变容二极管调频课程设计

1、 目录摘要21方案选择：42调频电路设计原理分析52.1FM调制原理：52.2 变容二极管直接频率调制的原理：52.3 三极管的参数73单元电路设计分析83.1LC振荡电路83.2调制灵敏度103.3增加稳定度的措施：113.3.1震荡回路参数LC113.3.2温度补偿法113.3.3回路电阻123.3.4加缓冲级123.3.5有源器件的参数134各单元电路元器件参数设置：144.1LC震荡电路直流参数设置：144.2调频电路的直流参数设置144.3交流电路参数设置：144.4 计算调制信号的幅度165 仿真结果及分析.176 元器件清单.21 7 设计体会.22 8 参考文献.23 摘要 调

2、频电路具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。主要应用于调频广播、广播电视、通信及遥控。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。 变容二极管调频电路是一种常用的直接调频电路，广泛应用于移动通信和自动频率微调系统。其优点是工作频率高，固有损耗小且线路简单，能获得较大的频偏，其缺点是中心频率稳定度较低。较

3、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。 本课题载波由LC电容反馈三端振荡器组成主振回路，振荡频率有电路电感和电容决定，当受调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡频率受调制信号的控制，从而实现调频。 关键词：调频、变容二极管、LC Abstract Frequency modulation circuit has strong anti-jamming performance, clear voice etc, and got rapid development. Mainly used in FM radio, br

4、oadcast television, communication and remote control. FM radio band usually is about 200 250 KHZ, the band width is am radio dozens of times, convenient delivery hi-fi stereo signal. Due to the modulation wave by bandwidth limit, in the receiver there are pass band width and interference of the cont

5、radiction, therefore audio signal frequency limited to 30 8000 hz range. In frequency modulation in audio signal frequency range to expand to 30 15000 hz, make the audio signal spectrum component more rich, sound quality greatly improved. Varactor frequency modulation circuit is a kind of commonly u

6、sed direct frequency modulation circuit, which are widely used in mobile communication and automatic frequency adjustment system. Its advantage is with high working frequency, the inherent loss small and simple lines, can obtain larger deviation, its shortcoming is center frequency stability is low.

7、 Compared with intermediate frequency modulation and frequency multiplication method, the method of the circuit is simple, the performance good, deputy wave little, easy maintenance, it is a kind of advanced frequency modulation scheme. This topic carrier by LC capacitance feedback three end oscilla

8、tor composition driver circuit, oscillation frequency is circuit inductance and capacitance decision, when be modulation signal control of the varactor access carrier oscillator in the oscillation circuit, the oscillation frequency modulation signal by the control, so as to realize the frequency mod

9、ulation. Keywords: FM, varactor, LC 22 1方案选择产生调频信号的电路叫做调频器，对他有4个主要的要求：已调波的瞬时频率与调制信号成比例变化。未调制时的载波频率即已调波的中心频率具有一定的稳定度。最大频偏与调制频率无关。无寄生调幅或寄生调幅尽量小。产生调频的方法主要归纳为两类：1 用调制信号直接控制载波的瞬时频率直接调频。2先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波间接调频。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，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。在满足设计的各项参数的基础上尽量简化电路。

10、因此本次课程设计采用2CC1C变容二极管进行直接调频电路设计。2调频电路设计原理分析2.1FM调制原理：FM调制是靠信号使频率发生变化，振幅可保持一定，所以噪声成分易消除。设载波,调制波。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2.2变容二极管直接频率调制的原理：变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种半导体二极管，它是一种电压控制可变电抗元件，它的结电容Cj与反向电压VR存在如下关系：式中，VD为PN结的势垒电压（内建电势差），Cj0为VR为0时的结电容，为系数，它的值随半导体的掺杂浓度和PN结的结构不同

11、而异：对于缓变结，=1/3；突变结：=1/2;对于超突变结，=14，最大可达6以上。图2.1 变容二极管的Cj-v特性曲线变容二极管的Cj-v特性曲线如图2.1所示。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。结电容在vR(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。2.3三极管的参数图2.2高频三极管的参数 3 单元电路设计分析3.1LC振荡电路本电路采用常见的电

12、容三点式震荡电路实现LC振荡，如图3.1，简便易行，变容二极管电容作为组成LC振荡电路的一部分，电容值会随加在其两端的电压的变化而变化，从而达到了变频的目的。Rc，Re，RB1，RB2设置LC震荡电路的静态工作点，L1，C1构成LC震荡电路，CC,DC接入LC振荡电路改变振荡频率构成调频电路。R1、R2、R3提供变容二极管工作所需的直流偏置。信号V从C5接入，电感L2是一低通线圈，可以过滤掉信号的高频部分。图3.2为调频电路的交流等效电路。变容二极管的接入方式为部分接入，如果去掉与之串联的CC则为全部接入。图3.1调频信号产生电路图3.2三点式振荡电路 3.2调制灵敏度单位调制电压所引起的最大

13、频偏称为调制灵敏度，以Sf表示，单位为 kHz/V，即Vm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。回路总电容的变化量为在频偏较小时，fm与C的关系可采用下面近似公式，即 pà f ，Cjà f 。 调制灵敏度 式中，C为回路总电容的变化量；CQ为静态时谐振回路的总电容， 即 C1àSfà f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CC的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。 3.3增加稳定度的措施：3.3.1震荡回路参数LC显然LC如有

14、变化，必然引起震荡频率的变化，影响LC变化的因素有：元件的机械变形，周围温度变化的影响，适度，气压的变化，因此为了维持LC的数值不变，首先就应选取标准性高的，不易发生机械变形的元件；其次，应尽量维持振荡器的环境温度的恒定，因为当温度变化时，不仅会使LC的数值发生变化，而且会引起电子器件的参数变化，因此高稳定度的振荡器可以封闭在恒温箱（杜瓦瓶）内，LC采用温度系数低的材料制成。3.3.2温度补偿法使L与C的变化量与L与C的变化量相互抵消以维持恒定的震荡频率，其原理如下：若回路的损耗电阻r很小，即Q值很高，则振荡频率可以近似的用回路的固有频率f0来表示。由于外界因素的影响，使LC产生微小的变量L、

15、C，因而引起振荡频率的变化为若选用合适的负温度系数的电容器 （电感线圈的温度系数恒为正值）， 使得C/C与L/L互相抵消，则f可减为零。这就是温度补偿法。3.3.3回路电阻r的大小是由振荡器的负载决定的，负载重时，r大，负载轻时r小，当负载变化时，振荡频率也随之变化。为了减小r的影响尽量使负载小且稳定，r越小，回路的Q值越高，频率的稳定度也越高，3.3.4加缓冲级为了减弱后级电路对主振器的影响，可在主振器后面加入缓冲级。所谓缓冲级，就是实际上是一级不需要推动功率的放大器（工作于甲类）。3.3.5有源器件的参数晶体管为有源器件时，若他的工作状态（电源电压或周围温度等）有所改变，则晶体管的h参数会

16、发生变化，即引起振荡频率的改变。为了维持晶体管的参数不变，应该采用稳压电源，和恒温措施。采用高稳定度LC振荡电路例如采用克拉泼电路如图3.2所示：C1>>C3,C2>>C3,Cb为基极耦合电容，C3为可变电容，他的作用是把L与C1，C2分隔开，使反馈系数仅取决于C1，C2的比值，振荡频率基本上由L和C3决定。这样，C3就减弱了晶体管与振荡电路之间的耦合，使折算到回路内的有源器件的参数减小，提高了频率的稳定度，另一方面，不稳定电容（如分布电容）则与C1，C2并联，基本上不影响震荡频率。C3越小，则频率的稳定度越好，但起振也就越困难。因此C3也不能无限制的减小。 4各单元电

17、路元器件参数设置：4.1LC震荡电路直流参数设置：ICQ一般为(14)mA。ICQ偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。取ICQ=2mA。取VCEQ=1/2VCC=6V。可以求出Rc+Re=3K，取Rc=2K，Re=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RB1和RB2上流过的电流IB>>IBQ，取RB1=28K，RB2=8.2K。4.2调频电路的直流参数设置根据2CC1C数据手册提供的变容二极管的Cj-v特性曲线（如图1），取变容二极管的正常工作的反向偏置电压为4V，R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压

18、VQ，电阻R3称为隔离电阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以减小调制信号V对VQ的影响。已知 VQ=4V，若取 R2=10kW ，隔离电阻R3=150k。则R1=20K4.3交流电路参数设置：由LC震荡频率的计算公式可求出，若取C1=100pF，则L110mH。实验中可适当调整L1的圈数或C1的值。电容C2、C3由反馈系数 F 及电路条件C1<<C2，C1<<C3 所决定，若取C2=510 pF，由，则取 C3=3000 pF，取耦合电容 Cb=0.01mF。本题给定变容二极管的型号为2CC1C，已测量出其Cj-v 曲线如图1所示。取变容管静态

19、反向偏压VQ=4V，由特性曲线可得变容管的静态电容CQ=75pF。2CC1C属于突变结，=0.5，图4为变容二极管部分接入振荡回路的等效电路，接入系数p及回路总电容C分别为为减小振荡回路高频电压对变容管的影响， p应取小，但p过小又会使频偏达不到指标要求。可以先取p=0.2，然后在实验中调试。当VQ=4V时，对应CQ=75pF，则CC» 18.8 pf 。取标称值20pF。图4.1交流等效电路图4.4计算调制信号的幅度为达到最大频偏fm的要求，调制信号的幅度Vm，可由下列关系式求出。由Cj-v 曲线得变容管 2CC1C 在VQ= 4V 处的斜率PF/V,得调制信号的幅度Vm=Cj /

20、 kc= 0.92V。调制灵敏度Sf 为KHz/V 5 仿真结果及分析 5.1 输入3kHz、振幅为10V的正弦波调制信号，仿真结果如下： 图5.1 调制信号波形5.2 输出调频波波形 图5.2 已调信号波形5.3 频率计仿真结果 图5.3 已调信号低频率 图5.4 已调信号高频率由仿真结果可看出，已调信号的频率随着调制信号在4.767MHz4.849MHz之间缓变，说明实现了信号的调频，只是变化幅度太小，看不出调频波。 6 元器件清单DesignatorCommentFootprintDescriptionC5Cap Pol1RB7.6-15Polarized Capacitor (Radi

21、al)C, C1, C2, C3, C4, C6, C7， Cb, Cb3, CcCapRAD-0.3CapacitorDc2CC1CSOT23AVariable Capacitance DiodeLInductor0402-AInductorL1, L2Inductor IronAXIAL-0.9Magnetic-Core InductorQ13DG100TO-92ANPN AmplifierR1, R2, R3, Rb1, Rb2, Rb3, Rb4, Rb5, Rb6, Rc, Re, Re4, Re21, Re31, Re32, RLRes2AXIAL-0.4Resistor7 设计体会