变容二极管调频.doc

皖西学院机电学院电信专业电子线路课程设计任务书目录摘要21 设计方案与电路21.1 电路形式的设计21.1.1 设计原理21.1.2 电路的设计方案与主要技术要求31.1.3 电路设计31.2 正弦波振荡电路设计原理分析41.3 变容二极管直接调频电路设计原理分析41.3.1 FM调制原理5 1.3.2 变容二极管频率调制的原理61.4 放大电路设计原理分析82 电路工作分析82.1 谐振回路总电容82.2 回路总电容变化量82.3 调制灵敏度83 电路元器件参数设置93.1 LC震荡电路直流参数设置93.2 变容管调频电路参数设置93.3 放大电路参数设置103.4 调制信号的幅度计算105 课程设计体会11致谢 11参考文献 11摘要随着电子与通信技术的不断进步，各种新兴电子产品的开发速度越来越快。现代计算机技术和微电子技术的进一步结合和发展使得电子电路和通信线路出现了二个分支。一个是朝着更高集成度的集成电路发展：而另一个是利用分立元件和硬件描述语言对新型器件进行专门设计。调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。调频电台的频带通常大约是200250kHz，其频带宽度是调幅电台的数十倍，便于传送高保真立体声信号。由于调幅波受到频带宽度的限制，在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾，因此音频信号的频率局限于308000Hz的范围内。在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至3015000Hz，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。目前，应用最广泛的是采用变容二极管直接调频技术，即利用二极管反偏工作的PN结呈现的势垒电容，它与回路中的电感共同构成振荡器的振荡回路，从而作为振荡频率直接调频电路。它具有工作频率高、固有损耗小和使用方便等优点。1 设计方案与电路1.1 电路形式的设计1.1.1 设计原理变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压大小而变化的原理设计的一种二极管。它的极间结构，伏安特性与一般检波二极管没有多大差别。不同的是在加反向偏压时，变容二极管呈现较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏的随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件。使振荡频率按调制电压的规律变化，达到直接调频的目的。由于变容二极管工作频率范围宽，固有损耗小，适用方便，构成的调频器电路简单，因此变容二极管调频器是使用最多的调频电路。所谓调频就是要把传送的信息（例如语言、音乐）作为调制信号去控制载波（高频振荡）的瞬时频率，使其按调制信息的规律变化。为了减小高频电压对二极管的作用，减小中心频率的漂移，这时变容二极管部分接入振荡电路，电路中被控制的振荡器则由LC振荡电路提供。因此，二极管用做可变电抗元件，它的电容量受调控信号控制，将它接入振荡回路中，就能实现直接调频。本次课程设计，主要研究的就是对变容二极管构成的调频器电路进行系统设计与调试。 1.1.2 电路的设计方案与主要技术要求 变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），线路简单，结构明了清晰，并且几乎不需要调制功率，其主要缺点是中心频率的稳定度低。在满足条件的基础上尽量简化电路，本次课程设计采用3DG12C变容二极管进行直接调频电路设计。本次课程设计的主要技术要求为：输入1KHz大小为200Mv的正弦电压（也可以用1KHz的方波）；主振频率为f0=20.945MHz;最大频偏fm=20KHz；从频谱仪上观察，可以看到20.945MHz20KHz的双峰调频波。1.1.3 电路设计 变容二极管调频电路是由正弦波振荡电路、变容二极管直接调频电路和放大电路构成，电路如图1.1所示。图1.1 变容二极管调频电路1.2 正弦波振荡电路设计原理分析 图1.1中，端口5输入频率为1KHz大小为200mv的调制信号，并且频率由零慢慢增大，端口8输出调频信号。T1为振荡管，C9、C10、C7、L4、CC1、C8为主振回路，D1为变容二极管。为了减小三极管的极间电容Cce、Cbe、Ccb这些不稳定电容对振荡频率的影响，要求C9C7,C10C7，且C7越小，这种影响就越小，回路的标准性也就越高。则回路的谐振频率是 本电路采用常见的电容三点式振荡电路实现LC振荡，简便易行。式中，L为LC振荡电路的总电感量，C为振荡电路中的总电容，主要取决于C3、C7、C8及Cj。，变容二极管电容Cj作为组成LC振荡电路的一部分，电容值会随加在其而端的电压的变化而变化，从而达到变频的目的。R4、R5、R6、R7和W2调节并设置电容三点式振荡器中T1管的静态工作点，C7、C9、C10以及L4、CC1、C8构成LC振荡电路。电容三点式振荡器电路等效电路如图1.2所示。图1.2 电容三点式振荡器等效电路1.3 变容二极管直接调频电路设计原理分析图1.1中，直接调频电路由变容二极管(Bb910)D1，耦合电容C1、C3、C82，偏置电阻R1、R2，隔离电阻R3和电位器W1构成。接入系数，其中等效电路图如图1.3所示。无调制时，谐振回路的总电容为：式中，CQ为静态工作点是所对应的变容二极管结电容。图1.3变容二极管部分接入等效图调频电路中，R1、R2、R3和W1调节并设置变容二极管的反偏工作点电压VQ，调制信号v经V82和L1加到二极管上。为了使VQ和v能有效的加到变容管上，而不至于被振荡回路中L4所短路，须在变容管和L4之间接入隔直流电容C3，要求它对高频接近短路，而对调制频率接近开路。C1为高频滤波电容，要求它对高频的容抗很小，近似短路，而对调制频率的容抗很大，近似开路。信号V从端口5并通过C82输入，C82为隔直电容，滤除输入信号中掺杂的直流成分。电感L1为高频扼流圈，要求它对高频的感抗很大，近似开路，而对直流和调制频率近似短路。对高频而言，L1相当于断路，C3相当于短路，因而C3和二极管D1接入LC振荡电路，并组成振荡器中的电抗分量，等效电路如图1.3所示。对直流和调制频率而言，由于C3的阻断，因而VQ和v可以有效的加到变容管上，不受振荡回路的影响，等效电路如图1.4所示。 图1.4 高频通路 图1.5 直流和调制频率通路1.3.1 FM调制原理FM调制是靠调频使信号频率发生变化，振幅可保持不变，所以噪声易消除。设载波,调制波。则或，此时的频率偏移量f为最大频率偏移。最后得到的被调制波 , V m 随Vs的变化而变化。为调制系数1.3.2 变容二极管频率调制的原理变容二极管具有PN结，利用PN结反向偏置时势垒电容随外加反向偏压变化的机理，在制作半导体二极管的工艺上进行特殊处理，以控制半导体的掺杂浓度和掺杂分布，可以使二极管的势垒电容灵敏地随反偏电压变化且呈现较大的变化，这样就制作成了变容二极管。变容二极管的结电容Cj，与在其而端所加反向电压u之间存在着如下关系：（）式中，VB为PN结的势垒位差(硅管约为0.7V,锗管约为0.3V)，Cj0为VB为0时的结电容，n为变容二极管的结电容变化指数，它取决于PN结的杂质分布规律：n=1/3对于缓变结，扩散型管多属此种； n=1/2为突变结，合金型管属于此类。采用特殊工艺制程的超突变结的n在15之间。 变容二极管的结电容变化曲线如图1.6所示。图1.6 变容二极管的Cj-u特性曲线加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压V0和调制信号电压V(t)= Vcost，即（）将式（）带入（），得式中，为静态工作点的结电容，为反映结电容调深度的调制指数。结电容在u(t)的控制下随时间的变化而变化。把受到调制信号控制的变容二级管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡回路的频率已收到调制信号的控制。适当选择调频二极管的特性和工作状态，这样就实现了调频。设电路工作在线性调制状态，在静态工作点Q处，曲线的斜率为。1.4 放大电路设计原理分析 图1.1中，放大电路由R8、R9、R10和三极管T2构成。其中，R8、R9和R10设置三极管的静态工作点。由图1.1可知，输入电压加在基极和集电极之间，而输出电压从发射机和集电极之间输出，所以集电极是输入和输出的公共端，即为共集电极放大器。而共集电极放大器的特点是：电压增益小于1而接近于1，输出电压与输入电压同相；输入电阻高，输出电阻低。正因为这些特点的存在，使得它在电子线路中应用极为广泛。2 电路工作分析2.1谐振回路总电容2.2 回路总电容变化量2.3调制灵敏度单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度，以Sf表示，单位为 kHz/V，即Sf = fm / VmVm为调制信号的幅度；fm为变容管的结电容变化Cj时引起的最大频偏。在频偏较小时，fm与C的关系可采用下面近似公式，即调制灵敏度 调制灵敏度Sf可以由变容二极管Cj-v 特性曲线上VQ处的斜率kc计算。Sf越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。 改变CC1的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。3 电路元器件参数设置3.1 LC震荡电路直流参数设置ICQ一般为14mA。若ICQ偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。取ICQ1=2mA。取VCEQ1=（1/2）VCC=6V。可以求出R4+R5=3K，取R4=2K，R5=1K；=60，IBQ=IBQ，为使减小IBQ对偏执电阻的电位偏执效果的影响，取R6和R7上流过的电流IBIBQ，取R6=15K，R7=8.2K，W2的可调最大阻值为20K。实验实际测得T1管Vc1=7.8V，Vce1=5.6V，Vbe=0.64V，基本接近理论值。3.2 变容管调频电路参数设置由LC震荡频率的计算公式可求出，若取C=，本次实验中可调电容CC1规格为5120pF，计算时取5pF，C7=24pF。L41.2mH。实验中可适当调整CC1的值。电容C9、C10由反馈系数 F 及电路条件C7C9，C7R2，R3R1，以减小调制信号V对VQ的影响。取 R2=3.9kW ，隔离电阻R3=180k，R1=20K。实际调试时，L1用1.2uH代替，测得C3与L1之间节点对地电压为0.5V,较理论值偏小。R1与R2之间节点对地电压为2.7V。3.3 放大电路参数设置对集电极放大电路，为保证T2管正常工作，可取R8=8.2K，R9=10K，R10=1.5K，实验实测得R8与R9间节点对地电压为6.4V,Te2=5.69V,则Vbe20.7V，基本符合理论值。取耦合电容C12=33pF，C13=0.01pF。3.4 调制信号的幅度计算为达到最大频偏fm的要求，调频信号的主振频率和最大频偏fm，可由下列关系式求出。计算以上各式可得，fm20KHz，满足实验要求。 4 课程设计体会通过本周的课程设计，我认识到课本上的知识的实际应用，激发了学习兴趣，增强了思考和解决实际问题的能力。课程设计，使我学会了充分利用图书馆资源和网络资源进行自主学习研究。使自己对高频电子线路这门课程有了一崭新的认识。这让我明白了阅读查找文献的重要性，平时多积累知识，真正到了用的时候，做题才会得心应手。此次课程设计运用了二极管，电阻，电容，线圈等器件，使我进一步加深了对这些元件的理解和认识，以及它们的应用方法和注意事项，为以后分析这些元件的工作特性打好了基础。此次课程设计我学会了不同的元件来组成电路实现相同的功能，从中比较分析而确定最优的设计组合。在课程设计过程中我练习用了Protel 软件绘制电路原理图，更加熟悉了该软件。并且提高了自己发现问题、分析问题、解决问题的能力。当然在这一星期里，学会的最重要的一点就是和同学互相协助共同进步。在实习中常遇到一些自己不明白的问题，通过和同学的交流和向其他人请教来解决。另外，在和别人交流的同时我们可以获得不同的想法，不断地完善自己的设计。通过一周的课程设计，自己掌握了丰富的科学文化知识，提高了