高频电子线路实验报告变容二极管调频

太原理工大学现代科技学院高频电子线路课程实验报告

专业班级测控1001班

学号

姓名

指导教师

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Cj ～V 特性曲线；

3、学会测量调频信号的频偏及调制灵敏度。

二、实验仪器

1、双踪示波器一台

2、频率特性扫频仪（选项）一台

三、实验原理与线路

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 Ω=ΩΩcos υ ，载波振荡电压为：()t A t a o o ωcos = 根据定义，调频时载波的瞬时频率()t ω随()t Ωυ成线性变化，即 ()t t V K t o f o Ω∆+=Ω+=Ωcos cos ωωωω （6-1） 则调频波的数字表达式如下： ()⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛

ΩΩ+=Ωt V K t A t a f o o f sin cos ω 或 ()()

t m t A t a f o o f Ω+=sin cos ω （6-2） 式中：Ω=∆V K f ω 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Kf 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 ∆=∆=Ω=Ωω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

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： j N C C C += （6-3） 振荡频率为：)(21

21

j N C C L LC f +==ππ （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 υυ++=Ω 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 υ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Ωj C （在教材中称0C ）。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 υ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 υ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 Ω+=cos υ （6-5） 由图6—2（c ）可见：变容二极的电容随υR 变化。 即： t C C C m jQ j Ω-=cos （6-6） 由公式（3）可得出此时振荡回路的总电容为 t C C C C C C m jQ N j N Ω-+=+='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 Ω-=∆=+-'=∆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 C f f ∆•≈∆210 （6-8） 式中0f ，是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 L f +=

π 将（6-7）式代入（6-8）式，可得：

t f t C C f t f m Ω∆=Ω=

∆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 Ω∆+=∆+=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) 回路总电容的变化量为 j C P C ∆≈∆2' （6-13）

图6-3 j C 部分接入回路

频偏： f P C C f P f m ∆=•≈∆2002')/(21 (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 υ曲线决定。从曲线中可见，对不同的R υ值，其曲线的斜率（跨导）υ∆∆=j C C S 各不相同。R υ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 υ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 C ～

R υ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 υ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 υ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 υ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 )(21

jx N x C C L f +=π （6-15）