变容二极管调频实验

1、 8/8变容二极管调频实验 变容二极管调频实验和电容耦合相位鉴频 器实验 一 实验目的 1. 进一步学习掌握频率调制相关理论。 2. 掌握用变容二极管调频振荡器实现FM 的电路原理和方法。 3. 理解变容二极管静态调制特性、动态调制特性概念并掌握测试方法。 4. 进一步学习掌握频率解调相关理论。 5. 了解电容耦合回路相位鉴频器的工作原理。 6. 了解鉴频特性（S 形曲线的调试与测试方法）。 二、实验使用仪器 1变容二极管调频振荡电路实验板 2100MH 泰克双踪示波器 3. FLUKE 万用表 4. 高频信号源 5. 电容耦合相位鉴频器实验板 三、实验基本原理与电路 （一）变容二极管调频电路

2、 R4 R6 R5 R3 T1 C9 RW2 C7 C6 C4* C5* CV1 L C2* R8 R10 T2 C10 C13 C12 R11 LED +12 K D R2 R1 RW1 C1 R9 C8 R7 J2 C3* TP1 变容二极管调频 J1 RW3 IN1 OUT TP2 C11 A6-0808 电路原理： 晶体管T1构成了电容三点式振荡电路 ，其中电容C6,C7是正反馈电容，反馈系数等于6 67 +C F C C ，晶体管的基极接了一个电容C9到地，因此晶体管构成共基极组态的放大 电路。其中电阻RW2，R3，R4是基极的直流偏置电阻，电阻R53决定晶体管的集电极电压，电阻R6

3、决定晶体管的射极静态的直流电流Ie 。 电容满足675,C C C ，可变电容CV1和电感L 相并联，改变可变电容CV1,可改变振荡频率。电容C2也是一个小电容，当跳线J1连接上后，变容二极管D （型号为BB910）就接入振荡电路中，滑动变阻器RW1和电阻R1构成分压电路，为变容二极管D 提供直流反偏电压，改变滑动变阻器RW1抽头位置可以改变变容二极管D 的直流反偏电压。电阻R2是隔离电阻，通常取R2R1，在实验中可以取300K 以上。电容C3是已知电容值的固定电阻，当跳线J2连接上，跳线J1断开时，振荡回路的振荡频率固定，电容C3是为测量变容二极管的结电容提供帮助的。调制信号从IN1输入，电

4、容C1是输入隔直电容。电容C11是一个小电容，对高频振荡信号相当于短路，对低频调制信号相当于开路，从而保证低频调制信号可以加在变容二极管D 的两端，而振荡回路中的高频信号不会反射到低频调制信号输入端。 振荡信号从晶体管的射极引出，后一级晶体管构成共射极电压放大，起到隔离和缓冲的作用。 （二）电容耦合相位鉴频器电路 C1 R2 T C8 R5 LED1 +12 C7 R4 R8 R3 C3 C2 CV1 L1 C4 C5L2 CV2 CV3 D3 D4 R6 R7 C6 RW1 D2D1 R1 电容耦合相位鉴频 K TP2INT TP4 OUT TP1 TP3 A7-0808 本实验采用的是相位

5、鉴频器。相位鉴频器是利用回路的相位-频率特性来实现调频波变换为调幅调频波的。它是将调频信号的频率变化转换为两个电压之间的相位变化，再将这相位变化转换为对应的幅度变化，然后利用幅度检波器检出幅度的变化。 相位鉴频器由频相转换电路和鉴相器两部分组成。输入的调频信号经正、反向并联二极管D1、D2限幅之后，加到放大器T 的基极上。放大管的负载是频相转换电路，该电路 是通过电容C4，C5耦合的双调谐回路。初级和次级都调谐在中心频率MHz f 7.100=上。初级回路电压1U 直接加到次级回路中的串联电容C4、C5的中心点上，作为鉴相器的参考电压；同时，1U 又经电容C4，C5耦合到次级回路，作为鉴相器的

6、输入电压，即加在L2两端用2U 表示。由于电容C4，C5对于高频信号的容抗很小，可以近似看作短路，即电容C4，C5上没有压降，而假设CV2，CV3近似相等，则加在电容CV2两端的电压近似为2U /2，所以 加在二极管D3两端的电压为3D U =12/2U U +，加在二极管D4两端的电压为 4D U =12-/2U U ，要注意的是，电压1U ，2U 均为矢量，2U 是初级回路通过电容耦合到次 级回路两端的电压，两者之间有相位差。当输入信号的频偏在初次回路和次级回路的通频带 之间时，可以近似的认为1U ，2U 的幅度不变，但是随着输入调频信号瞬时频率的变化， 1U ，2U 之间的相位差在不断发

7、生变化。（2U 表达式的具体推导可参考高频电路教材的电感耦合 相位鉴频器一章，P435-438） 鉴相器采用两个并联二极管检波电路。假设二极管D3的检波电路和二极管D4的检波电路完全对称，两个检波电路的电压传输系数完全相等，检波后的输出信号为两个检波电路的输出电压差。即034D D U U U =- 当瞬时频率0f f =时, 2U 比1U 滞后90，但|3D U |4D U |，这时，鉴频器输出为零。当0f f 时, 2U 滞后于1U 的相角小于90，|3D U |4D U |，鉴频器的输出大于零。当0f f 时，2U 滞后于1U 的相角大于90，|3D U |4D U |，鉴频器的输出小于

8、零。相位鉴频器鉴频特性的线性较好，鉴频灵敏度也较高。 四、实验内容和数据分析处理 （一）变容二极管调频 1变容二极管调频静态调制特性测试 调整RW1，改变变容二极管两端的反向偏置电压V D ，测量变容二极管调频实验电路的输出频率，得到变容二极管调频静态调制特性。 表8-1变容二极管调频静态调制特性 V D (V) 1.5 2.5 3.5 4.5 5 5.5 f(MHz) 10.6463 10.6463 10.6844 10.7597 10.8675 10.8895 V D (V) 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5 f(MHz)10、9345 10.9707 11.0015 1

9、1.0266 11.0481 11.0649 根据上表中的数据利用matlab描点并拟合得到变容二极管调频静态调制特性曲线如下图 （2）变容二极管调频动态调制特性测试 （1）把音频调制信号加入到变容二极管调频实验电路模块IN1 端，在变容二极管调频实验电路模块OUT端上用示波器观察FM波的时域波形，并和调幅信号的时域波形相比较，观察之间的异同点。 调频波的时域波形是频率不断变化的正弦波，可以看到示波器上的波形在水平方向上不断震动，而调幅信号的时域波形是载波幅度按正弦规律变化的正弦波包络 （2）在变容二极管调频实验电路模块OUT端上用频谱分析仪观察FM波的频谱，在频谱 分析仪上首先找到载波，可以

10、看到载波的边带在上下滚动，明回路的振荡频率在随时间发生变化。并和调幅信号的频谱相比较，观察之间的异同点。 可以看到频谱分析仪上的载波的边带在上下滚动，表明输出的调频波信号频率在随时 间不断变化，而调幅波的频谱是保持不变的，说明调幅波载频是固定不变的 （3）增加调制信号的幅度，在频谱分析仪上观察调频信号频谱的变化，思考其原因。 当调制信号的幅度增加时，调频型号频谱的边带滚动变得更加剧烈，边带上移动的小 波幅度变得更大。 因为变容二极管的结电容C 随调制信号U 的幅度变化而变化，二极管的电容C 由两部分组成，一部分是0C ，由反向直流偏压U 偏决定，为固定值；另一部分是变化的电容，由调制电压U 的

11、幅度决定，可以表示为t C m cos ，m C 是电容变化部分的幅度，它的大小由调制电压U 的幅度决定。 C 0C 十t C m cos 将C 代入f 的公式，化简整理可得 f f t C C f f f m ?+=?-=00 00cos 2 1 式中 f ?=021 f - t C C m cos 0 所以当调制信号的幅度增加时，变容二极管的电容变化幅度m C 变大，频偏f ?的幅度变大，载波边带滚动变得剧烈 （4）增加调制信号的频率，在频谱分析仪上观察调频信号频谱的变化，思考其原因。 增加调制信号的频率调频信号频谱上的边带滚动变得更加密集滚动速度也变得更快。 因为变容二极管电容的变化部分

12、另一部分由调制电压决定，可以表示为t C m cos ，其中为调制信号的频率。m C 是电容变化部分的幅度，又频偏f ?=021 f -t C C m cos 0 所以当调制信号的频率增加时频偏的变化频率变大 分析：频偏 f ?=021 f - t C C m cos 0 当调制信号的幅度增加时，m C 变大，频偏f ?的幅度变大， 当调制信号的频率增加时，变大，频偏f ?的变化频率变大 （3）变容二极管的j r C u -特性曲线的测量 测得N f =11.313MHz 1 2N N f LC = 测得K f =10.3271MHz 231 2(/) K N f L C C C = + 22

13、32/(1)N N K f C C C f =- C2=27pF ，C3=50pF ， 计算得N C =385pF 调节滑动变阻器RW1，给变容二极管提供不同的直流反偏电压，让直流反偏电压从1.5V 开始增加到10.5V ，每次增加0.5V ，分别测量此时的振荡频率，记为X f 。 V D (V) 1.5 2 2.5 3 3.5 f (MHz) 10.6384 10.6581 10.6771 10.7040 10.7541 V D (V) 4 4. 5 5 5.5 6 f (MHz) 10.7943 10.8280 10.8590 10.8842 10.9083 V D (V) 6.5 7 7

14、.5 8 8.5 f (MHz) 10.9293 10.9508 10.9673 10.9821 10.9964 V D (V) 9 9.5 10 10.5 f (MHz) 11.0104 11.0225 11.0342 11.0454 21 2(/) X N jX f L C C C = + 其中jX C 表示变容二极管在不同的直流反偏电压下的 静态电容。可以计算得到：222/(1)N jX N X f C C C f =-，最后计算出一组在不同的直流反偏电 压r u 下的jX C 。将对应的一组r u 和jX C 绘制成j r C u -曲线。如下图 （二）电容耦合相位鉴频 1调频-鉴频过

15、程观察 1）.观察当在变容二极管调频器模块上增大调制信号幅度，则鉴频器输出信号幅度的变化，并记录。 Vin(V) 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Vout(V) 1.14 1.3 1.42 1.56 1.7 1.82 2）观察当在变容二极管调频器模块上增大调制信号频率，则鉴频器输出信号幅度的变 化，并记录。 f(kHz) 1 2 3 4 5 6 V(V) 1.14 0.840 0.592 0.464 0.384 0.320 3）观察当在变容二极管调频器模块上增大调制信号频率，则鉴频器输出信号频率的变化，并记录。 f(kHz) 1 2 3 fout(kHz) 1 2 3 分析：鉴频器输出信号

16、频率随调制信号的频率的变化而变化，且鉴频器输出信号频率在变容二极管调频器和鉴频器的工作范围内始终等于调制信号的频率 2.鉴频特性（S形曲线）观察和测量 用高频信号源产生一个高频载波，频率为10.7M，并微调其频率使得鉴频器输出直流电压幅度为0，此时确定了S形曲线的中心点。然后逐渐增加高频载波的频率，每次增加10KHZ，鉴频器输出的直流电压的幅度会逐渐增加，记录此时的输出直流电压幅度V，然后逐渐降低高频载波的频率，每次减少10KHZ，鉴频器输出的直流电压的幅度会逐渐减小，记录此时的输出直流电压幅度V。 f= 10.698MHz时输出电压为0 调节使得在中心频率 -210 -200 -190 -1

17、80 -170 f?（kHz) U(v) -1.56 -1.54 -1.52 -1.49 -1.47 -160 -150 -140 -130 -120 f?（kHz) U(v) -1.43 -1.39 -1.35 -1.3 -1.24 -110 -100 -90 -80 -70 f?（kHz) U(v) -1.18 -1.11 -1.04 -0.955 -0.867 -60 -50 -40 -30 -20 f?（kHz) U(v) -0.769 -0.663 -0.55 -0.431 -0.305 -10 0 10 20 30 f?（kHz) U(v) -0.167 0 0.159 0.34 0.5 40 50 60 70