变容管调频和鉴频实验.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 bt3c 一台; 直流稳压电源 hy17112 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 断开lc,没有选频网络，不起震，再测量一次发 射结电压，与第一次比较，如果比前一次小一点 ，说明原来的振荡器是起振的，如果是一样的， 说明原来的振荡器是不起振的 a：若ubue 0，振荡器工作在丙类，振荡很强 。 b：若ubue=00.4v,也起振,工作在甲乙类。 c: 若ubue=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。 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 ，cc51pf测出相应f的变化，作出f eq 曲线。 测量振荡器的振荡频率 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3p228p230。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3p201p210。 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 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. 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 = 10 mhz 频率稳定度 f/f0110-4 调制信号频率 f = 1khz 最大频偏 fm50khz 调频波非线性失真系数 kf10% 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 ，cj050pf, =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=meq/(1-m)=0.55v 估算调制灵敏度 sfm=fm/u=50khz/0.55v=91khz/v 计算失真度 kfa2/a1=1.5% 若静态eq = 4v，则r2vcc/ (r1+r2)=4v 取r2 = 6.8k，r1 =13.6 k 实际用r w 2 = 22 k电位器和r1= 6.8 k串 联 其它元件：耦合电容c5取10f，c4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。