变容管调频和鉴频.ppt

实验三 变容管调频电路和鉴频器 频率调制是无线电通信的一类重要的调制方式 调频信号是用载波频率的变化来反映调制信号的变化规律 因而其抗干扰能力较强 但因其带宽较宽 常用于超短波及频率更高的波段 典型的如FM广播 电视伴音等 调频信号的产生常有两种方法 1 间接调频 俗称阿姆斯特朗法 先对调制信号积分再用载波调相 其特点是 调制振荡分离 故频率稳定性高 但频偏小 电路较复杂 2 直接调频 用调制电压去控制LC回路参数 其特点是 振荡调制同时进行 故频率稳定性较差 但其频偏大 电路简单 常用的是变容二极管直接调频电路和电抗管调频 由于变容二极管工作频率范围宽 固有损耗小 使用方便 电路简单 故本节介绍变容管调频及其实验仿真 从调频信号中解调出调制信号的电路称为频率检波器或鉴频器 常用的鉴频器有相位鉴频器 比例鉴频器 振幅鉴频器 正交鉴频器 锁相环鉴频器等 本实验主要讨论的是集成差动峰值鉴频器 试验任务与要求 实验目的了解变容二极管调频振荡器的工作原理掌握调频振荡器的设计方法及组成电路掌握调频振荡器的调整方法和测试方法了解集成鉴频器的工作原理及性能分析掌握鉴频特性的调整和测试方法 实验仪器 高频信号发生器QF1055A一台 超高频毫伏表DA22A一台 频率特性测试仪BT 3C一台 直流稳压电源HY1711 2一台 数字示波器TDS210一台 实验任务与要求基本命题 基本实验的实验线路及说明实验线路见图1 使用12V供电 振荡器三极管用9018 变容管用2CC1D Rw2 R3 R4组成变容管的直流偏压电路 ZL为轭流电感 R为隔离电阻 调制信号经C5耦和至变容二极管 该电路变容管在合适的静偏压下便可实现线性调频 图1 变容管调频振荡器实验电路图如下 实验内容1 实验前应先进行计算机仿真 可分析下述内容 a 变容管静偏压对调频振荡器的影响 b 调制电压对变容管的影响 2 用万用表判断振荡器是否起振a 若Ub Ue 0 振荡器工作在丙类 振荡很强 b 若Ub Ue 0 0 4V 也起振 工作在甲乙类 c 若Ub Ue 0 5V 0 7V 振荡器可能起振 也可能不起振 判断法 可短路LC回路 测量Ue的变化 短路后Ue 说明原来已起振 否则不起振 3 电路调整 调整振荡器的工作点为1 3mA 在输出端用示波器观察波形 使波形无失真 幅度最大 记下此时三极管的各极直流电压 4 静态调制特性的测量a 变容管偏压从最小值到最大值 间隔0 5V Cc 51pF测出相应f的变化 作出f EQ曲线 b 改变变容管的耦合电容Cc 取Cc 100pF 重复上述步骤 c 描绘Cc为不同值时的静态调制特性 5 LC调频电路实验a 接通电源调节Rw2 在变容管的负端用万用表测试电压 使变容管的偏压为4V b 用示波器和数字频率计在输出端分别观测频率 在波形最大不失真的情况下 调电感L 使振荡频率为10MHz c 输入1KHz的正弦调制信号 用EE1641产生 慢慢增加其幅度 用示波器在输出端观察振荡波形 如有频谱仪则可观察调制频偏 将调制波形换为方波 输出如何 a 用频谱仪观测调频信号 记下不同调制电压所对应的频偏大小 并计算调制灵敏度的数值 b 改变Cc 观测频偏与接入系数的关系 测试时应同等条件 即偏压相同 调制电压相同 6 动态调制特性的测量 选做 7 改变调制信号频率 观察调频波的变化情况 8 改变偏置电压大小 观察调频波的变化情况 扩展命题 1 当变容管偏压选在静态调制特性的线性端中间 调制信号比较小 与偏压选在非线性段 而调制信号较大时 得到的调制波经解调后 试分析这两种波形有什么差别 用实验说明 2 如何减小调频波的非线性失真 3 鉴频特性曲线的测量 S型鉴频特性曲线 实验箱鉴频电路为集成差动峰值鉴频器 其原理参见文献 3 P228 P230 曲线测量可用两种方法 a 逐点法 b 扫频法 也称连续法 本实验建议用连续法 测量时将扫频输出加到实验板输入端 用直通测试电缆 不带检波探头 连至扫频仪输入端 合适调整衰减及中心频率度盘 即可观测特性曲线 4 将调频振荡器和鉴频电路相连 并接上低频放大电路 改变调制频率 音频 听声音的变化情况 并用示波器双踪观察调制信号及调频信号 完成上述测试内容 整理文档 写出规范的实验报告 实验说明及思路提示 变容管调频原理变容管相当一压控电容 其结电容随所加的反向偏压而变化 调制时将直流和调制信号同时加入 则其结电容在直流偏压所定的电容基础上随调制信号的变化而变化 因为变容管的结电容是回路电容的一部分 所以振荡器的振荡频率必随调制信号而变化 从而实现了调频 相关原理参见文献 3 P201 P210 实验电路的设计考虑对调频振荡器的设计首先要考虑主振级电路 对主振级电路的设计请参考实验二振荡器实验的相关内容 在主振电路设计完成后 然后考虑调制电路的设计 设计任务有 选择变容二极管 并确定工作点 选择线路 确定变容二极管的接入系数 确定调制信号电压 验算中心频率偏移量和非线性失真系数等 1 变容管的选择和工作点的确定 PN结的结电容随所加的电压而变化 因此接到回路中能实现调频 选管时 要选用截止频率高 有足够高的反向击穿电压和反向电流小 变容管上加的反向偏压越大 Q值越高 但要求调制信号电压U 也 越大 一般Cj U压容特性曲线的线性段 2 选择线路 确定接入系数 可根据频偏的大小和对频率的稳定度的要求来选 若要求的频偏不大 希望变容管上的变频电压小 往往采用部分接入 接入系数取得小 根据Pc Cc Cc Cj0 选定 可计算出耦合电容Cc 3 求出在满足频偏要求下的m值由 求出A1 取 1 2 由可算出m值调制电压4 计算非线性失真系数Kf 调频振荡器的频率调制特性1 静态调制特性 它是指振荡频率f随变容管直流偏压UD的变化特性 即f UD 曲线 如图2所示 由特性曲线可见 f随偏压的变化不是直线 振荡频率的变化就不能正确地反映调制信号的变化 引入了非线性失真 为了减小失真变容管的偏压应选在线性段的中点 为了改善调制特性 可适当配置电容 可在一定范围内获得较好的静态调制特性 调整方法是改善图3中的Cc和Co 图2 静态调制特性曲线如下 图3 调制特性的改善电路如下 一般Cc取值较大 Co取值较小 由几个P到几十个P Cc取值接近Cj 变容二极管结电容 的高端 远大于Cj的低端 Cc的变化主要影响静态调频特性低端的曲线形状 其变化如图4所示 假设Cc足够大且保持不变 改变Co的值 由于Co的值接近于Cj的低端值 因此改变Co 主要影响静态特性高端曲线形状 其变化如图5所示 适当调节Cc Co的大小 可得到线性较好的静态调制特性 图4 Cc对静态调制特性的影响如下 图5 C0对静态调制特性的影响如下 2 动态调制特性当变容二极管静态工作点确定后 加入调制信号U 这时振荡频率随调制信号U 而变化 即 f U 曲线称为动态特性曲线 如图6所示 此曲线可确定频率调制器的调制灵度和最大线性频偏 测量动态调制特性的仪器连接图如图7 a 所示 若无频偏仪 则可借助于鉴频器间接测量 见图7 b 所示 图6 动态调制特性曲线如下 图7 a 动态调制特性测试方框图 图7 b 动态调制特性测试方框图 设计计算设计指标 振荡器中心频率fo 10MHz频率稳定度 f f0 1 10 4调制信号频率F 1KHz最大频偏 fm 50KHz调频波非线性失真系数Kf 10 输出电压U0 0 3Vp p 1 选择电路形式 如图1 即振荡器用频率稳定度高的西勒振荡器 变容管采用部分接入 2 振荡回路计算 有关三端LC振荡器内容请参照实验2 因电感L可调 故f0 10MHz情况下 上节设计用的C1 200PF C2 510PF C3 100PF C4 51等参数保持不变 3 调制电路的设计 变容管选用2CC系列即可 2CC系列管参数请见附录 并设其EQ 4V 表示反偏 时 Cj0 50pF 1 2 实测时 静态下通过替代法得到Cj0的大小 即频率不变用一标准电容替代 部分接入 特选接入系数Pc 0 5故由有Cc 50PF 取标称值51PF 部分接入 则回路总电容根据最大频偏 fm求m及调制电压由可得A1 0 0612因 1 2 由可得m 0 12 根据m的定义 m U EQ U 可得U m EQ 1 m 0 55V估算调制灵敏度S FM fm U 50kHz 0 55V 91kHz V计算失真度Kf A2 A1 1 5 若静态EQ 4V 则R2 Vcc R1 R2 4V取R2 6 8K R1 13 6K 实际用RW2 22K 电位器和R1 6 8K 串联其它元件 耦合电容C5取10 F C4取0 01 F 扼流圈ZL取470 H 隔离电阻R取39K 综上设计的实验测试电路见图1 仿真分析对图