实验四变容二极管调频

1、实验四 变容二极管调频一、实验目的1、掌握变容二极管调频的工作原理;2、学会测量变容二极管的 C j V 特性曲线; 3、学会测量调频信号的频偏及调制灵敏度。二、实验原理1、实验原理(1变容二极管调频原理所谓调频,就是把要传送的信息(例如语言、音乐作为调制信号去控制载波(高频振 荡信号的瞬时频率,使其按调制信号的规律变化。设调制信号: (t V t =cos ,载波振荡电压为:(t A t a o o cos = 根据定义,调频时载波的瞬时频率 (t 随 (t 成线性变化,即(t t V K t o f o +=+=cos cos (6-1则调频波的数字表达式如下:(+=t V K t A t

2、 a f o o f sin cos 或 (t m t A t a f o o f +=sin cos (6-2式中: =V K f 是调频波瞬时频率的最大偏移,简称频偏,它与调制信号的振幅 成正比。比例常数 K f 亦称调制灵敏度,代表单位调制电压所产生的频偏。式中:F f V K m f f =称为调频指数,是调频瞬时相位的最大偏移, 它的大小反映了调制深度。 由上公式可见, 调频波是一等幅的疏密波, 可以用示波器观察其波形。如何产生调频信号?最简便、最常用的方法是利用变容二极管的特性直接产生调频波, 其原理电路如图 6 1所示。 图 6-1 变容二极管调频原理电路变容二极管 j C 通过

3、耦合电容 1C 并接在 N LC 回路的两端,形成振荡回路总电容的一部 分。因而,振荡回路的总电容 C 为:jN C C C +=(6-3振荡频率为:(2121j N C C L LCf +=(6-4加在变容二极管上的反向偏压为:(高频振荡,可忽略调制电压 直流反偏 O Q R V V += 变容二极管利用 PN 结的结电容制成, 在反偏电压作用下呈现一定的结电容 (势垒电容 , 而且这个结电容能灵敏地随着反偏电压在一定范围内变化, 其关系曲线称 j C R 曲线, 如 图 6 2所示。由图可见:未加调制电压时,直流反偏 Q V (在教材称 0V 所对应的结电容为 j C (在 教材中称 0C

4、 。 当反偏增加时, j C 减小; 反偏减小时, j C 增大, 其变化具有一定的非线性, 当调制电压较小时,近似为工作在 j C R 曲线的线性段, j C 将随调制电压线性变化,当 调制电压较大时,曲线的非线性不可忽略,它将给调频带来一定的非线性失真。 图 6-2 用调制信号控制变容二极管结电容我们再回到图 6 1,并设调制电压很小,工作在 j C R 曲线的线性段,暂不考虑高 频电压对变容二极管作用。设 t V V Q Q R +=cos (6-5由图 6 2(c 可见:变容二极的电容随 R 变化。即: t C C C m jQ j -=cos (6-6 由公式(3可得出此时振荡回路的

5、总电容为t C C C C C C m jQ N j N -+=+='cos由此可得出振荡回路总电容的变化量为:(t C C C C C C m j jQ N -=+-'=cos (6-7由式可见:它随调制信号的变化规律而变化,式中 m C 是变容二极管结电容变化的最大 幅值。我们知道:当回路电容有微量变化 C 时,振荡频率也会产生 f 的变化,其关系如 下:C Cf f 210(6-8式中,是 0f 未调制时的载波频率; 0C 是调制信号为零时的回路总电容,显然jQ N o C C C +=由公式(6-4可计算出 0f (调频中又称为中心频率 。即:(210jQ N C C

6、L f +=将(6-7式代入(6-8式,可得:t f t C C f t f m =cos cos /(21(00 (6-9频偏:m C C f f /(2100= (6-10振荡频率: (t f f t f f t f o o +=+=cos (6-11由此可见:振荡频率随调制电压线性变化,从而实现了调频。其频偏 f 与回路的中心 频率 0f 成正比,与结电容变化的最大值 m C 成正比,与回路的总电容 0C 成反比。为了减小高频电压对变容二极管的作用,减小中心频率的漂移,常将图 6 1中的耦合 电容 1C 的容量选得较小(与 j C 同数量级 ,这时变容二极管部分接入振荡回路,即振荡回路

7、的 等 效 电 路 如 图 6 3所 示 。 理 论 分 析 将 证 明 这 时 回 路 的 总 电 容 为/(11' 0j j N C C C C C C += (6-12 (6-13频偏 :(6-14式中, jQ C C C P +=11称为接入系数。关于直流反偏工作点电压的选取, 可由变容二极管的 j C R 曲线决定。 从曲线中可见, 对不同的 R 值,其曲线的斜率(跨导 =j C C S 各不相同。 R 较小时, C S 较大,产 生的频偏也大,但非线性失真严重,同时调制电压不宜过大。反之, R 较大时, C S 较小, 达不到所需频偏的要求, 所以 Q V 一般先选在 j

8、C R 曲线线性较好, 且 C S 较大区段的中间 位置,大致为手册上给的反偏数值,例:2CC1C , V V Q 4=。本实验将具体测出实验板上的变容二极管的 j C R 曲线,并由同学们自己选定 Q V 值,测量其频偏 f 的大小。(2 变容二极管 j C R 曲线的测量, 将图 6 1的振荡回路重画于图 6 4, jX C 代表 不同反偏 RX 时的结电容, 其对应的振荡频率为 X f 。 若去掉变容二极管, 回路则由 N C 、 L 组成,对应的振荡频率为 N f ,它们分别为(21jx N x C C L f += (6-15NLC f 21=(6-16 图 6-4 测量 Cj VR

9、 曲线由式(6-15 、 (6-16可得:N XNN X X N jx C f f C f f f C -=-= 1(22222 (6-17 N f 、 X f 易测量, 如何求 N C ?将一已知电容 K C 并接在回路 N LC 两端, 如图 6-5所示。此时,对应的频率为 K f ,有(21K N K C C L f += (6-18由式(6-16 、 (6-18可得:K KN KN C f f f C -=222(6-19 (3调制灵敏度单位调制电压所引起的频偏称为调制灵敏度,以 f S 表示,单位为 KHz/V,即m f f S = (6-20式中,m u 为调制信号的幅度(峰值。f

10、 为变容管的结电容变化 j C 时引起的频率变化量,由于变容管部分接入谐振回路, 则 Cj 引起回路总电容的变化量 C 为Cj P C =2 (6-21频偏较小时, f 与 C 的关系可采用下面近似公式,即-Q C C f f 210 (6-22 将式(6-22代入(6-20中得 m Q f U C C f S =20 (6-23式中, C 为变容二极管结电容的变化引起回路总电容的变化量, Q C 为静态时谐振 回路的总电容,即 Q C QC Q C C C C C C +=1 (6-24调制灵敏度 f S 可以由变容二极管 U j C -特性曲线上 u 处的斜率 C K KC 及式(6-23

11、计 算, S f 越大,调制信号的控制作用越强,产生的频偏越大。2、实验线路见附图 G1使用 12V 供电,振荡器 Q1使用 3DG12C ,变容管使用 Bb910, Q2为隔离缓冲级。主要技术指标:主振频率 MHZ f 7. 100=,最大频偏 KHZ f m 20±=。本实验中,由 R1、 R2、 W1、 R3组成变容二极管的直流偏压电路。 C3、 C4、 C12组成变 容二极管的不同接入系数。 IN1为调制信号输入端,由 L4、 C8、 C7、 C9、 C5和振荡管组成 LC 调制电路。三、实验内容1、 LC 调频电路实验(1连接 J82、 J84组成 LC 调频电路。(2 接

12、通电源调节 W81, 在变容二极管 D81负端用万用表测试电压, 使变容二极管的 反向偏压为 2.5V 。(3用示波器和频率计在 TT82处观察振荡波形,调节 L84,使振荡频率为 10.7MHz 。 (4从 IN81处输入 1KHz 的正弦信号作为调制信号(信号由低频信号源提供 , 参考低 频信号源的使用。 信号大小由零慢慢增大, 用示波器在 TT82处观察振荡波形变化 , 如果有频 谱仪则可以用频谱仪观察调制频偏 ,此时能观测到一条正弦带。如果用方波调制则在示波 器上可看到两条正弦波,这两条正弦波之间的相差随调制信号大小而变。 (5分别接 J81、 J83重做实验 4。 1. C jx VxR曲线与 f x V xR曲线 1. K f =vf=5. 289 . 8-56.10=0.6682. 频偏与直流反偏压的关系当直流反偏压电压较小时,频偏较大, 反之,频偏较小,达不到要求, 一般选在 C j V R曲线线性较好,且 Sc较大区段的中间位置。3. 频偏与调制信号频率的关系频偏与调制信号的中心频率有关,调制信号的控制作用越强,频偏越大。七、心得体会通过本次实验, 我初步了解了变容二极管