調(diào)頻電路：如無線麥克風(fēng)發(fā)射電路、無線遙控玩具的發(fā)射機電路及對講機電路等。在模擬電路課程的學(xué)習(xí)中,我們學(xué)習(xí)過各種振蕩器,這些振蕩器產(chǎn)生的是頻率、幅度不變的單頻余弦波。按照調(diào)頻波的定義,若這些振蕩器的頻率能夠被低頻信號直接控制而改變,則振蕩器就可輸出調(diào)頻波,相應(yīng)的稱這些電路為直接調(diào)頻電路。相關(guān)知識一、角度調(diào)制原理1、調(diào)頻波的數(shù)學(xué)表達式設(shè)載波信號電壓為uc<t>＝Ucmcos<ωct+φ0>〔式中,ωct+φ0為載波的瞬時相位；ωc為載波信號的角頻率；φ0為載波初相角〔一般地,可以令φ0=0。設(shè)調(diào)制信號<低頻信號>電壓為uΩ<t>=UΩmcosΩt〔式中,Ω為調(diào)制信號的角頻率。根據(jù)調(diào)頻的定義,載波信號的瞬時角頻率隨調(diào)制信號uΩ<t>線性變化,則瞬時角頻率用下式表示ω<t>=ωc+Δω<t>=ωc+kfuΩ<t>

〔式中,kf為與調(diào)頻電路有關(guān)的比例常數(shù),單位為rad/<s·V>；Δω<t>=kfuΩ<t>,稱為角頻率偏移,簡稱角頻移。Δω<t>的最大值叫角頻偏,Δωm=kf|uΩ<t>|max,它表示瞬時角頻率偏離中心頻率ωc的最大值。圖2-3-1

為調(diào)制信號與調(diào)頻波之間關(guān)系的波形圖圖2-3-1

為調(diào)制信號與調(diào)頻波之間關(guān)系的波形圖=〔則調(diào)頻波的表達式可表示為圖2-3-1調(diào)頻波波形〔圖2-3-1調(diào)頻波波形式中為調(diào)頻波的最大相移,又稱調(diào)頻指數(shù),顯然與成正比,與成反比。。2、調(diào)相波的數(shù)學(xué)表達式根據(jù)調(diào)相的定義,若載波信號的瞬時相位隨調(diào)制信號線性變化,則瞬時相位用下式表示

=〔2.3.6式中,Kp為由調(diào)相電路決定的比例常數(shù),量綱為rad/V。Kp為調(diào)相波的相移,而是調(diào)相波的最大相移,又稱調(diào)相指數(shù),與成正比。則調(diào)相波的表達式可表示為〔>對式〔2.3.6求導(dǎo)可得調(diào)相波的瞬時角頻率為〔2.3.8式中為調(diào)相波的最大角頻偏,與的乘積成正比。圖2-3-23、調(diào)角波的頻譜與帶寬我們首先分析調(diào)頻信號的頻譜,由單頻余弦調(diào)制的調(diào)頻信號圖2-3-2表示式利用三角函數(shù)變換式cos<A+B>=cosAcosB-sinAsinB,將上式變換為〔2.3.9上式可按傅立葉級數(shù)展開,由貝塞爾函數(shù)理論,有下述關(guān)系：

<2.3.10>

<>代入〔4.10式,再利用三角函數(shù)的積化和差公式得

<>由上式可以看出：在單頻余弦信號調(diào)制的情況下,調(diào)角信號可以分解為角頻率為的載頻分量與角頻率為的無限對上、下邊頻分量之和,這些邊頻分量和載頻分量的角頻率相差<其中n=l,2,3,…>。當(dāng)n為偶數(shù)時,上、下兩邊頻分量的符號相同,當(dāng)n為奇數(shù)時,上、下邊頻分量的符號相反。是未調(diào)制時的載頻振幅,調(diào)制時,載頻分量和各邊頻分量的振幅則由和貝塞爾函數(shù)決定。當(dāng)m,n已知后,各階貝塞爾函數(shù)隨的變化曲線如圖2-3-3。圖2-3-3所示為在相同、載波相同的條件下,,時的調(diào)頻波頻譜圖,其特點如下：〔1調(diào)制指數(shù)越大,具有較大增幅的邊頻分量就越多,且邊頻分量幅度可超過載頻分量幅度?！?為某些值時,載頻分量可能為零,也可能使某些邊頻分量振幅為零；〔3由于調(diào)角信號的振幅不變,當(dāng)一定時,它的平均功率與調(diào)制指數(shù)無關(guān),其值等于末調(diào)制的載波功率,所以改變僅使載波分量和各邊頻分量之間的功率重新分配,而總功率不會改變。4、調(diào)角波的帶寬從理論上分析,調(diào)角信號的邊頻分量有無限對,即它的頻帶應(yīng)為無限寬,但由圖2-3-4可以看出,對于一定的,隨著n的增大,邊頻分量的幅度大小變化的總趨勢是減小的,這表明離開載頻較遠的邊頻振幅都很小,在傳送和放大過程中,可舍去這些邊頻分量。理論上可證明,當(dāng)n>+1時,<0.1,因此,若忽略幅度小于未調(diào)制前載波幅度的10%的邊頻分量,則調(diào)角波的頻帶寬度可表示為：

<>由上式可知,當(dāng)ml<工程上規(guī)定m<0.25rad>時,調(diào)角信號的有效頻譜帶寬為BW=2F

<>其值近似為調(diào)制信號頻率的兩倍,相當(dāng)于普通調(diào)幅信號的頻譜寬度,通常把這種調(diào)角信號稱為窄帶調(diào)角信號。當(dāng)ml時,調(diào)角信號的有效頻譜帶寬為BW2mF=2

<>通常把這種調(diào)角信號稱為寬帶調(diào)角信號。這里需要說明的是,調(diào)角信號的有效頻譜帶寬BW與最大頻偏是兩個不同的概念。最大頻偏是指在調(diào)制信號作用下,瞬時頻率偏離載頻的最大值；而有效頻譜帶寬BW是反映調(diào)角信號頻譜特性的參數(shù),它是上、下邊頻所占有的頻帶范圍。上面討論了在單頻調(diào)制時的調(diào)角信號有效頻譜帶寬,實際上調(diào)制信號多為復(fù)雜信號,對復(fù)雜信號調(diào)制時,調(diào)頻信號占有的有效頻譜帶寬仍可用式<4.13>表示,但需將其中的F用調(diào)制信號中的最高頻率取代,用最大頻偏取代。舉例：調(diào)頻廣播系統(tǒng)中,按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定=l5kHz,=75kHz,由式<<>計算得到,實際取頻譜寬度200kHz。二、直接調(diào)頻電路調(diào)頻與調(diào)相都使瞬時相位、瞬時頻率發(fā)生變化,因此,調(diào)頻與調(diào)相可以相互轉(zhuǎn)化,但在模擬信號的角度調(diào)制中,調(diào)頻調(diào)制應(yīng)用更廣,這里主要學(xué)習(xí)調(diào)頻電路。調(diào)頻電路通常分為直接調(diào)頻電路和間接調(diào)頻電路,直接調(diào)頻是利用調(diào)制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率而實現(xiàn)的調(diào)頻方法。常用的直接調(diào)頻電路有變?nèi)荻O管<或電抗管>調(diào)頻電路、晶振調(diào)頻電路、集成調(diào)頻電路等。直接調(diào)頻電路可獲得較高的調(diào)制靈敏度,較大調(diào)制頻偏和較好的調(diào)制線性,因此得到廣泛應(yīng)用。1．變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路<1>調(diào)頻原理圖

2-3-5變?nèi)荻O管接入振蕩回路

a>變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路

b>高頻等效電路

c>低頻等效電路

d>曲線變?nèi)荻O管直接調(diào)頻是利用調(diào)制信號直接控制變?nèi)荻O管反偏電壓改變其電容量進而改變振蕩器的振蕩頻率而實現(xiàn)的調(diào)頻方法。圖2-3-5所示為變?nèi)荻O管接入振蕩回路示意圖和曲線。當(dāng)給PN結(jié)加反向偏置電壓時,結(jié)電容隨反向偏置電壓變化,變化范圍大約在3-20pF。目前常用的載波振蕩器為LC振蕩器,只要使變?nèi)荻O管的可控電容參與回路電容,并用調(diào)制信號去控制變?nèi)荻O管的電容量,就可以直接改變LC振蕩器的振蕩頻率,構(gòu)成變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路。在圖2-3-5<a>中、、對載波視為短路,同時、起隔離直流作用,為扼流圈,對載波視為開路,但對低頻和直流視為短路；變?nèi)荻O管的電容與L構(gòu)成振蕩回路,如圖2-3-5<b>所示,低頻調(diào)制信號與直流電壓迭加控制變?nèi)荻O管的反偏電壓,其低頻等效電路如圖2-3-5<c>所示。振蕩頻率可近似由回路電感L和變?nèi)荻O管結(jié)電容Cj所決定,即〔由于變?nèi)荻O管的電容受調(diào)制信號的直接控制,所以振蕩頻率ω隨調(diào)制信號的變化而變化。變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路控制方便,調(diào)制頻偏大,性能較好,常用于高頻寬帶調(diào)頻?！?電路實例。圖2-3-6變?nèi)荻O管的直接調(diào)頻a>電原理圖

b>高頻等效電路圖2-3-6〔a>所示為變?nèi)荻O管90MHz直接調(diào)頻電路,調(diào)制信號電壓〔含偏置直流通過22μH電感加在變?nèi)荻O管兩端,控制變?nèi)荻O管容量使振蕩器頻率隨低頻調(diào)制信號電壓變化。電路的基礎(chǔ)是電容三點式正弦振蕩器,如圖2-3-6<b>為振蕩部分交流等效電路,通過電感耦合輸出調(diào)頻信號。2．晶體振蕩器直接調(diào)頻電路晶體振蕩器調(diào)頻電路是將變?nèi)荻O管和石英晶體串聯(lián)或并聯(lián)后,接入振蕩回路構(gòu)成的調(diào)頻振蕩器。圖2-3-7〔a為某型無線話筒晶體振蕩器直接調(diào)頻電路,音頻信號通過R29加在變?nèi)荻O管負極,控制變?nèi)荻O管結(jié)電容,實現(xiàn)直接調(diào)頻。電路中,電源電壓通過R29、R30、R31為變?nèi)荻O管D4提供反向直流偏置,D4與晶體Y1及電感L1串聯(lián),再與C23,C27并聯(lián)構(gòu)成克拉波振蕩器,改變L1可微調(diào)調(diào)頻中心頻率,交流等效電路如圖2-3-7〔b所示。該無線話筒發(fā)射的中心頻率是固定的,不同的頻點的無線話筒采用不同頻率的泛音晶體。石英晶體振蕩回路具有振蕩中心頻率十分穩(wěn)定,載波頻率飄移小的優(yōu)點,但晶體的調(diào)制頻偏小,為提高調(diào)頻頻偏,后級連接12倍頻電路使發(fā)射頻率倍頻到229.56MHz〔19.130MHz×12=229.56MHz。倍頻后,不僅提高了載頻頻率,調(diào)制頻偏也擴大了12倍。

<a>

<b>圖2-3-7晶體振蕩器直接調(diào)頻電路a>直接晶體調(diào)頻電路

b>高頻振蕩等效電路2.變?nèi)荻O管調(diào)相電路：〔按此仿真對vc用諾頓定理變成載波恒流源,通過LCj移相網(wǎng)絡(luò)時,產(chǎn)生對ωc失諧,失諧

量≤π/6其產(chǎn)生了相移△,

得△φz=-nmQecosΩt即△φm=Mp=nmQe=π/6

結(jié)論：調(diào)相波常有寄生調(diào)幅Mp=nmQe=π/6欲提高相移應(yīng)采用多極的變?nèi)荻O管調(diào)相,即：調(diào)相電路中R3C3<1/Ω,所以R3C若調(diào)相電路中R3C3滿足積分電路條件,說明這時變?nèi)荻O管是受vΩ<t>的積分信號

v'Ω3.變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路：◆電路形式與變?nèi)荻O管調(diào)相相似,若Ω=103rad/s,那么實現(xiàn)間接調(diào)頻電路,只要將上述調(diào)相電路中R3改為470kΩ,即可滿足的要求。電路為單級變?nèi)莨荛g接調(diào)頻。單級的間接調(diào)頻相移

◆多級二極管間接調(diào)頻

欲提高Mf,只能采用多級,例如下圖采用三級：

電阻R*調(diào)整三個回路Q值,使它們產(chǎn)生相等的相移,1pF為移相網(wǎng)絡(luò)之間耦合小電容。

vc用諾頓定理轉(zhuǎn)為恒流源,各回路在ω=ωc上呈現(xiàn)的阻抗幅值為

Z<ωc>,則：〔二變?nèi)?/p>