高频第三次实验

高频第三次实验 变容二极管和相位鉴频器实验一实验目的1测量静态调制特性（v-f 曲线），测量调制灵敏度（v=-3）。

2观测分析调制波（调制信号1kHz ）3联调调频器频电路，使鉴频输出最大不失真，测量鉴频器灵敏度。

4联调无线发射接收电路，观测信号流程，测量主要观测点信号波形。

二实验原理（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 ∆=Ω∆=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 +==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 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 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，即振荡回图6-3 Cj 部分接入回路路的等效电路如图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：)/(11'0j j N C C C C C C +•+= (6-12)回路总电容的变化量为jC P C ∆≈∆2' (6-13)频偏:fP 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)(21jx N x C C L f +=π （6-15）NLC f π21=（6-16）图6-4 测量Cj ～VR 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 +=π (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 u f S Ω∆= (6-20)式中，mu Ω为调制信号的幅度（峰值）。

f ∆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∑∑∆•-≈∆QC C f f 210 (6-22) 将式（6-22）代入（6-20）中得mQ f U C C f S Ω∑∆•∑=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QC Q C 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Ωu 处的斜率C K KC 及式（6-23）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。

1.鉴频器概述鉴频器使输出电压和输入信号频率相对应的电路。

按用途可以分为两类：第一类用于调频信号的解调。

常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等。

对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。

第二类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。

对于这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求不高。

实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类，第一类是调频——调幅变换型。

第二类是相依乘法鉴频型，这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化呈线性关系，然后将调相调频波与原调频波进行相位比较，通过低通滤波器取出解调信号，因为相位比较器通常用乘法器组成，所以称为相移乘法鉴频；第三类是脉冲均值型。

2.鉴频器的主要参数3.2.1鉴频特性(曲线)指鉴频器的输出电压u0与输入电压瞬时频率f 或频偏Δf 之间的关系曲线。

理想鉴频特性曲线应是一条直线，但实际上往往有弯曲，呈S 形，如下图所示。

2.2鉴频器的主要参数1）鉴频器的中心频率f0鉴频器的中心频率f0对应于鉴频特性曲线原点处的频率。

通常，由于鉴频器中心与中频频率相同。

2）鉴频带宽Bm鉴频带宽Bm:是指鉴频器能够不失真地解调所允许输入信号频率变化的最大范围。

3）鉴频器的线性度鉴频器的线性度：是指鉴频特性曲线在鉴频带宽内的线性特性。

4）鉴频跨导SD鉴频跨导SD :是指鉴频器在载频处的斜率，它表示单位频偏所能产生的解调输出电压。

鉴频跨导又叫做鉴频灵敏度。

用公式表示为：跨导也可以理解为将输入频率转换为输出电压的能力或效率，因此又称为鉴频效率 3.鉴频方法 3.1直接鉴频法是直接从调频信号的频率中提取原来调制信号的方法。

主要有脉冲计数鉴频法。

(a )(b )co o D f f f du du S dfd f=∆===∆3.2间接鉴频法就是先对调频信号进行变换或处理，再从变换后的信号中提取原调制信 号的鉴频方法。

又可分为振幅鉴频法、相位鉴频法两大类。

本设计采用相位鉴频法，原理如下：相位鉴频器将输入的调频波UFM 做变换，变换成调相调频波UPM/FM,在与调频波UFM 叠加，在电路参数与信号参数匹配的情况下，得到幅度与调制信号呈线性关系的调幅调相调频波，最后经包络检波，解调出调制信号。