变容管调频和鉴频

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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。,1,2. 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。,2,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,3,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 BT3C 一台;,直流稳压电源 HY17112 一台;,数字示波器 TDS210 一台.,4,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,。,R,w2,、,R,3,、,R,4,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,C,5,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。,5,图1.变容管调频振荡器实验电路图如下：,6,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U,b,U,e, 0，振荡器工作在丙类，振荡很强。,b,：若U,b,U,e,=00.4V,也起振,工作在甲乙类。,c:,若U,b,U,e,=0.5V0.7V,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。,7,3.电路调整：调整振荡器的工作点为13mA，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,，,C,c,51pF,测出相应,f,的变化，作出,f,E,Q,曲线。,b,.改变变容管的耦合电容,C,c,取,Cc = 100pF,重复上述步骤。,c,.描绘,C,c,为不同值时的静态调制特性。,8,5.LC,调频电路实验,a,.接通电源调节R,w2,，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。,9,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C,c,，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）,10,7.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。,11,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,12,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,13,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3P201P210。,14,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,15,越大。一般C,j, 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P,c,=C,c,/(C,c,+C,j0,)选定，可计算出耦合电容C,c.,。,3. 求出在满足频偏要求下的m值,由 ，求出A,1,16,取=1/2 ，由,可算出m值,调制电压,4. 计算非线性失真系数K,f,17,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U,D,的变化特性，即f=,(,U,D,)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C,c,和C,o,。,18,图2.,静态调制特性曲线如下：,19,图3.调制特性的改善电路如下：,20,一般C,c,取值较大,C,o,取值较小(由几个P到几十个,P),C,c,取值接近C,j,（变容二极管结电容）,的高端，,远大于C,j,的低端,C,c,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,C,c,足够大且保持不变，改变,C,o,的值，由于,C,o,的值接近于,C,j,的低端值，因此改变,C,o,，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,C,c,、,C,o,的大小，可得到线性较好的静态,调制特性。,21,图4.C,c,对静态调制特性的影响如下：,22,图5.,C,0,对静态调制特性的影响如下：,23,2.,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,fU,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.,24,图6.动态调制特性曲线如下：,25,图7(a).动态调制特性测试方框图：,26,图7(b).动态调制特性测试方框图：,27,设计计算,设计指标：,振荡器中心频率,f,o,= 10 MHz,频率稳定度,f/f,0,1,10,-4,调制信号频率 F = 1KHz,最大频偏,f,m,50KHz,调频波非线性失真系数,K,f,10%,输出电压 U,0,0.3V,p-p,28,1.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f,0,=10MHz情况下，上节设计用的C,1,=200PF，C,2,=510PF，C,3,=100PF，C,4,=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E,Q,=4V（表示反偏）时，C,j0,50pF, =1/2.,29,*实测时，静态下通过替代法得到C,j0,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,f,m,求m及调制电压,由 可得A,1,=0.0612,因 =1/2, 由 可得m = 0.12,30,根据m 的定义:m=,U,/(,E,Q,+,U,),可得,U,=m,E,Q,/(1-m)=0.55V,估算调制灵敏度,S,FM,=f,m,/,U,=50kHz/0.55V=91kHz/V,计算失真度,K,f,A,2,/,A,1,=1.5%,若,静态,E,Q,= 4V，,则,R,2,V,cc,/ (R,1,+R,2,)=4V,取R,2,= 6.8K，R,1,=13.6 K,实际用R,W 2,= 22 K电位器和R,1,= 6.8 K串联,其它元件：耦合电容C,5,取10F，C,4,取0.01F, 扼流圈ZL取470H,隔离电阻R取39 K。,综上设计的实验测试电路见图1。,31,仿真分析,对图1电路可作如下仿真，仅供参考。,仿真条件:L=2.2H，变容管MV2205、三极管Q2N2222.,1.调频波形：见图,8,（该波形仅供参考，与示波器测试结果有差别）,2.,静态特性：改变变容二极管的偏压，逐点测量振荡频率，仿真结果见图9的表格。,32,图8.调频波形图如下：,33,由表格可绘出静态调制特性曲线：如图10由静态调制特性曲线示意图可以看出，Cc主要影响低端的性能。,34,图10.静态调制特性曲线如下：,35,