调频器与鉴频器实验报告

0202实验四 调频器与鉴频器、实验目的•了解变容二极管调频的原理。掌握调频器静态调制特性的测试方法。了解和掌握比例鉴频器的工作原理及调整测试方法。二、实验原理1. 变容二极管调频的实验原理设调制信号为|u(t)Ucost一个未调的高频振荡可表示为Uo(t)UoCOS(t) (4-1)它的总的相角为 (t) 0(t) 0 (4-2)如果让高频振荡的角频率随某一调制信号的大小而改变，则高频振荡角频率较之未调制时的角频率有一个与调制信号大小成正比的增量。可用下式表示：(t) 0 (t) 0 COSt (4-3)式中30为未调制时的角频率，厶3(t)为受调制后的角频率增量。对于调频振荡有两个很重要的指标，即频率偏移和调频指数，前者是指调频振荡频率变化时偏离中心频率的数值，而后者是指频率偏移对调制信号频率的比值，如果调制信号的幅度和形状是上下对称的，并以3max和3min表示最大和最小角频率偏移， 则调颇信号的中心角频率30为maxmin(4-4)maxmin(4-4)而最大频偏为00maxminmaxmin2(4-5)mf调频指数为(4-6)因为3而最大频偏为00maxminmaxmin2(4-5)mf调频指数为(4-6)因为3(t)是时间的函数，因此巳调振荡的总相角是3(t)在o—t时间内的积分:(t)t0(t)dtt0[ 0(t)]dt(4-7)将式4-3代入式4-7得:(t) 0tt(t)dt0tsint由此得到:o(t) 0tt(t)dt0tsint由此得到:otmfsint(4-8)u(t)Umsin[0t(mifSint。)](4-9)显然，上式包含了中心频率3 0和频率增量msinQt两个部分。如何使一个高频振荡器不仅产生中心频率3 0的振荡，而且还能产生一个随调制信号幅度大小而变化的频率增量呢我们知道，当变容二极管加反向偏置后，结电容将随偏置电压而变化，它的电容量与所加反向偏置电压有如下关系：CD C0(1E/V°)n(4-10)11式中G—零偏置时的电容量，E—外加反向电压,Ce+Vd—二极管阀电压，对于硅管约为， n—变容管的电容变化指数，对用作调频的超突变结变容管来说，n>,甚至可达到7,这可以在手册上查到。变容管的压容特性见图4-1。如果用EE0Vsint代入式0图4-1 压容特性(4-10)中，贝UCD的表达式可表示为CoCD n11—(EoVsint)

VdCoE

vdnVsint1Eo/VdVdConEoVd1nVsintEo Vdcdon1 mcsint(4-11)式中Cdo(1CoEo/Vd)n是静态偏置Eo时的结电容;mc是静态调制系数。VdE如果将变容管接入振荡回路，则振荡器的角频率为式中_1_「LCd.LCdo(1n/2mcsint)n/2 “ 、o(1mcsint)(4-12)■/LCdo为振荡器的中心频率,当n取2时，从上式可看出能得到线性调制。当然，能否得到线性调制并不简单取决于 n值，还与变容管所加反向偏置电压，和变容管串联或并联电阻值以及高频振荡电压的大小有关。本实验用改进的电容三点式振荡电路，其原理电路如图4-2所示。图中Cd，C4,G,G,G9，C10，L2和晶体管Q组成电容三点式振荡电路。R2，R，W和稳压管D给变容管提供直流偏置。R给变容管一个直流通路。因为频偏的大小取决于调制信号幅度的大小，而于调制频率无关，这样我们可以假定调制信号的频率趋向零。用另一直流稳压电源，使 E)=Vq，测出Eo-f曲线，再在曲线上选取线性较好的

线性较好的图4-3 调频振荡器的静态调制特性•鉴频器的实验原理鉴频器的任务是将频率的变化转换成电压的变化，即将幅度受限制的调频信号通过微分网络，产生一个比例于调频信号瞬时频率的包络调制成分。然后使这个幅度变化的调频信号通过幅度解调器，以选出一个比例于3 ⑴的信号，由于(t) 0 (t),一旦3(t)选出后，厶3⑴就可用减去30取得，或使3 (t)通过咼通网络滤去3 0项。因此很明显，为了完成频率解调的任务，鉴频器需要一个微分网络，一个幅度检波器和一个高通滤波器。本实验采用的电路如图 4-4a所示，图4-4b是它的等效电路。在图中，我们假设电路是对称的，即C2o=C2i,Ri5=R6,Kdi=Ki2(Kd为检波器的传输系数)，以及初次中，我们假设电路是对称的，即回路Q值相等，谐振频率相等,于是加到两个检波二极管上的电压分别为VD1 V1轨2当外加信号频率改变时,V和V2之间的相位将随之改变。由图4-4可看到VC20=K回路Q值相等，谐振频率相等,于是加到两个检波二极管上的电压分别为VD1 V1轨2当外加信号频率改变时,V和V2之间的相位将随之改变。由图4-4可看到VC20=Kd1Vd1 V C21=Ki2V)2VC20 Kd1 VD1 VD1VC21 Kd2VD2 VD2(4-13)因为Vr15=Vr16,又假定电压方向如高频等效电路所示，可得:VC20 V0 VC21 V0(4-14)式中Vo为鉴频器输出电压，即1Vo2Vc20Vc21或Vo1厂VD2(4-15)由于VC20VD1Vc21,且Vc21VD2VC22 VC20可得(4-16)VC221可得(4-16)VC221Vdi/Vd2图4-4a鉴频器实验原理图 图4-4b鉴频器等效电路将Vc20 VC22VC21代入式(4-15)可得Vo1二VVo1二VC20 VC212VC222VC21(4-17)再将式（4-16）代入（4-17）,于是有Vo12Vo12VC2211Vd1/Vd2(4-18)V%V本身的大小，仅取决于它V%V本身的大小，仅取决于它比轉器fXf \i \<、!fv\ zf、1\/7限幅作用，就是对寄生调幅有一定的抑制能力。由式（4-18）可见鉴频器输出电压的大小并不决定于们的比值Vd1、，，故称比例鉴频器。我们知道/VD2相位鉴频器的输出电压为 Vo KdVD1VD2，由此知道比例鉴频器的输出要比相位鉴频器小一半。但比例鉴频器有它的优点，即它具有自图4-5比例鉴频器的鉴频特性曲线（实线）比例鉴频器的自限幅作用可以这样来解释，假定输入信号变大，次级所获得的信号电压也变大，VDi，VD2变大，但由于0>2容量较大（10F）,它的充放电时间常数增大，在短时间内VC22维持不变，故相当于Rl5,R6减小，它使回路Q值降低，次级信号下降，这样就能保持输出电压近似不变。比例鉴频器的鉴频特性如图 4-5所示。从图4-5可看到，当信号频率等于鉴频器中心频率fo时，鉴频器输出为零。当信号频率向低端或高端偏离中心频率时，鉴频器将得到负或正的输出电压，图中AB段是鉴频器的线性工作区，鉴频特性俗称鉴频器的 S曲线。通过改变两个二极管连接的方向或耦合线圈的绕向 （同名端），可以使鉴频特性反向。当回路的Q值过高，尤其是回路初次级耦合过紧，次级回路 Q值过高，都会缩小鉴频器的线性工作区。本实验的实验电路如图 4-6所示。图4-6调频鉴频器实验电路图三、实验仪器1•频率特性测试仪（扫频仪） 2.双踪示波器;•函数发生器 4•稳压电源四、实验内容和步骤对照实验电路图核对电路各元件值，调节 W,观察变容管对地电压的变化范围。2．测静态调制特性曲线，即E0-f曲线，E0在TP1处测，靠改变W1获得。示波器接射随器后面的TP2点，（S置“中”）。根据静态调制特性，选择最佳工作点电压，使调频振荡器的中心频率约为。在调制信号输入端（即电路图 C的左端）加入1KHz1Vpp正弦波，在TP2点观察记录调频输出波形；改变调制信号为2KHz、2Vpp,观察描述载波频率随调制信号频率和电压变化的情形。S置“下”，用扫频仪BT3D调整鉴频器初次级回路，使在扫频仪上获得上下、 左右对称、中心频率符合要求的S曲线。当中心频率不符合要求或正负向峰值不对称时，可调节初、次级回路的调谐元件。由于初次级回路是相互影响的，因此必须反复调节才能获得较对称的S曲线。描绘S曲线，记录fo、fA、fB值。在鉴频器输入端加入土的点频信号，测量 f---Vo关系曲线。（注意：此时Vo是直流）f:载波频率，Vo：鉴频器输出电压。在在鉴频器输入端加入调频波（信号源 F20A置FM模式，载频置为6中测出的fo值，载波幅度：2Vpp）,测量Q=1KHz时的△f---Vo曲线及△f=100KHz时的Q---Vo曲线。△f:频率偏移（FMDEVIA）,Q:调制信号频率（FMFREQ）,Vo：鉴频器输出电压，此时为正弦波。 （△f:50-150KHZ,Q:1-10KHz）S置“上”，用低频1KHz,1Vpp正弦波作为调制信号加至C的左端，调节W1C5,记录鉴频器输出的最大不失真波形。五、数据处理1、 调节W,发现|E0max|=8.614V,|E0min|=0.7069V所以|E0|€[0.7069V,8.614V]2、测静态调制特性曲线，即 E0-f曲线：E0/Vf/MHz使用origin作图如下:6.6-f/MHz■6.0-■I 1 I 1 I 1-9 -6 -3 0E0/V图一由于频率与电容值成反比，所以 曰与Vd之间满足实验原理所提及的 n次方反比关系。3、 根据静态调制特性，选择最佳工作点电压，使调频振荡器的中心频率约为。通过反复调节W,使得f=，而此时Eo=4、在调制信号输入端（即电路图 G的左端）加入1KHz、1Vpp正弦波，在TP2点得到的调频输出波形如图二所示:I520U/ I520U/ 叩-「： 103Ct/ 4S1'u0工転疾o ts匿〜IT貳注I.OUDkH!1DCVpo0DV*图AgilentT飢nnDC4用值⑴：2迪AgilentT飢nnDC4用值⑴：2迪6,5-HHz我们可以发现在1KHz1Vpp正弦波加入下，波形出现了极为微小的频偏，不易察觉我们可以发现在改变调制信号为2KHz3Vpp在TP2点得到的调频输出波形如图三所示:1应［川1Agilent“if苍肝2U_bSa/£*70'IDt1D0C&；'0-1Jj./□C□COft?St2DOOkHi3D0Vi?p*图三从图中我们可以很明显的看到载波波形出现了极为明显的频偏，但载波的频率与电压均未发生变化。5、 S置“下”，用扫频仪BT3D调整鉴频器初次级回路，使在扫频仪上获得上下、左右对称、中心频率符合要求的S曲线。实验中调节初、次级回路的调谐元件，使得扫频仪上得到了较为对称的曲线，曲线图见附件。通过读取扫频仪上格数，得到了 fO、fA、fB的数值：f0=，fA=，fB=6、在鉴频器输入端加入土的点频信号，测量 f---Vo关系曲线。f为载波频率，通过示波器读出，Vo为鉴频器输出电压，由万用表读出f/MHzEo/Vf/MHzEo/V利用origin作图如图四所示:—I.fjji-2-8f/MHz—I.fjji-2-8f/MHz图四由图可以读出f0=,fA=,fB=与通过扫频仪独处的数值相比较，相差不大。7、在在鉴频器输入端加入调频波（信号源 F20A置FM模式，载频置为6中测出的fo值，载波幅度：2Vpp）,测量Q=1KHz时的△f---Vo曲线及△f=100KHz时的Q---Vo曲线。△f:频率偏移（FMDEVIA）,Q:调制信号频率（FMFREQ）,Vo：鉴频器输出电压，此时为正弦波。 （△f:50-150KHz,Q:1-10KHz）（1）测量Q=1KHz时的△f---Vo曲线△f/KHz5060708090100110120130140150Vo/V利用origin作图，如图五所示:

2.4Equationy一a+bxAdj.R-Square0.99741D2.4Equationy一a+bxAdj.R-Square0.99741DValueStandardError0.02618BUQ&O1OBSlope0.015492.49591E-41.60.84080120BLinearFitofB160f/KHz图五利用origin对其进行线性拟合，可以发现△ f与Vo之间具有非常好的线性关系，它们的r=(2)测量△f=100KHz时的Q---Vo曲线Q/KHzVo/V利用origin作图，如图六所示:88BVTOV0.6BVTOV0.61 ■ 1 1 r4 8 12Q/KHz由图可以发现，在前半部分Q与 Vo之间基本呈线性关系，后半部分则出现了失真，这说明△f所取的值偏小，应