变容二极管调频电路

摘要
调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。

调频电台的频带通常大约是200～250kHz，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30～8000Hz的范围内。

在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至30～15000Hz，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。

目前，变容二极管直接调频电路是目前应用最广泛的直接调频电路，它是利用变容二极管反向所呈现的可变电容特性实现调频的，具有工作频率高固有损耗小等特点。

现有的对于调频电路的研究与仿真主要集中在锁相环电路，变容二极管直接调频电路研究较少，对于变容二极管静态调制特性的研究更是几乎无人涉及。

变容二极管为特殊二极管的一种。

当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN（正负极）接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。

但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。

在变容二极管直接调频电路中，变容二极管作为一压控电容接入到谐振回路中，有所学的正弦波振荡器章节中，我们知道振荡器的振荡频率由谐振回路的谐振频率决定。

因此，当变容二极管的结电容随加到变容二极管上的电压变化时，由变容二极管的结电容和其他回路元件决定的谐振回路的谐振频率也就随之变化，若此时谐振回路的谐振频率与加到变容二极管上的调制信号呈线性关系，就完成了调频的功能，这也是变容二极管调频的原理。

关键词：LC振荡电路、变容二极管、调频
1.设计要求
（1）主振频率=8MHZ
（2）频率稳定度/≤0.0005/h
（3）主振级的输出电压
（4）最大频偏
（5）电源电压= 5V
2.电路原理分析
变容二极管为特殊二极管的一种。

当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN（正负极）接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。

但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。

变容二极管直接调频电路由于变容二极管的电容变化范围大，因而工作频率变化就大，可以得到较大的频偏，且调制灵敏度高、固有损耗小、使用方便、构成的调频器电路简单。

在变容二极管直接调频电路中，变容二极管作为一压控电容接入到谐振回路中，有所学的正弦波振荡器章节中，我们知道振荡器的振荡频率由谐振回路的谐振频率决定。

因此，党变容二极管的结电容随加到变容二极管上的电压变化时，由变容二极管的结电容和其他回路元件决定的谐振回路的谐振频率也就随之变化，若此时谐振回路的谐振频率与加到变容二极管上的调制信号呈线性关系，就完成了调频的功能，这也是变容二极管调频的原理。

3.电路设计
3.1 主振电路设计
本文中所用电路采用常见的电容三点式振荡电路实现LC振荡，简便易行。

式中，L为LC振荡电路的总电感量，C为振荡电路中的总电容，主要取决于C3、C7、C8、Cc1及变容二极管反偏时的结电容Cj。

，变容二极管电容Cj作为组成LC振荡电路的一部分，电容值会随加在其而端的电压的变化而变化，从而达到变频的目的。

R4、R5、R6、R7和W2调节并设置电容三点式振荡器中T1管的静态工作点，R8、R9、R10调节并设置T2管的静态工作点，C7、C9、C10以及L4、
CC1、C8构成LC 振荡电路。

电容三点式振荡器电路等效电路如下图所示。

T33DG12C
C9100pF
C10330pF
L 1.2uH 6117
图1 电容三点式振荡器等效电路
3.2 谐振回路总电容
Cj
C Cj
C Ca C ++
=∑33 回路总电容变化量
j
2C p C ∆=∆∑
3.3调制电路设计
单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度，以Sf 表示，单位为 kHz/V ，即
Sf = △f m / V Ωm
V Ωm 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。

在频偏较小时，△fm 与△C ∑的关系可采用下面近似公式，即
∑
∑∆⋅-≈∆Q o m 21C C
f f
调制灵敏度
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
m
ΩQ o 2V C C f S f ∑
∑∆⋅=
大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。

改变CC1的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。

3.4 总电路设计
变容二极管调频电路主要是由主振电路和变容二极管直接调频电路构成，电路如图所示。

图2 未加入调制信号电路图
图3 未加入调制信号仿真波形
图4 加入调制信号电路
图5 加入调制信号仿真波形
4.电路元器件参数设置
4.1 LC 震荡电路直流参数设置
ICQ 一般为1～4mA 。

若ICQ 偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。

取I CQ1=2mA 。

取V CEQ1=（1/2）V CC =6V 。

可以求出R4+R5=3K Ω，取R4=2K Ω，R5=1K Ω；β=60，I BQ =β×I BQ ，为使减小IBQ 对偏执电阻的电位偏执效果的影响，取R6和R7上流过的电流IB>>IBQ ，取R6=15K Ω，R7=8.2K Ω，W2的可调最大阻值为20K 。

实验实际测得T1管Vc1=7.8V ，Vce1=5.6V ，Vbe=0.64V ，基本接近理论值。

4.2 变容管调频电路参数设置
由LC 震荡频率的计算公式可求出LC
f π210=
，若取C=()718C CC C Ca +=，
本次实验中可调电容CC1规格为5～120pF ，计算时取5pF ，C7=24pF 。

L4≈1.2μH 。

实验中可适当调整CC1的值。

电容C9、C10由反馈系数 F 及电路条件C7<<C9，C7<<C10 所决定，若取C9=100pF ，由2/1~8/1/32==C C F ，则取 C10=330 pF ，取耦合电容 C1=4.7μF ，C14=0.1uF 。

图1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
Cj
C C p +=
33
Cj
C Cj
C Ca C ++
=∑33
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。

取C3=30pF ，C82=330pF ，电位器W1规格为5K 。

R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压V Q ，电阻R3称为隔离电阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以减小调制信号V Ω对VQ 的影响。

取 R2=3.9k Ω ，隔离电阻R3=180k Ω，R1=20K Ω。

实际调试时，L1用1.2uH 代替，测得C3与L1之间节点对地电压为0.5V,较理论值偏小。

R1与R2之间节点对地电压为2.7V 。

4.3 T2管参数设置
对输出电路，为保证T2管正常工作，可取R8=8.2K ，R9=10K ，R10=1.5K ，实验实测得R8与R9间节点对地电压为6.4V,Ve2=5.69V,则Vbe2≈0.7V ，基本符合理论值。

取耦合电容C12=33pF ，C13=0.01uF
4.4 调制信号的幅度计算
为达到最大频偏△fm 的要求，调频信号的主振频率和最大频偏△fm ，可由下列关系式求出。

LC
f π210=
∑
∑
∆-=∆Q o
m 21C C f f
计算以上各式可得MHz f 945.200≈，△fm ≈±20KHz ，满足实验要求。

5.PCB 图
图6 原理图
图7 PCB图
6.元器件清单
名称规格数量备注
电阻20K,3.9K,180K,2K,1K,15K,
8.2K,10K,1.5K
8.2K 2个
其余各一个
电位器5K,20K 各一个
电容4.7UF,30PF,0.1UF,
330PF,5PF,24PF,
100PF,33PF,0.01UF
5-120PF
30PF二个；
0.01UF二个
其余电容各一个
4.7UF为耦合电容
5-120PF为可调电
容
电感 1.2UH 2 变容二极管BB910 1 三极管3DG6C 2
7.心得与体会
通过对变容二极管调频电路的设计与研究，我们不仅对变容二极管的调频原理有了更深刻的了解，还对调频电路的应用进行了一定的了解，调频电路在无线电通信中是非常重要的调制方式，应用非常广泛，特别是在数字调制中应用更广，频率调制简称调频，是指用调制信号去控制高频载波的频率，，使之随调制信号的规律变化，确切的讲，是使载波信号的频率随调制信号线性变化，而振幅保持不变。

这在示波器上能明显观察到双峰调频波。

变容二极管调频电路是直接调频电路的一种，主要是因为变容二极管直接调频电路简单、性能良好。

同时变容二极管的电容变化范围大，因而工作频率就达，可以得到较大的频偏，而且调制灵敏度高、固有损耗小，因而变容二极管直接调频电路时一种应用非常广泛的调频电路。

在课程设计的整个过程中，当我们明确了目的和要求后，电路就变得简单了，而且在图书馆和网上，我们查阅了大量的资料，最终确定了电路连接图，在仿真软件中我们对电路图进行了准确的仿真，保证了电路图的准确性，焊接过程是调试前的最主要的准备工作。

不过事实证明我们是成功的。

通过两周的课程设计，我认识到了知识与实践的重要性，只有牢记所学的专业知识，才会有清晰的设计思路，如果没有熟练地专业知识和技能，不单单在设计过程中会一筹莫展，将来步入社会了什么都不懂，这是大学生最忌讳的事情，当然细节决定成败，在课程设计过程中哪怕一个细节都会决定你的实验成功与否。

无论出现什么问题，只要你耐心的去面对和改进，你就会慢慢成功。

所以这次课程设计不仅仅让我明白了专业知识的重要性，更让我明白了理论与实际结合的重要性。

8.主要参考文献
【1】谢佳奎.电子线路（非线性部分）.北京：高等教育出版社，2002 【2】宋树祥.高频电子线路.北京：北京大学出版社，2007
【3】高吉祥.高频电子线路设计.北京：电子工业出版社，2007
【4】张肃文.高频电子线路.北京：高等教育出版社，2002
【5】曹兴雯.高频电子线路.北京：北京大学出版，2004
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