高频实验八 变容二极管调频实验报告

实验八 变容二极管调频实验

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。

二、实验使用仪器

1．变容二极管调频振荡电路实验板 2．100MH 泰克双踪示波器 3. FLUKE 万用表 4. 高频信号源

三、实验基本原理与电路

1. 变容二极管调频原理

变容二极管的调频原理可用图8-1说明。变容二极管的电容C 和电感L 组成

LC 振荡器的谐振电路，其谐振频率近似为 LC

f π21=

。在变容二极管上加一

固定的反向直流偏压U 偏和调制电压U Ω（图ａ），则变容二极管的结电容C 将随调制信号U Ω的幅度变化而变化 ，通过二极管的变容特性（图ｂ）可以找出结电容C 随时间的变化曲线（图ｃ）。此电容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 Ω的幅度决定，可以表示为t C m Ωcos ，其中Ω为调制信号的频率。m C 是电容变化部分的幅度，则有

C ＝0C 十t C m Ωcos 将C 代入f 的公式，化简整理可得

f f t C C f f f m ∆+=Ω⋅-=00

00cos 2

1

式中 f ∆=021f -

t C C m

Ωcos 0

0f 是0=m C 时，由电感L 和固定电容0C 所决定的谐振频率，称为中心频率，

021LC f π=

。f ∆是频率的变化部分，而

21C C f m

是频率变化部分的幅值，称为频偏。式中的负号表示当回路电容增加时，频率是减小的。我们还可通过图8-1（C ）及图（D ）（L 固定，f 与C 成反比曲线）找出频率和时间的关系。比较图（a ）及图（e ），可见频率f 是随调制电压Ωu 的幅度变化而变化，从而实现了调频。

f f

图8-1 变容二极管调频原理

3. 变容二极管调频实验电路

变容二极管调频实验电路如图8-2。

图8-2 变容二极管调频实验电路

四、实验内容

1．变容二极管调频静态调制特性测试。

2．变容二极管调频动态调制特性测试。

3．变容二极管的Cj～V特性曲线的测量。

4. 用示波器观察调频信号的时域波形，并和幅度调制信号的时域波形相比较，分析异同和原因。

5. 频谱分析仪观察调频信号的频谱，并和幅度调制信号的频谱相比较，分析原因。

五、实验步骤及数据记录与分析

1．变容二极管调频静态调制特性测试

在实验箱主板上插上变容二极管调频实验电路模块。接通实验箱上电源开关，电源指标灯点亮。

断开J2，连接J1。调整电位器RW1，在测试点TP2测电压为+5V，即变容二极管的反向偏压为-5V。

连接J1，调整微调电容CV1，电位器RW2、RW3在TP3得到频率为10.7MHz的最大不失真正弦信号（频率由OUT端测试）。

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

f(MHz) 10.71 10.72 10.73 10.75 10.78 10.82 10.83

V

(V) 4.51 5.04 6.00 7.11 8.68 9.70 11.85

D

f(MHz) 10.85 10.87 10.94 10.99 11.04 11.09 11.14

（2）变容二极管调频动态调制特性测试

用低频信号发生器作为音频调制信号源，输出频率f =1kHz、峰-峰值V p-p=2V 左右（用示波器监测）的正弦波。

（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。

FM波的时域波形：

调频波在调制信号波峰呈现频率比较高，波谷处频率比较低，即反应在示波器上频率低处波形比较稀疏，频率高处波形比较密。但输出波形的幅度都是相等的。而调幅波则是频率相等但幅度不同的波形。

调幅波的时域波形：

（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，可以看到载波的边带在上下滚动，说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。FM波频谱：

把光标对准载频的上边带时，可以发现，频谱会在光标左右移动。光标卡在频谱点时竖的光标上会出现一道横线来标定该处频谱的幅值，而因为边带频谱上下滚动，所以在示波器上能够看到光标上出现不止一道横线的情况，是因为频谱晃动使得对于光标产生相对移动而带来该处幅值快速来回变化造成的。

调幅波频谱：（抑制载波的调幅波频谱）

（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。

增大调制信号幅度后，信号频谱的边带滚动得比之前剧烈。

从一个光标上出现的两道横线间距变大可以反映出滚动范围变大，因而带来光标位置上幅值迅速变化的幅度也变大。

继续进一步增大调制信号的幅度就能够出现边带频谱可以完全滚动到离光标一段距离再滚动回来。甚至不仅是边带滚动，载波也开始有些滚动。

(长线是光标，右侧是原本在光标上然后滚动出来的频谱)

产生这一现象的原因应该是由于结电容C的变化是由反偏电压决定的，偏压越大，则电容C的变化就越大，也即振荡频率的变化范围越大，即频偏f正比于输入信号幅度Ve。