高频电子线路课程设计高频信号调频调制.docx

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高频电子线路课程设计高频信号调频调制

1.绪论

实现调频的方法很多，大致可分为两类，一类是直接调频，另一类是间接调频。

直接调频是用调制信号电压直接去控制自激振荡器的振荡频率（实质上是改变振荡器的定频元件），变容二极管调频便属于此类。

间接调频则是利用频率和相位之间的关系，将调制信号进行适当处理（如积分）后，再对高频振荡进行调相，以达到调频的目的。

两种调频法各有优缺点。

直接调频的稳定性较差，但得到的频偏大，线路简单，故应用较广；间接调频稳定性较高，但不易获得较大的频偏。

考虑到电路的复杂度故采用直接调频的方案。

1.1选题背景及意义

要使信号的能量以电场和磁场的形式向空中发射出去传向远方，需要较高的振荡频率方能使电场和磁场迅速变化；同时信号的波长要与天线的长度相匹配。

语言或音乐信号的频率太低，无法产生迅速变化的电场和磁场；相应地，它们的波长又太大，即使选用它的最高频率20000Hz来计算，其波长仍为15000m，实际上是不可能架设这么长的天线的。

看来要把信号传递出去，必须提高频率，缩短波长。

可是超过20kHz的高频信号，人耳就听不见了。

为了解决这个矛盾，只有采用把音频信号“搭乘”在高频载波上，也就是调制，借助于高频电磁波将低频信号发射出去，传向远方。

调频发射机作为一种简单的通信工具，由于它不需要中转站和地面交换机站支持，就可以进行有效的移动通信，因此深受人们的欢迎。

目前它广泛的用于生产、保安、野外工程等领域的小范围移动通信工程中。

1.2设计流程

2.调频设计方案

2.1产生调频信号的电路要求

①已调波的瞬时频率与调制信号成比例变化。

②未调制时的载波频率即已调波的中心频率具有一定的稳定度。

③最大频偏与调制频率无关。

④无寄生调幅或寄生调幅尽量小。

2.2产生调频的方法

①用调制信号直接控制载波的瞬时频率——直接调频。

②先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波——间接调频。

2.3调频的方法分析

变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），线路简单，并且几乎不需要调制功率，其主要缺点是中心频率的稳定度低。

在满足设计的各项参数的基础上尽量简化电路。

因此本次课程设计采用2CC1C变容二极管进行直接调频电路设计。

3.调频电路设计原理分析

3.1FM调制原理

FM调制是靠信号使频率发生变化，振幅可保持一定，所以噪声成分易消除。

设载波

调制波

。

或

，此时的频率偏移量△f为最大频率偏移。

最后得到的被调制波

Vm随Vs的变化而变化。

为调制系数

3.2变容二极管直接频率调制的原理

图变容二极管直接调频示意图

变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种半导体二极管，它是一种电压控制可变电抗元件，它的结电容Cj与反向电压VR存在如下关系：

式中，VD为PN结的势垒电压（内建电势差），Cj0为VR为0时的结电容，γ为系数，它的值随半导体的掺杂浓度和PN结的结构不同而异：

对于缓变结，γ=1/3；突变结：

γ=1/2;对于超突变结，γ=1~4，最大可达6以上。

图：

用调制信号控制变容二极管结电容图

变容二极管的Cj-v特性曲线如图所示。

加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压V0和调制信号电压VΩ（t）=VΩcosΩt，即

。

结电容在vR（t）的控制下随时间的变化而变化。

把受到调制信号控制的变容二级管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡回路的频率已收到调制信号的控制。

适当选择调频二极管的特性和工作状态，这样就实现了调频。

设电路工作在线性调制状态，在静态工作点Q处，曲线的斜率为

3.3调频波的数学表达式

设未调高频载波为一简谐振荡，其数学表达式为

v（t）=Vcosq（t）=Vcos（w0t+q0）（1-1）

式中，q0为载波初相角；w0是载波的角频率，q（t）为载波振荡的瞬时相位。

当没有调制时，v（t）就是载波振荡电压，其角频率w0和初相角q0都是常数。

调频时，在式（1-1）中，高频正弦载波的角频率不再是常数w0，而是随调制信号变化的量。

即调频波的瞬时角频率w（t）为

w（t）=w0+kfvW（t）=w0+Dw（t）

式中kf为比例常数，即单位调制信号电压引起的角频率变化，单位为rad/s×V。

此时调频波的瞬时相角q（t）为

调频波的相关表达式

数学表达式

瞬时频率

w0t+kfvW（t）

瞬时相位

最大频偏

Dwm=Kf

调制指数

mf=Kf

下图画出了调频波瞬时频率、瞬时相位随调制信号（单音信号）变化的波形图以及调频波的波形图。

（a）为调制信号Vw，图（b）为调频波，当为Vw波峰时，频率wo+DWm为最大；当Vw为波谷时，频率wo–DWm为最小。

图（c）为瞬时频率的形式，是在载频的基础上叠加了随调制信号变化的部分。

图（d）为调频时引起的附加相位偏移的瞬时值，由上式可知，Dq（t）与调制信号相差90°。

由图可知，调频波的瞬时频率随调制信号成线性变化，而瞬时相位随调制信号的积分线性变化。

4.主要性能参数及其测试方法

4.1主振频率

LC振荡器的输出频率

称为主振频率或载波频率。

用数字频率计测量回路的谐振频率

，高频电压表测量谐振电压Vo，示波器监视振荡波形。

由于数字频率计的输入阻抗较低，所以要接入电容

，一般取

等于几十皮法。

4.2频率稳定度

主振频率

的相对稳定度用频率稳定度Δ

/

表示。

虽然调频信号的瞬时频率随调制信号的改变而改变，但这种变化时以稳定的载频

为基准的。

若载频不稳，则调制信号的频谱有可能落到接收机通带之外。

因此，对于调频电路，不仅要满足一定频偏要求，而且振荡频率

必须保持足够高的频率稳定度。

测量频率稳定度的方法是，在一定的时间范围（如1小时）内或温度范围内每隔几分钟读一个频率值，然后取其范围内的最大值Fmax与最小值Fmin，则稳定度：

Δ

/每小时

4.3最大频偏

指在一定的调制电压的作用下所能达到的最大频偏偏移值Δfm。

将Δfm/

成为相对频偏。

用于调频广播、电视伴音、移动式电台等的相对频偏较小，一般Δfm/

<

频偏Δfm在50KHZ--75KHZ之内。

其调频的最大频偏的公式：

ΔWm=

∣

∣max

4.4频率调制灵敏度的估测

频率调制灵敏度指单位调制电压所引起的频偏。

若调频电路工作在线性调制状态，则频率调制灵敏度

为：

根据

可知，当电容变化

C时，频率变化量

为

（4-1）

若定义变容器在静态工作点

处

—v特性曲线的斜率为：

（4-2）

以调制信号电压幅度

代替

，则

（4-3）

将（4-1）代入（4-2），则得：

因此，

（4-4）

将（4-3）代入（4-4），得

（4-5）

可见，由测得的

—v曲线，求出

处的斜率，既可由（4-5）式计算出频率调制灵敏度

。

5.调频原理图

5.1调频电路图

5.2输入波形（XSC2的波形）

5.3调频后波形（XSC1的波形）

5.4混合图

6.仿真软件：

multisim软件

6.1元器件清单：

电阻、电容、电感、交流电、变容二极管、三极管、示波器、直流电源。

7.设计体会

通过本周的课程设计，我认识到课本上的知识的实际应用，激发了学习兴趣，增强了思考和解决实际问题的能力。

这次做课程设计，给我留下了很深的印象。

做什么都要有追根求底的精神。

不然什么都只是知道，却什么都不精通，这是将来走上社会最忌讳的。

虽然只是短暂的一周，但在这期间，却让我受益匪浅。

这次课程设计让我认识到了知识和实践的重要性。

只有牢固掌握了所学的知识，才能有清晰的思路，知道每一步该怎样走。

才能顺利的解决每一个问题。

就以这次课程设计为例，刚拿到题目的时候，大致看一下要求，根据平时所学的知识，脑海中就立刻会想到应该用到的元器件，然后再去图书馆去查这些元器件的资料，很快地初步方案以及大概的电路原理图就出来了。

但是，在具体的细节设计上，我却不知道为什么，从而明白了自己基础知识掌握得不牢固。

所以，这次课程设计在让我认识了知识的重要性之外，更让我明白了自己理论知识和实践知识的欠缺。

经过这次高频课程设计，让我把高频知识理解的更加透彻，不仅是在课堂上学到了很多高频理论知识，而且也使我懂得了团队合作的重要性。

8.参考文献

[1]《高频电子线路》张肃文主编高等教育出版社

[2]《模拟电子技术基础》童诗白、华成英编高等教育出版社

[3]《AM信号到DSB信号的连续过渡与同步检波》博战捷，童辉吉林大学学报

[4]《模拟电子电路分析、设计与仿真》牢五一、牢佳编著清华大学出版社

附录总电路图设计