变容二极管课题三高频调频技术直接调频.ppt

任务3调频发射机 简易调频麦克风发射器制作 2 3 1变容二极管直接调频原理与实验 用调制信号 低频信号 去控制载波信号的幅度而实现的调制称为调幅 若用调制信号去控制载波的频率或相位而实现的调制分别称为调频或调相 由于调频或调相两种调制都改变了载波的瞬时相位 通称角度调制 在模拟调制中 调频具有较为优越的性能 因此 调频技术广泛应用于立体声广播 电视伴音 无线麦克风 微波传输及卫星通信 同样 完整的调频通信系统也由发射机与接收机两部分组成 与调幅通信系统比较 除了调制与解调的原理方法不同外 其他部分如超外差变频接收技术 中频放大电路等基本相同 直接调频电路的应用 一 角度调制原理1 调频波的数学表达式 调频波数学表达式与波形图 调频波瞬时相位与调频波的表达式 调频波的波形 2 调相波的数学表达式 调相波的瞬时角频率 调制信号与调相波波形图 3 调角波的频谱 调频 mf与边频分量的关系 1 调制指数mf越大 具有较大增幅的边频分量就越多 且边频分量幅度可超过载频分量幅度 2 mf为某些值时 载频分量可能为零 也可能使某些边频分量振幅为零 3 由于调角信号的振幅不变 当Ucm一定时 它的平均功率与调制指数无关 其值等于末调制的载波功率 所以改变mf仅使载波分量和各边频分量之间的功率重新分配 而总功率不会改变 4 调角波的带宽 从理论上分析 调角信号的边频分量有无限对 即它的频带应为无限宽 但由图2 3 4可以看出 对于一定的mf 随着n的增大 边频分量的幅度大小变化的总趋势是减小的 这表明离开载频较远的边频振幅都很小 在传送和放大过程中 可舍去这些边频分量 理论上可证明 当n mf 1时 Jn mf 0 1 因此 若忽略幅度小于未调制前载波幅度的10 的边频分量 则调角波的频带宽度可表示为 例题 二 直接调频电路 调频与调相都使瞬时相位 瞬时频率发生变化 因此 调频与调相可以相互转化 但在模拟信号的角度调制中 调频调制应用更广 这里主要学习调频电路 调频电路通常分为直接调频电路和间接调频电路 直接调频是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率而实现的调频方法 常用的直接调频电路有变容二极管 或电抗管 调频电路 晶振调频电路 集成调频电路等 直接调频电路可获得较高的调制灵敏度 较大调制频偏和较好的调制线性 因此得到广泛应用 1 变容二极管直接调频电路 1 调频原理变容二极管直接调频是利用调制信号直接控制变容二极管反偏电压改变其电容量进而改变振荡器的振荡频率而实现的调频方法 图2 3 5所示为变容二极管接入振荡回路示意图和曲线 当给PN结加反向偏置电压时 结电容随反向偏置电压变化 变化范围大约在3 20pF 目前常用的载波振荡器为LC振荡器 只要使变容二极管的可控电容参与回路电容 并用调制信号去控制变容二极管的电容量 就可以直接改变LC振荡器的振荡频率 构成变容管直接调频电路 在图2 3 5 a 中 对载波视为短路 同时 起隔离直流作用 为扼流圈 对载波视为开路 但对低频和直流视为短路 变容二极管的电容与L构成振荡回路 如图2 3 5 b 所示 低频调制信号与直流电压迭加控制变容二极管的反偏电压 其低频等效电路如图2 3 5 c 所示 振荡频率可近似由回路电感L和变容二极管结电容Cj所决定由于变容二极管的电容受调制信号的直接控制 所以振荡频率 随调制信号的变化而变化 变容二极管直接调频电路控制方便 调制频偏大 性能较好 常用于高频宽带调频 2 电路实例图2 3 6 a 所示为变容二极管90MHz直接调频电路 调制信号电压 含偏置直流 通过22 H电感加在变容二极管两端 控制变容二极管容量使振荡器频率随低频调制信号电压变化 电路的基础是电容三点式正弦振荡器 如图2 3 6 b 为振荡部分交流等效电路 通过电感耦合输出调频信号 2 晶体振荡器直接调频电路 晶体振荡器调频电路是将变容二极管和石英晶体串联或并联后 接入振荡回路构成的调频振荡器 图2 3 7 a 为某型无线话筒晶体振荡器直接调频电路 音频信号通过R29加在变容二极管负极 控制变容二极管结电容 实现直接调频 电路中 电源电压通过R29 R30 R31为变容二极管D4提供反向直流偏置 D4与晶体Y1及电感L1串联 再与C23 C27并联构成克拉波振荡器 改变L1可微调调频中心频率 交流等效电路如图2 3 7 b 所示 该无线话筒发射的中心频率是固定的 不同的频点的无线话筒采用不同频率的泛音晶体 石英晶体振荡回路具有振荡中心频率十分稳定 载波频率飘移小的优点 但晶体的调制频偏小 为提高调频频偏 后级连接12倍频电路使发射频率倍频到229 56MHz 19 130MHz 12 229 56MHz 倍频后 不仅提高了载频频率 调制频偏也扩大了12倍 变容二极管直接调频实验 一 实验目的掌握变容二极管调频电路的原理 了解调频调制特性及测量方法 观察寄生调幅现象 了解其产生及消除的方法 二 实验内容测试变容二极管的静态调制特性 观察调频波波形 观察调制信号振幅时对频偏的影响 观察寄生调幅现象 三 实验原理及电路直接调频即为载波的瞬时频率受调制信号的直接控制 其频率的变化量与调制信号成线性关系 常用变容二极管实现调频 变容二极管直接调频电路及实物图与图2 1 20 图2 1 21相同 从J2处加入调制信号 使变容二极管的瞬时反向偏置电压在静态反向偏置电压的基础上按调制信号的规律变化 从而使振荡频率也随调制电压的规律变化 此时从J1处输出为调频波 FM C15为变容二级管的高频通路 L1为音频信号提供低频通路 L1和C23可阻止高频振荡信号进入调制信号源 图2 3 8表示出了当变容二极管在低频正弦调制信号作用情况下 电容和振荡频率的变化示意图 在图2 3 8 a 中 U0是加到变容二极管的直流电压 当u U0时 电容值为C0 u 是调制电压 当u 为正半周时 变容二极管负极电位升高 即反向偏压增大 变容二极管的电容减小 当u 为负半周时 变容二极管负极电位降低 即反向偏压减小 变容二极管的电容增大 在图2 3 8 a 中 对应于静止状态 变容二极管的电容为C0 此时振荡频率为f0 图2 3 8变容二极管电容和振荡频率变化示意图a 电容与调制电压关系b 振荡频率与调制电压关系c 理想的频率与调制电压线性关系因为 所以电容小时 振荡频率高 而电容大时 振荡频率低 从图2 3 8 a 中可以看到 由于C u曲线的非线性 虽然调制电压是一个正弦波 但电容随时间的变化是非正弦波形 但是由于 f和C的关系也是非线性 不难看出 C u和f C的非线性关系起着抵消作用 即得到f u的关系趋于线性 见图2 3 8 c 1 变容二极管调频器获得线性调制的条件 了获得线性调制 频率振荡应该与调制电压成线性关系 用数学表示为 中A是一个常数 由以上二式可得将上式两边平方并移项可得 2 调频灵敏度 设变容二极管在调制电压为零时的直流电压为U0 相应的回路电容量为C0 振荡频率为 上式表明 在n 2的条件下 调制灵敏度与调制电压无关 这就是线性调制的条件 而与中心振荡频率成正比 与变容二极管的直流偏压成反比 它给我们一个启示 为了提高调制灵敏度 在不影响线性的条件下 直流偏压应该尽可能低些 当某一变容二极管能使总电容C u特性曲线的n 2的直线段愈靠近偏压小的区域时 那么 采用该变容二极管所能得到的调制灵敏度就愈高 当我们采用串联和并联固定电容以及控制高频振荡电压等方法来获得C u特性n 2的线性段时 如果能使该线性段尽可能移向电压低的区域 那么对提高调制灵敏度是有利的 由式 2 3 21 可以看出 如果对调频器的调制线性没有要求 n值愈大 调制灵敏度越高 因此 选用n值大的变容管 电路不外接串联或并联固定电容 就可以获得较高的调制灵敏度 四 实验步骤 1 静态调制特性测量 参见模块二课题一图2 1 20 图2 1 21 将电路接成压控振荡器 J2端不接音频信号 将频率计接于J1处 调节电位器W1 记下变容二极管D1 D2两端电压和对应输出频率 并记于下表中 动态测试1 将电位器W1置于某一中值位置 将音频