变容二极管调频课程设计综述.docx

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变容二极管调频课程设计综述

5仿真结果及分析..................................................................................17

摘要

调频电路具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。

主要应用于调频广播、广播电视、通信及遥控。

调频电台的频带通常大约是200～250kHz，其频带宽度是调幅电台的数十倍，便于传送高保真立体声信号。

由于调幅波受到频带宽度的限制，在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾，因此音频信号的频率局限于30～8000Hz的范围内。

在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至30～15000Hz，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。

变容二极管调频电路是一种常用的直接调频电路，广泛应用于移动通信和自动频率微调系统。

其优点是工作频率高，固有损耗小且线路简单，能获得较大的频偏，其缺点是中心频率稳定度较低。

较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。

本课题载波由LC电容反馈三端振荡器组成主振回路，振荡频率有电路电感和电容决定，当受调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡频率受调制信号的控制，从而实现调频。

关键词：

调频、变容二极管、LC

Abstract

Frequencymodulationcircuithasstronganti-jammingperformance,clearvoiceetc,andgotrapiddevelopment.MainlyusedinFMradio,broadcasttelevision,communicationandremotecontrol.FMradiobandusuallyisabout200~250KHZ,thebandwidthisamradiodozensoftimes,convenientdeliveryhi-fistereosignal.Duetothemodulationwavebybandwidthlimit,inthereceivertherearepassbandwidthandinterferenceofthecontradiction,thereforeaudiosignalfrequencylimitedto30~8000hzrange.Infrequencymodulationinaudiosignalfrequencyrangetoexpandto30~15000hz,maketheaudiosignalspectrumcomponentmorerich,soundqualitygreatlyimproved.

Varactorfrequencymodulationcircuitisakindofcommonlyuseddirectfrequencymodulationcircuit,whicharewidelyusedinmobilecommunicationandautomaticfrequencyadjustmentsystem.Itsadvantageiswithhighworkingfrequency,theinherentlosssmallandsimplelines,canobtainlargerdeviation,itsshortcomingiscenterfrequencystabilityislow.Comparedwithintermediatefrequencymodulationandfrequencymultiplicationmethod,themethodofthecircuitissimple,theperformancegood,deputywavelittle,easymaintenance,itisakindofadvancedfrequencymodulationscheme.

ThistopiccarrierbyLCcapacitancefeedbackthreeendoscillatorcompositiondrivercircuit,oscillationfrequencyiscircuitinductanceandcapacitancedecision,whenbemodulationsignalcontrolofthevaractoraccesscarrieroscillatorintheoscillationcircuit,theoscillationfrequencymodulationsignalbythecontrol,soastorealizethefrequencymodulation.

Keywords:

FM,varactor,LC

1方案选择

产生调频信号的电路叫做调频器，对他有4个主要的要求：

已调波的瞬时频率与调制信号成比例变化。

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。

最大频偏与调制频率无关。

无寄生调幅或寄生调幅尽量小。

产生调频的方法主要归纳为两类：

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。

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。

2调频电路设计原理分析

2.1FM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

2.2变容二极管直接频率调制的原理：

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2.1变容二极管的Cj-v特性曲线

变容二极管的Cj-v特性曲线如图2.1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

。

2.3三极管的参数

图2.2高频三极管的参数

3单元电路设计分析

3.1LC振荡电路

本电路采用常见的电容三点式震荡电路实现LC振荡，如图3.1，简便易行，变容二极管电容作为组成LC振荡电路的一部分，电容值会随加在其两端的电压的变化而变化，从而达到了变频的目的。

Rc，Re，RB1，RB2设置LC震荡电路的静态工作点，L1，C1构成LC震荡电路，CC,DC接入LC振荡电路改变振荡频率构成调频电路。

R1、R2、R3提供变容二极管工作所需的直流偏置。

信号VΩ从C5接入，电感L2是一低通线圈，可以过滤掉信号的高频部分。

图3.2为调频电路的交流等效电路。

变容二极管的接入方式为部分接入，如果去掉与之串联的CC则为全部接入。

图3.1调频信号产生电路

图3.2三点式振荡电路

3.2调制灵敏度

单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度，以Sf表示，单位为kHz/V，即

VΩm为调制信号的幅度；△fm为变容管的结电容变化△Cj时引起的最大频偏。

∵回路总电容的变化量为

在频偏较小时，△fm与△C∑的关系可采用下面近似公式，即

∴p↑△f↑，△Cj↑△f↑。

调制灵敏度式中，△C∑为回路总电容的变化

量；CQ∑为静态时谐振回路的总电容，即

∴C1↓Sf↑△f↑

调制灵敏度Sf可以由变容二极管Cj-v特性曲线上VQ处的斜率kc计算。

Sf越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。

改变CC的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。

3.3增加稳定度的措施：

3.3.1震荡回路参数LC

显然LC如有变化，必然引起震荡频率的变化，影响LC变化的因素有：

元件的机械变形，周围温度变化的影响，适度，气压的变化，因此为了维持LC的数值不变，首先就应选取标准性高的，不易发生机械变形的元件；其次，应尽量维持振荡器的环境温度的恒定，因为当温度变化时，不仅会使LC的数值发生变化，而且会引起电子器件的参数变化，因此高稳定度的振荡器可以封闭在恒温箱（杜瓦瓶）内，LC采用温度系数低的材料制成。

3.3.2温度补偿法

使L与C的变化量与△L与△C的变化量相互抵消以维持恒定的震荡频率，其原理如下：

若回路的损耗电阻r很小，即Q值很高，则振荡频率可以近似的用回路的固有频率f0来表示。

由于外界因素的影响，使LC产生微小的变量△L、△C，因而引起振荡频率的变化为

若选用合适的负温度系数的电容器（电感线圈的温度系数恒为正值），使得△C/C与△L/L互相抵消，则△f可减为零。

这就是温度补偿法。

3.3.3回路电阻

r的大小是由振荡器的负载决定的，负载重时，r大，负载轻时r小，当负载变化时，振荡频率也随之变化。

为了减小r的影响尽量使负载小且稳定，r越小，回路的Q值越高，频率的稳定度也越高，

3.3.4加缓冲级

为了减弱后级电路对主振器的影响，可在主振器后面加入缓冲级。

所谓缓冲级，就是实际上是一级不需要推动功率的放大器（工作于甲类）。

3.3.5有源器件的参数

晶体管为有源器件时，若他的工作状态（电源电压或周围温度等）有所改变，则晶体管的h参数会发生变化，即引起振荡频率的改变。

为了维持晶体管的参数不变，应该采用稳压电源，和恒温措施。

采用高稳定度LC振荡电路

例如采用克拉泼电路如图3.2所示：

C1>>C3,C2>>C3,Cb为基极耦合电容，C3为可变电容，他的作用是把L与C1，C2分隔开，使反馈系数仅取决于C1，C2的比值，振荡频率基本上由L和C3决定。

这样，C3就减弱了晶体管与振荡电路之间的耦合，使折算到回路内的有源器件的参数减小，提高了频率的稳定度，另一方面，不稳定电容（如分布电容）则与C1，C2并联，基本上不影响震荡频率。

C3越小，则频率的稳定度越好，但起振也就越困难。

因此C3也不能无限制的减小。

4各单元电路元器件参数设置：

4.1LC震荡电路直流参数设置：

ICQ一般为（1~4）mA。

ICQ偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。

取ICQ=2mA。

取VCEQ=1/2VCC=6V。

可以求出Rc+Re=3KΩ，取Rc=2KΩ，Re=1KΩ；

β=60，IBQ=β×IBQ，为使减小IBQ对偏执电阻的电位偏执效果的影响，取RB1和RB2上流过的电流IB>>IBQ，取RB1=28KΩ，RB2=8.2KΩ。

4.2调频电路的直流参数设置

根据2CC1C数据手册提供的变容二极管的Cj-v特性曲线（如图1），取变容二极管的正常工作的反向偏置电压为4V，R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压VQ，电阻R3称为隔离电阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以减小调制信号VΩ对VQ的影响。

已知VQ=4V，若取R2=10k，隔离电阻R3=150kΩ。

则R1=20KΩ

4.3交流电路参数设置：

由LC震荡频率的计算公式可求出

，若取C1=100pF，则L1≈10H。

实验中可适当调整L1的圈数或C1的值。

电容C2、C3由反馈系数F及电路条件C1<

，则取C3=3000pF，取耦合电容Cb=0.01F。

本题给定变容二极管的型号为2CC1C，已测量出其Cj-v曲线如图1所示。

取变容管静态反向偏压VQ=－4V，由特性曲线可得变容管的静态电容CQ=75pF。

2CC1C属于突变结，γ=0.5，图4为变容二极管部分接入振荡回路的等效电路，接入系数p及回路总电容C∑分别为

为减小振荡回路高频电压对变容管的影响，p应取小，但p过小又会使频偏达不到指标要求。

可以先取p=0.2，然后在实验中调试。

当VQ=－4V时，对应CQ=75pF，则CC18.8pf。

取标称值20pF。

图4.1交流等效电路图

4.4计算调制信号的幅度

为达到最大频偏△fm的要求，调制信号的幅度VΩm，可由下列关系式求出。

由Cj-v曲线得变容管2CC1C在VQ=–4V处的斜率

PF/V,得调制信号的幅度

VΩm=ΔCj/kc=0.92V。

调制灵敏度Sf为

KHz/V

5仿真结果及分析

5.1输入3kHz、振幅为10V的正弦波调制信号，仿真结果如下：

图5.1调制信号波形

5.2输出调频波波形

图5.2已调信号波形

5.3频率计仿真结果

图5.3已调信号低频率

图5.4已调信号高频率

由仿真结果可看出，已调信号的频率随着调制信号在4.767MHz~4.849MHz之间缓变，说明实现了信号的调频，只是变化幅度太小，看不出调频波。

6元器件清单

Designator

Comment

Footprint

Description

C5

CapPol1

RB7.6-15

PolarizedCapacitor（Radial）

C,C1,C2,C3,C4,C6,C7，Cb,Cb3,Cc

Cap

RAD-0.3

Capacitor

Dc

2CC1C

SOT23A

VariableCapacitanceDiode

L

Inductor

0402-A

Inductor

L1,L2

InductorIron

AXIAL-0.9

Magnetic-CoreInductor

Q1

3DG100

TO-92A

NPNAmplifier

R1,R2,R3,Rb1,Rb2,Rb3,Rb4,Rb5,Rb6,Rc,Re,Re4,Re21,Re31,Re32,RL

Res2

AXIAL-0.4

Resistor

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。

上了三年大学，学了三年通信，发觉自己竟然连一只二极管还没有学会。

看来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。

一周的课程设计虽然结束了，但是在这期间所学的知识和老师的指导却让我难以忘记。

8参考文献

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李银华电子线路设计指导北京航空航天大学出版社2005.6

2：

谢自美电子线路设计·试验·测试华中科技大学出版社2003

3：

张肃文高频电子电路高等教育出版社2004.11

4：

阳昌汉高频电子电路哈尔滨工程大学出版社2001

4：

张凤言电子电路基础高等教育出版社1995

5：

阳昌汉高频电子线路学习与解题指导哈尔滨工程大学出版2004

6：

杨翠娥高频电子线路实验与课程设计哈尔滨工程大学出版社2001

7：

罗伟雄通信原理与电路北京理工大学出版社1999