使用VCO实现变容二极管直接调频_李峰.pdf

2005 3 62 应用天地 APPLICATIONS 今日电子 使用 V C O实现变容二极管直接调频 Direct Frequency Modulation Based on Varactor 北京理工大学微波技术研究所 李峰 郭德淳 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 2 0 0 2 5 0 k H z 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3 0 8 0 0 0 H z 的范围内 在 调频时 可以将音频信号的频率范围扩 大至 3 0 1 5 0 0 0 H z 使音频信号的频谱 分量更为丰富 声音质量大为提高 许多中小功率的调频发射机都采用 变容二极管直接调频技术 即在工作于 发射载频的L C 振荡回路上直接调频 采 用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频 率 较之中频调制和倍频方法 这种方 法的电路简单 性能良好 副波少 维修 方便 是一种较先进的频率调制方案 变容二极管直接调频原理 二极管通过改变外加反向电压可以 改变空间电荷区的宽度 从而改变势垒 电容的大小 变容二极管是就是利用这 种特性制成的特殊的P N 结二极管 是一 种电抗可变的非线性电路元件 一般使 用的材料为硅或砷化镓 图1 是变容二极 管的特性曲线 图2 是变容二极管直接调 频示意图 变容二极管在反向偏置时 结电容 可用下式来表示 其 中 V D为 P N 结内建电位差 Cj 0为外加 反向电压 u 0 时的结电容 n为电容变 化指数 n 取决于变容二极管P N 结的杂 质分布规律 对于缓变结n 值等于1 3 突 变结n 值等于1 2 超突变结n 值在1 5 之间 变容二极管在反向偏置直接调频电 路中 不能工作于正向偏压区 如图2 所 示 为了保证变容二极管在调制电压变 化过程中保持反向偏压 必须加上一个 大于调制信号振幅的反向直流偏压 E 0 所以在单音调制时 变容二极管上的电 压 u E 0 U c o s t 得到结电容变化 规律为 式中 称为电容调制度 为静态工作点时的结 电容 则振荡回路的谐振角频率为 摘 要 介绍了一种使用V C O 实现调频的锁相环电路并给出了关键技术 变容二极管直接调频和锁相 环路滤波器的设计及实验结果 该电路不仅具有低相位噪声 高稳定载波 很小的非线性失真 而且具有理想 的音频调制频响 关 键 词 调频 变容二极管 自动相位控制 图 1 变容二极管电容变化曲线 图 2 变容二极管直接调频示意图 63 ELECTRONIC PRODUCTS CHINA MARCH 2005 应用天地 APPLICATIONS 式中 是未受调制时的振荡 角频率 即载波角频率 将式中 作为变量 并在处展开为泰 勒级数 得到 从上式可以看出 振荡器的频率变 化量中不仅包含有与调制信号成正比的 分量 而且含有调制信号的二次谐波及 更高次谐波分量 同时还有中心频率的 漂移 一般总是在保证最大角频偏 的前提下 选择具有较大 变容指数n 的管子 减小电容调制度m 从而减小中心频率的漂移 提高振荡器 的频率稳定度 还要消除各次谐波失真 分量 实现线性调频 锁相稳频技术 对于变容二极管直接调频电路来说 由于调制器是由普通的 L C自激振荡器 和并联的变容二极管组成 所以有很多 因素会引起振荡频率发生变化 这些因 素包括变容二极管的非线性 电源电压 的变动 负载的变化 温度等环境条件 的变化 电路元器件老化 机械振动等 为了消除这些导致中心频率不稳定的因 素 除了注意电路和结构的设计外 还 应当采用自动相位控制电路使中心频率 稳定在规定范围以内 图 3 是典型的锁相稳频电路的结构 框图 共包括四个部分 压控振荡器 鉴 相器 基准晶体振荡器和分频器 放大 的调制信号加入压控振荡器 对其进行 频率调制 经过调制的高频信号一路送 至后面的放大电路 另一部分送入分频 器进行分频 分频器输出的方波信号送 入鉴相器中 与基准晶体振荡器经过分 频后得到的基准信号进行比较 实现相 位锁定 鉴相器的输出信号经过环路滤 波器送入压控振荡器中 控制压控振荡 器的振荡频率 从而达到稳定频率的目 的 由于调频的结果使压控振荡器输出 信号的瞬时频率总是偏离其基准值 而环 路的功能就是要抑制这种频偏 这就产生 了一个矛盾 为了解决这个矛盾 应该使 调制信号的频谱处于环路通带之外 也就 是需要在鉴相器和压控振荡器之间加一个 低通滤波器 将其滤除 环路只对引起压 控振荡器平均中心频率不稳定的那一部分 起作用 也就是说 已调信号在中心频率 附近很小的一个频偏范围内变化 主要电路工作原理 本电路实际上是一个小功率调频发 射机 其调制部分采用了变容二极管直 接调频技术 主要功能是实现 87 1 0 8 M H z频段内以1 0 0 k H z为间隔的调 频 激 励 源 输 入 调 频 信 号 为 音 频 3 0 H z 1 5 k H z 要求实现最大频偏为 7 5 k H z 其框图如图4 所示 下面简单分析一下各主要部分的工 作原理 V C O电路 V C O 电路是实现频率调制与载波生 成的关键性电路部分 其具体电路如图 5 所示 4个性能一致的超突变结变容二极 管 M V 2 0 9采取较为复杂的串并联形式 通过电路的复杂性来换取性能的改善 并采用部分接入法接入谐振回路 即将 变容二极管C 与容量较小的耦合电容C 1 串联 再与一个电容C 2并联 构成回路 总电容 这样做不会改变变容二极管的 调频特性 虽然会在一定程度上减小调 频电路的最大频偏 但是可以改善变容 二极管结电容随温度变化 而带来的中心频率漂移问 题 同时通过调整耦合电 容 C 1的大小 可以保证变 容二极管工作在线性区 并控制频偏大小 在保证 最大频偏的前提下 尽量 图 3 锁相稳频电路结构框图 图 4 调频发射机结构框图 图 5 变容二极管调频电路中的V C O 电路 2005 3 64 应用天地 APPLICATIONS 今日电子 频率5 0 H z1 0 0 H z5 0 0 H z1 k H z5 k H z1 0 k H z 5 0 k H z 1 0 0 k H z 相噪 d B c H z 4 0 5 5 7 3 8 3 1 0 0 1 0 3 1 1 5 1 1 8 表 1 锁相环相位噪声指标 音频3 0 H z 5 0 H z 1 0 0 H z 4 0 0 H z 1 k H z 3 k H z 5 k H z 7 k H z 1 0 k H z 1 2 k H z 1 5 k H z 非线性0 10 10 0 40 0 40 0 30 0 30 0 30 0 40 0 30 0 50 0 5 失真 音频频7 5 5 7 6 77 8 87 9 67 9 57 9 57 9 37 9 07 8 57 8 47 8 0 响频偏 k H z 表 2 调频电路测试指标 频率8 79 09 29 49 69 81 0 01 0 21 0 41 0 61 0 8 M H z 调频 8 2 3 8 2 4 8 2 3 8 2 5 8 2 9 8 3 1 8 3 1 8 2 8 8 2 5 8 2 0 8 1 8 信噪比 d B 表3 调频信噪比测试指标 音频信号为1 k H z 消除非线性失真 降低输出信号的相位 噪声 起振电路中选用具有低转角频率 低噪声指数的双极性晶体管2 S C 3 3 5 6 以提高V C O电路频谱近端的频谱质量 在起振电路后附加一级射随器 以减小 负载电路对起振电路的影响 从而获得 良好的性能 已调信号通过射随器后 分 为两路 一路反馈至M C 1 4 5 1 7 0 的 F I N 端口 以构成锁相回路 另一路送入后 端的放大电路 以满足系统的输出功率 要求 锁相稳频电路 鉴相器是稳定频率的核心部分 该 部分由数字鉴相 鉴 频 集 成 芯 片 M C 1 4 5 1 7 0 和环路低通滤波器组成 如 图 6 所示 标准晶体振荡器选用 M O R I O N公 司的温补晶振M V 6 8系列 1 0 M H z 频 率偏差小于5 1 0 6 短期频率稳定度为 1 0 9 S 相位噪声小于 1 4 5 d B c H z 1 0 k H z 完全可以保证电路满足系统对 频偏的要求 锁相环集成芯片选用了摩托罗拉公 司的 M C 1 4 5 1 7 0 来实现调频激励源的 中心频率在8 7 1 0 8 M H z内以 1 0 0 k H z 为间隔的变化 摩托罗拉公司生产的 M C 1 4 5 1 7 0是一片可用于 M F H F和 V H F波段的 串行码输入编程的单模 C M O S锁相环频率合成器芯片 该芯片 内含完全可编程的 R 和 N 计数器 输 入译码器 在f i n脚内置一放大器 可外 接晶体振荡器 可编程的参考输出 具 有线性转移功能的单端或双端鉴相器和 可调整的 C寄存器 在实际电路中 选用1 0 k H z 的鉴相 频率 因此设置R 1 0 0 0 N 8 7 0 0 10800 同时设置 C 寄存器为 C 7C6C5C4C3C2C1C0 1 0 0 0 0 0 0 0 选择 R与 V双端输出 禁止 L D f R fV R E F O U T输出 以减小电路功耗 同时降 低无用端口对电路的影响 常用的环路滤波器有 R C积分滤波 器 无源比例积分滤波器和有源比例积 分滤波器 由它们的传递函数可知 有 源比例积分滤波器具有两个独立可调参 数 更重要的是具有滞后 超前特性 有 利于环路的稳定 因此 在设计中采用 有源比例积分滤波器 其电原理图如图 7 所示 由前面的分析可知 该锁相环是一 窄带载波跟踪环 故B L应小于调制频率 3 0 H z 因此应通过调整环路滤波器的参 数 R 1 R2与 C 使得 BL小于 3 0 H z 取 0 7 令 B L 1 0 H z N 1 0 0 0 0 C 1 0 F k v 2 1 2 1 0 6 r a d v 7 5 4 106 rad v 则根据公式 可以得到 R 1 1 7 0 k R2 7 5 k P C B 板的设计与测试结果 频率合成器对馈电电源 地线分布 等电磁兼容问题都有着较严格的要求 图 6 锁相稳频电路原理图 图 7 有源比例积分滤波器电路原理图 下转第7 5 页 75 ELECTRONIC PRODUCTS CHINA MARCH 2005 应用天地 APPLICATIONS v o i d d e l a y u i n t d e l x i d a t a u i n t i 0 w h i l e i d e l x i m a i n W D T C N 0 x d e 禁止看门 狗定时器 W D T C N 0 x a d S Y S C L K I n i t 初始化振 荡器 P O R T I n i t 初始化数据交 叉开关和通用 I O 口 c s 0 r e s 1 d e l a y 1 0 r e s 0 d e l a y 1 0 s p i b e g i n s t a t u s 0 s p i s e n d b y t e 0 x 1 4 s t a t u s 1 s p i s e n d b y t e 0 x 0 0 s p i e n d d e l a y 5 0 0 准备接收指令 但尚 未上电 s p i b e g i n s t a t u s 2 s p i s e n d b y t e 0 x 0 2 s t a t u s 3 s p i s e n d b y t e 0 x 0 0 s p i e n d d e l a y 5 0 0 发送上电指令 s p i b e g i n s t a t u s 4 s p i s e n d b y t e 0 x 0 6 发送读中断指令 s t a t u s 5 s p i s e n d b y t e 0 x 0 0 s t a t u s 6 s p i s e n d b y t e 0 x 0 0 s t a t u s 7 s p i s e n d b y t e 0 x 0 0 s p i e n d d e l a y 5 0 0 返回 W T S 7 0 1的状 态 可开始转换 s p i b e g i n s p i s e n d b y t e 0 x 5 1 s p i s e n d b y t e 0 x 0 0 s p i e n d d e l a y 5 0 0 发出设定卷寄存器 指令 s p i b e g i n s p i s e n d b y t e 0 x 5 2 s p i s e n d b y t e 0 x 0 7 s p i e n d d e l a y 5 0 0 发出设定卷寄存器 指令 s p i b e g i n s t a t u s 8 s p i s e n d b y t e 0 x 8 1 s t a t u s 9 s p i s e n d b y t e 0 x 0 0 s t a t u s 1 0 s p i s e n d b y t e 0 x 1 0 P s t a t u s 1 1 s p i s e n d b y t e D 大 的拼音 s t a t u s 1 2 s p i s e n d b y t e A s t a t u s 1 3 s p i s e n d b y t e 4 s t a t u s 1 4 s p i s e n d b y t e J 家 的拼音 s t a t u s 1 5 s p i s e n d b y t e I s t a t u s 1 6 s p i s e n d b y t e A s t a t u s 1 7 s p i s e n d b y t e 1 s t a t u s 1 8 s p i s e n d b y t e H 好 的拼音 s t a t u s 1 9 s p i s e n d b y t e A s t a t u s 2 0 s p i s e n d b y t e 0 s t a t u s 2 1 s p i s e n d b y t e 3 s t a t u s 2 2 s p i s e n d b y t e 结束符 s p i e n d w h i l e 1 华邦 W T S 7 0 1 语音芯片也可利用预 录人声的方式 让文字转换后的语音部 分更加接近真人语音 创造一个更人性 化的使用环境 参考文献 1 h t t p w w w w i n b o n d c o m W T S 7 0 1