变容二极管调频电路的设计

目 录摘 要21 系统设计 2 1.1 总体设计方案 2 1.1.1 设计思路2 1.1.2 系统各模块论证与选择3 1.1.3 系统各模块的组中组成42 设计实现与理论计算 42.1 LC振荡电路部分 42.2 放大器电路部分 43 电路工作过程与理论计算 44 测试与数据分析 5 4.1 测试仪器 5 4.2 测量结果 5 4.3 误差分析 64 结论 6参考文献 6附录 7元器件清单 10变容二极管调频电路的设计摘要：本设计基于LC振荡器原理，通过变化变容二极管两端的电压来改变电容，以达到改变频率，从而实现设计的要求。整个设计由三点式振荡器模块、放大器模块组成，完成了调频的要求。随着电子与通信技术的不断进步，各种电子新产品的开发速度越来越快。现代计算机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的设计出现了两个分支。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,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LC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. 调频器广泛用于调频广播、电视伴音、微波通信、锁相电路和扫频仪等电子设备。由于抗干扰能力强、功率利用率高、信息传输保真度高等优点，频率调制广泛应用于各种通信系统和电子设备中。实现调频的方法有直接调频法和间接调频法两类，关键词：LC振荡器 变容二极管1 系统设计1.1 总体设计方案1.1.1设计思想LC三点式振荡组成原理图如图1，其振荡频率f=。当 和为容性，为感性时称为电容反馈振荡器，其中C=；当 和为感性，为容性时称为电容反馈振荡器，其中 L=+。当我们相应变化电容值时就能使频率作出相应的变化，以达 图1 三点式振荡组成 到调频的目的。 此设计的关键是在没有加载音频信号时利用LC振荡器振荡出主频7.5MHz。后面用放大器对调制的信号进行放大。本设计包括三点式振荡器模块、放大器模块三部分。其系统框图如图所示。调频输出LC振荡器模块放大器模块音频信号图2 系统框图没有音频输入时LC振荡器振荡出的频率稳定是电路达到要求的重要条件，当输入音频信号时，改变了变容二极管的电容值，从而改变了频率，并且要使其偏频为20KHz。由于高频电路对器件及器件相互之间的影响不可忽略，故设计时我们尽量按照老师和资料的要求合理选择器件和正确的放置元器件以使它们之间的影响最小，使得偏频满足要求。1.1.2 系统各模块的论证与选择1、LC振荡模块设计LC振荡电路采用三点式振荡，其有哈特莱振荡器、克拉泼振荡器、西勒振荡器。方案一：哈特莱振荡器哈特莱振荡器的原理图如附录图1，其振荡频率为f=,式中L=+2M，此方案比较容易起振，调整也方便，但输出的波形不好，在频率较高时不易起振。 方案二：克拉泼振荡器克拉泼振荡器的原理图如附录图2，其振荡频率为f=，式中C=，此电路的频率稳定度较好，但在振荡范围较宽时，输出幅度不均匀，且频率升高后不易起振，其主要用于固定频率或波段范围较窄的场合。方案三：西勒振荡器西勒振荡器的原理图如附录图3，其振荡频率为f=，式中C=+，这种振荡器较易起振，振荡频率也较为稳定，波形失真较小，当参数设置得当时，其频率覆盖系数较大。基于以上分析，我们决定选用方案三。2、放大器模块设计当音频信号已调完成后，需对其进行放大才能加载在负载上。而三极管构成的三种典型的放大电路为：共射极放大电路、共集电极电路、共基极电路，其各自的电路组态见附录图4、图5和图6。其中共射极电路的电压、电流、功率增益都比较大；但宽频带或者高频时，共基极电路比共射极电路较好些，且其电流放大倍数接近1；共集电极电路特点是输入电阻很高，输出电阻很低，且其电压放大倍数接近1。我们考虑到设计是调频电路，故将放大器设计成两级放大，增大调制信号的放大倍数。由于设计要求较为简单，根据上述各电路特点的分析，于是将第一级设计为共射极电路，使其功率增益最大；第二级设计成共集电极电路，这是因为其输入电阻高，可减小其对前级所取的信号电流，而输出电阻低可减小负载变动对电压增益的影响，从而降低对负载的要求。基于以上分析，我们将放大器模块设及成两级放大，其框图如图3。调频输出共射极电路放大共集电极电路放大待放大的已调信号图3 放大模块框图1.1.3 系统各模块的最终组成通过上面的分析，系统最终设计方案如图4所示：西勒振荡器电路共射极电路放大音频信号调频输出集电极电路放大图4 系统最终方案 由西勒振荡器产生的主频，利用音频信号幅度变化来改变变容二极管的电容值，使得振荡器频率发生改变，实现调频，由于已调信号的幅值较小需对其放大，故需要后级的放大。2 设计实现2.1 LC振荡电路部分LC振荡电路部分见附录图8中LC振荡电路部分。其本质上是西勒振荡器。电路中和串联分压为BG1提供静态工作点，为隔直电容，为射极提供偏置电压。2.2 放大器电路部分 通过上述分析放大电路部分分为两级，第一级为共射极电路放大，见附录图7中共射极电路放大部分， 利用和组成的分压器以固定BG3基极电位，和用来稳定工作点，而为旁路电容，用以提高一定的电压增益。 第二级为共集电极电路放大，见附录图8中集电极极电路放大部分。 经过上述分析讨论，我们为了进一步完善和稳定电路工作状态，达到设计要求，对电路进行了改进，如我们利用、和组成分压器，并在一定范围内通过调整改变主振频率。具体实现的原理电路见附录图9。3 电路工作过程与理论计算附录图8中，C14、C15和L3组成低通滤波器，滤除电源中的高频影响。对于高频振荡信号，L1可看作开路，以防止高频信号影响调制信号。音频信号通过耦合电容C1和相当于短路的L1作用于变容二极管，使二极管两端压差发生变化，从而改变容值。由于电路的振荡频率是不断变化的，其理论振荡频率计算式为f=，L=L2，C=+,为变容二极管的容值，它的计算为=(为二极管的固有电容值，u为外加的电压，为其导通电压)4测试与数据分析4.1 测试仪器序号名称数量1RZ8653高频实验箱12数字示波器13函数信号发生器14鉴频器14.2 测量结果测量时无法输入音频信号，故用函数发生器产生正弦信号模拟音频信号测试数据。输出在波形失真较小时幅度尽量的大。其输入波形如附录图7。输入正弦信号频率（KHz）输入信号幅度（mv）调频输出频率（KHz）调频输出幅度（mv）频偏（KHz）输出波形鉴频输出波形无输入-1.01.01.51.52.02.04.3 误差分析 从测试的数据和波形看，调频的不理想，但仍看的出有调频的效果。产生的原因可能有：振荡电压也加在变容二极管两端，这使得振荡频率在一定程度上也随振荡幅度而变化；温度的变化能够改变电抗元件等的值；晶体管的分布电容也影响频率稳定度；设计选择的LC回路的品质因数不高；印制电路板时没能很好减小布线的分布电容焊接点焊接的不理想，产生尖端放电现象等。5 设计心得经过我们近一周的努力，回顾设计的点点滴滴，我们有太多的收获，过程是痛苦的结果是收获的这就是我这一周来最大的感受啦。我们就是在发现问题和解决问题中不断进步。这样我们才能在将来立足于这个社会立足于这个行业呀！此次课程设计不但锻炼了我们最基本的高频电子线路的设计能力，更重要的是让我们更深刻的认识了高频电子线路这门课程在实际中的应用。还是有书到用时方恨少的感觉呀。在此次设计时我们也遇到了不少的困难和问题，但在同伴们的共同努力下，辛苦的去专研去学习，最终都克服了这些困难，使问题得到了解决。其中遇到的问题很多都是在书上不能找到的，所以我们必须自己查找相关资料，利用图书馆和网络，这是一个比较辛苦和漫长的过程，你必须从无数的信息中分离出对你有用的，然后加以整理，最后才学习到变为自己的并用到设计中的问题去。参考文献1 曾兴雯，刘乃安，陈健 高频电路原理与分析西安：西安电子科技大学出版社，2006年2 田良，黄正谨 综合电子设计与实践 南京：东南大学出版社，2003年3 谢自美 电子线路综合设计武汉：华中科技大学出版社，2005年附录图图1 哈特来振荡器 图2 克拉泼振荡器图3 西勒振荡器图4 共射极电路 图5 共集电极电路tOV图6 共基极电路 图7 音频输入信号波形图8 设计实现各部分电路变容二极管调频电路元器件清单：贴片电容：3 0.1u C12 C14 C15 08052 0.01u C5 C8 08051 0.033u C2 08051 100P C6 08051 300P C3 08053 1000P C4 C7 C11 0805色环电阻：4 1K R2 R7 R13 R17 AXIAL0.41 3K R6 AXIAL0.43 4.7K R3 R9 R12 AXIAL0.41 10K R11 AXIAL0.41 20K R5 AXIAL0.4 1 39K R4 AXIAL0.4 1 100 R8 AXIAL0.41 68K R16 AXIAL0.4贴片电阻：1 2K R18 08051 3K R1 08051 51 R14 08051 510 R15 0805色环电感：1