变容二极管调频和锁相环鉴频.doc

南京大学金陵学院2010届毕业设计（论文） * 本 科 毕 业 论 文院 系 信息科学与工程系 专 业 电子信息科学与技术 题 目 变容二极管调频和锁相环鉴频 年 级 大四 学号 * 学生姓名 指导教师 * 职称 论文提交日期 2010年6月3日 摘 要本次设计采用变容二极管接入LC谐振回路来实现调频，该电路的优点是振荡波形失真小，频偏较大，缺点是中心频率稳定性不够高。这个问题可以通过在LC振荡回路中接入晶体振荡器来改善。频率调制在无线电通信中有广泛的应用，相比于幅度调制，频率调制有更强的抗干扰能力和更宽的带宽。实现FM调制解调的方法很多，最常见的调频方法是用变容二极管调频。在本次设计中设计了变容二极管调频电路。使用锁相环可以实现鉴频，本文使用NE564锁相环芯片对调频信号进行解调，得到的解调信号和原始调制信号相同。关键字：变容二级管； 调制解调； NE564ABSTRACTThe design uses a varactor diode to achieve access to LC resonant frequency circuit, the circuit has the advantage of oscillation waveform distortion, frequency offset greater disadvantage is the center frequency stability is not high enough. This problem can be access in the LC oscillator circuit crystal oscillators to improve.Frequency modulation in radio communication with a wide range of applications, compared to amplitude modulation, frequency modulation has a stronger anti-interference ability and wider bandwidth.There are many ways to achieve FM modulation and demodulation. The most common method is to use FM varactor diode. In this project designed varactor diode frequency modulation circuit. Can be achieved using phase-locked loop frequency discriminator. This article uses the NE564 PLL chip on the FM signal demodulation. Demodulated received signal and the same as the original modulation signalKeywords: Varactor diode； ModulationDemodulation,； NE564目 录引言- 5 -第一章 调频振荡器- 6 -1.1 LC振荡器- 6 -1.1.1电路的基本原理- 6 -1.1.2 LC正弦波振荡器- 7 -1.1.3调频电路- 8 -1.2 RC振荡器- 8 -第二章 变容二极管特性曲线测试- 10 -2.1 概念- 10 -2.2 原理- 10 -2.3 曲线特性的测试- 11 -2.3.1 原理图- 11 -2.3.2 实验步骤- 12 -第三章 调幅信号的解调- 15 -3.1 概述- 15 -3.1.1 检波电路的功能- 15 -3.1.2 检波电路的分类- 15 -3.2 锁相鉴频器的工作原理- 15 -3.3 NE/SE564模拟锁相环- 16 -3.3.1 NE564的描述- 16 -3.3.2 NE/SE564引脚图- 18 -3.3.3 NE564芯片的特点- 19 -3.3.4 NE564设置- 19 -3.4 调制与解调- 20 -3.4.1 调制- 20 -3.4.2 解调- 20 -结束语- 23 -致谢- 24 -参考文献- 25 -引言“高频电路”课程已有近半个世纪的历史，它主要研究无线电发射机、接收机系统的组成、工作原理、性能分析及设计方法。随着电子信息技术的发展和教学改革的深入，“高频电路”课程的地位和作用也在不断变化，要求内容及体系不断更新。本毕业设计用于实现高频信号的调制解调过程。信号的调制与解调在通信系统中具有重要的作用。调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。解调是调制的逆过程，即是将已调制的信号还原成原始基带信号的过程。信号的接收端就是通过解调来还原已调制信号从而读取发送端发送的信息。因此信号的解调对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。调制与解调方式往往决定了一个通信系统的性能。高频信号的解调采用相干解调法，这种方式被广泛应用在载波通信和短波无线电话通信中。本文主要涉及三方面问题，第一章主要介绍调频震荡器，振荡器的介绍主要是为第二章变容二级管的特性曲线的测定打下基础。同时在变容二极管特性曲线测试电路中加入低频信号，产生调频信号，为第三章的解调作为铺垫。调频信号的解调主要用到CD4046和NE564锁相环，本毕业设计的第三章第三节主要对NE564作简单介绍。本人由于第一次接触毕业设计，不免有错误和不妥之处，希望老师给予指正。第一章 调频振荡器1.1 LC振荡器1.1.1电路的基本原理振荡器实质上是满足振荡条件的正反馈放大器。振荡器是指振荡回路是由元件组成的。从交流等效电路可知：由振荡回路引出三个端子，分别接振荡管的三个电极，而构成反馈式自激振荡器，因而又称为三点式振荡器。如果反馈电压取自分压电感，则称为电感反馈振荡器或电感三点式振荡器；如果反馈电压取自分压电容，则称为电容反馈振荡器或电容三点式振荡器。在几种基本高频振荡回路中，电容反馈振荡器具有较好的振荡波形和稳定度，电路形式简单，适于在较高的频段工作，尤其是以晶体管极间分布电容构成反馈支路时其振荡频率可高达几百。实现调频的方法有两大类，即直接调频与间接调频。LC调频振荡器是直接调频电路。直接调频的基本原理是利用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。如果受控振荡器是产生正弦波的LC振荡器，则振荡频率取决于振荡回路的电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。可变电抗器件的种类很多，其中应用最广的是变容二极管。作为电压控制的可变电容元件，它有工作频率高、损耗小和使用方便等优点。图1-1-1 LC振荡电路总的来说，直接调频法原理简单，容易做到偏频大，但中心频率稳定度低。虽然采用晶体振荡器直接调频也可以提高中心频率的稳定度，但仍不如不调频的晶体振荡器的频率稳定度高，而且偏频小。1.1.2 LC正弦波振荡器如图1-1-1所示的LC振荡器部分是由晶体管组成的电容三点式振荡器的改进型电路即希勒电路（包含变容二极管）。Cb对交流短路，因此是基极接地（共基）电路。对于振荡电路选择共基组态主要考虑变容二极管接入对实现调频有利。因为变容二极管加反向偏置电压和调制电压，需要有公共接地点，通常选用共基电路在连接上要方便些。晶体管T的静态工作点由Rb1、Rb2、Re、Rc所决定，即 VbQ=Rb2Rb1+Rb2Vcc (1-1) VeQ=VbQ-UbeIcQRe (1-2) IcQ=Vcc-UceQRe+Rc (1-3) IbQ=IcQ (1-4) 振荡器的静态工作电流IcQ通常选在（14）mA。IcQ偏大，可使输出电压幅度增加，但波形失真加重，频率稳定度变差。IcQ过小，对应Au0较小，起振困难。L1、C1、C2、C3与CjQ组成并联谐振回路，如图1-1-2所示。其中CjQ为变容二极管2CC1D在反向直流偏置电压为4V时的结电容值。C4为耦合电容，在这里起隔直作用。为了减小晶体管的极间电容对回路振荡频率的影响，C1、C2的取值要大。如果选C1C3,C2C3,那么总的电容C=C3+CjQ,则回路的谐振频率0为 012L1C (1-5) 如果C3取几十皮法，C1、C2可取几百至几千皮法。由图1-1-2所示振荡器的共基组态的反馈系数为 F=UebUcb=1C21C1C2C1+C2=C1C1+C2 (1-6) 反馈系数F一般取1812。F过大，振荡器容易起振，但波形较差。F过小，虽然波形较好，但往往振幅较小，稳幅能力也较弱，而且不容易起振。1.1.3调频电路调频电路由变容二极管和它的偏置电路组成。其中R2与R3为变容管提供静态时的反向直流偏置电压VQ，即VQ=R2R2+R3Vcc。电阻R1为隔离电阻，常取R1R2,R1R3，以减小加入变容管的偏置电路后对振荡回路的Q值的影响。高频扼流圈ZL2与C6给u（t）提供通路，C5起高频滤波作用。变容二极管通过C4部分接入振荡回路，有利于提高中心频率0稳定度，减小调制失真。图1-1-3为变容管部分接入振荡回路的等效电路。变容管和C4串联，再和C3并联构成振荡回路总电容C C=C3+C4CjC4+Cj （1-7） 式中Cj为变容二极管的结电容。 Cj=Cj01+urUDr (1-8) 式中，Cj0为变容管零偏压时的结电容；UD为变容管PN结的势垒点位差，对于锗管约为（0.20.3）V，硅管约为0.7V；为电容变化系数，由变容管型号决定；ur为变容管两端电压，ur=VQ+u（t）=VQ+Umcost。1.2 RC振荡器在需要产生较低的振荡频率（几十kHz或更低）时，从理论上讲，可以产用LC振荡器。但实际上，由于这时需要采用大的电感L与电容C，有时还需要用有铁芯的线圈，构造笨重，需要材料多，价格贵。而且制造损较小的大电感与大电容比较困难，回路元件体积大，安装调试不方便。因此，较小的振荡频率一般都采用RC振荡器来产生。RC振荡器的主要优点是：构造简单，经济方便。RC振荡器的工作原理和LC振荡器一样，也是由放大器和正反馈网络两部分所构成，区别仅在于用RC选频网络电路代替LC回路。因此，RC振荡器也必须满足振幅和相位平衡条件，即AF=1A+F=2n （n=1，2，3）根据RC网络的不同形式，可以将RC振荡器分别为相移振荡器和文式电桥振荡器两大类。第二章 变容二极管特性曲线测试2.1 概念变容二极管又称可变电抗二极管。是一种利用PN结电容（势垒电容)与其反向偏置电压Vr的依赖关系及原理制成的二极管。所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术。反偏电压愈大，则结电容愈小。变容二极管具有与衬底材料电阻率有关的串联电阻。主要参量是：零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围（以皮法为单位）以及截止频率等，对于不同用途，应选用不同C和Vr特性的变容二极管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。用于自动频率控制（AFC）和调谐用的小功率二极管称变容二极管。日本厂商方面也有其它许多叫法。通过施加反向电压， 使其PN结的静电容量发生变化。因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采用硅的扩散型二极管，但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压VR变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。2.2 原理变容二极管也称为压控变压器，是根据所提供的电压变化而改变结电容的半导体。也就是说，作为可变电容器，可以被应用于FM调谐器及TV调谐器等谐振电路和FM调制电路。其实我们可以把它看成一个PN结，我们想，如果在PN结上加一个反向电压V（变容二极管工作在反向电压下），则N型半导体内的电子被引向正极，P型半导体内的空穴被引向负极，然后形成既没有电子也没有空穴的耗尽，该耗尽层的宽度我们设为d，随着反向电压V的变化而变化。如此一来，反向电压V增大，则耗尽层d变宽，二极管的电容量C就减少（根据C=ks/d），而耗尽层宽d变窄，二极管的电容量变大，反向电压V的改变引起耗尽层的变化，从而改变了压控变容器的结容量C，达到了目的。2.3 曲线特性的测试2.3.1 原理图图2-3-1 变容二极管特性曲线测试图3-1-2 变容二极管特性曲线测试电路板2.3.2 实验步骤在VCC端加入12V偏置电压，先不加信号，使电路产生振荡。用示波器观察C10右端电路的振荡频率。1、断开S1（断开变容二极管）、S2，测试电路的振荡频率N。 N=12LC （2-1）2、断开S1（断开变容二极管），合上S2，测试电路的振荡频率k。 K=12L（C+Ck) （2-2）3、接入变容二极管（合上S1），断开S2,调节滑动变阻器R3，改变偏置电压V，测出所对应的振荡频率S。 S=12L（C+Cjx) （2-3）实验过程中电路的振荡波形如图2-3-3所示。图2-3-3 电路振荡波形实验数据及计算结果：根据示波器测试得出 N=8.0169MHz。K=6.7816MHz。由Ck=27pF，再根据公式2-1，与2-2可以计算出C=68.5pF。调节滑动变阻器R3，用万能表测试R3处的偏置电压，使电压从2.5V4.1V，测出对应的谐振频率S。通过公式2-1，和公式2-3，以及C=68.5pF，计算出对应的Cjx。测试数据如表2-1所示。V（v）2.52.62.72.82.93.03.13.23.3S（MHz)7.4817.4907.4987.5057.5127.5207.5277.534 7.541Cjx(pF)10.179.989.819.669.529.359.219.068.92V（v）3.43.53.63.73.83.94.04.1S（MHz)7.5487.5577.5637.5717.5727.5807.5907.599Cjx(pF)8.788.598.478.318.298.127.927.74表2-1 偏置电压对变容二极管电容的影响运用MATLAB画出变容二级管特性曲线。程序：x=(2.5:0.1:4.1)plot(x,10.17 9.98 9.81 9.66 9.52 9.35 9.21 9.06 8.92 8.78 8.59 8.47 8.31 8.29 8.12 7.92 7.74,r:*)xlabel(Vg(V)ylabel(Cjx(pF)title(变容二极管特性曲线)根据实验结果所示：变容二极管的电容量随着反偏电压的增大而减小。第三章 调幅信号的解调3.1 概述调幅信号的解调是振幅调制的相反过程，是从高频已调信号中取出调制信号。通常将这种解调称为检波。完成这种解调作用的电路称为振幅检波器，一般称为检波器。3.1.1 检波电路的功能振幅检波的功能是从调幅波信号中不失真地调出原调信号。当输入信号是高频等幅波时，检波器输出为直流电压；当输入信号是正弦调制的调幅信号时，检波器输出电压为正弦波；当输入信号是脉冲调制的调幅信号时，检波器输出电压为脉冲波。从信号的频谱来看，检波电路的功能是将已调波的边频或边带信号搬移到原调制信号的频谱处。3.1.2 检波电路的分类根据输入的调制信号的不同特点，检波电路可以分为两大类，包络检波和同步检波。包络检波是指检波器的输出电压直接反映输入高频调幅波包络变化规律的一种检波方式。根据调幅波的波形特点，显然它只适合于普通调幅波的解调。同步检波主要是用于双边带调幅波和单边带调幅波的检波。因为双边带调幅波和单边带调幅波的频谱中缺少一个载波频率分量。它不能用包络检波器解调，必须在检波器输入端加一个本地载波信号的同步检波器实现解调。3.2 锁相鉴频器的工作原理锁相环（PLL）包含3个必不可少的单元电路（如图3-2-1所示）：鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）。鉴相器把周期性输入信号的相位与VCO信号的相位进行比较；PD的输出信号是这两个输入信号之间相位误差的度量。之后该误差电压由环路滤波器进行滤波，而环路滤波器的输出被用控制电压送入VCO。控制电压改变了VCO的频率，以减小输入信号与VCO之间的相位误差。当环路锁定时，控制电压把VCO频率的平均值调整到与输入信号频率的平均值完全一样。对于输入信号的一个周期，振荡器仅输出一个周期。锁相并非意味着零相位误差；恒定的相位误差和起伏的相位误差都可能存在于锁相环中。过大的相位误差会导致失锁。当输入为调频波时，如果环路滤波器的带宽足够宽，使鉴相器的输出电压可以顺利通过，则VCO(压控振荡器)就能跟踪输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率，即VCO的输出就是一个具有相同调制规律的调频波。这时环路滤波器输出的控制电压就是所需的调频波解调电压。模拟锁相环NE564芯片就可用来设计FM解调电路。鉴相器PD环路滤波器LF压控振荡器VCO调频输入输出解调信号图3-2-1 锁相鉴频器原理框图3.3 NE/SE564模拟锁相环3.3.1 NE564的描述NE/SE564是多功能高保障频率锁相环，芯片的最高工作频率可达50MHz，最大锁定范围达12%0 ，输入阻抗大于，电源工作电压512V，典型工作电压为5V，典型工作电流为60mA，最大允许功耗为40mV；在频偏为10%，中心频率为5MHz时，解调输出电压可达。输入信号为有效值大于或等于。电路设计所使用的元件不多，关键步骤是设置中心频率和如何滤波两个方面。特别适用于高速数字通信中FM信号和FSK(移频键控)信号的调制和解调，且不需外接复杂的滤波器。芯片采用双极性工艺，电路由限幅器、鉴相器、压控振荡器、放大器、直流恢复电路和施密特触发器等六部分组成，内部结构如图3-3-1所示。图 3-3-1 NE564内部结构框图图3-3-1中，限幅器由差分电路组成，可抑制FM信号的寄生调幅；鉴相器(PD)的内部含有限幅放大器，以提高对AM信号的抗干扰能力：4、5脚外接电容组成环路滤波器，用来滤除比较器输出的直流误差电压中的纹波；2脚用来改变环路的增益；3脚为VCO的反馈输入端；VCO是改进型的射极耦合多谐振荡器，有两个电压输出端，9脚输出TTL电平，11脚输出ECL电平。VCO内部接有固定电阻，只需外接一个定时电容就可产生振荡；施密特触发器的回差电压可通过15脚外接直流电压进行调整，以消除16脚输出信号的相位抖动。3.3.2 NE/SE564引脚图图3-3-2 引脚结构1、V+：电压2、loop gain control : 增益循环控制3、input to phase comp from VCO: VCO反馈输入端4、loop filter：环路滤波器5、loop filter：环路滤波器6、FM/RF input：FM/RM输入7、bias filter: 偏置滤波器8、GND: 接地9、VCO out TTL: TTL输出10、V+:电压11、VCO out 2：VCO输出12、Freq.Set Cap: 定时电容13、Freq.Set Cap: 定时电容14、Analog Out: 模拟输出15、Hysteresis Set: 延迟设置16、TTL Output：TTL输出3.3.3 NE564芯片的特点1、单5V电源工作2、TTL可兼容输入输出3、保证运作频率50MHz4、外部回路增益控制5、降低载波反馈6、FSK应用中无需滤波7、可作为一个调制器8、可变回路增益（外部控制）3.3.4 NE564设置（1） 中心频率设置固有频率与接在12,13端的定时电容Cr有关。0=122RcCr式中，Rc=100是电路内部设定的，载波频率为5MHz，因此=1032.20（MHz）pF=91pF（2） 电容选取选用0.47f作为耦合电容，输入信号由此进入电路。1k电阻和0.01F电容组成差分放大器的输入偏置电路滤波器，可滤除FM信号中的杂波，其截至频率=12RC=16kHz（3） 电阻选取在调节2脚输入电流的滑动变阻器下再接个10k的保护电阻，使引脚2输入偏流符合要求。3.4 调制与解调3.4.1 调制根据图2-3-1变容二极管的特性曲线电路，在此电路中加入低频信号=1kHz，VP-P=3V。信号从电路中“”引脚输入，调制信号从C10处输出。得到调制信号如图3-4-1所示：3-4-1 调制信号3.4.2 解调解调就是调制的反过程，把信号不失真地从调制信号中取出来。本次是运用NE564对信号进行解调，NE564解调可分为5V和12V电压解调。电路如图3-4-2和3-4-