第18讲高频直接调频电路.ppt

第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调旧版：第7.27.3章 调频方法与调频电路6.2 调制器1第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调间接调频：间接调频：对调制信号先积分后调相对调制信号先积分后调相 (fC 较稳定，但是频偏小较稳定，但是频偏小 )直接调频：直接调频：对振荡器直接进行频率调制对振荡器直接进行频率调制 (可获大频偏，但可获大频偏，但 fC 不稳定不稳定 )请一班请一班5 5位同学位同学:实现实现图图6-156-15电路仿真电路仿真请二班请二班5 5位同学位同学:实现（旧版）实现（旧版）图图7-167-16电路仿真电路仿真请三班请三班5 5位同学位同学:实现实现图图6-29a6-29a电路仿真电路仿真请四班请四班5 5位同学位同学:实现实现图图6-29b6-29b电路仿真电路仿真请五班请五班5 5位同学位同学:实现实现图图6-276-27电路仿真电路仿真2第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调 压控振荡器的振荡频率随调制信号线性变压控振荡器的振荡频率随调制信号线性变化化，压控振荡器的中心频率即为载波频率，压控振荡器的中心频率即为载波频率。若被控制的是若被控制的是LCLC振荡器振荡器,则则只需控制振荡回只需控制振荡回路的某个元件路的某个元件(L(L或或C),C),使其参数随调制电压变化使其参数随调制电压变化,就可达到直接调频的目的。就可达到直接调频的目的。直接调频法直接调频法3第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调1.1.调制特性调制特性 要线性要线性调频电路输出电调频电路输出电压的频率偏移与压的频率偏移与调制电压的关系调制电压的关系（fV ）一一.调频电路的指标：调频电路的指标：4第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调4.4.相对相对频偏频偏 1%大频偏大频偏 1%小频偏小频偏3.3.中心频率中心频率 (载波频率载波频率 )要稳定要稳定2.2.调制灵敏度：调制灵敏度：)V/Hz(WD=vfKf5第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调PN结的电容效应结的电容效应电容效应包括两部分电容效应包括两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容(a)PN 结加结加正向电压正向电压（b)PN 结加结加反向电压反向电压-N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+-UV6第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调应满足：应满足：|V VQ Q|V V m mC C1 1 隔直作用隔直作用C C2 2 高频滤波电容高频滤波电容L L1 1 高频扼流圈高频扼流圈变容二极管直接调频电路利用结电容受反向外加电压控制而变化来实现调频。利用结电容受反向外加电压控制而变化来实现调频。7第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调加在变容管上的电压加在变容管上的电压8第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调图图7-7-13 变容二极管作为回路总电容的直接调频电路变容二极管作为回路总电容的直接调频电路9第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调140MHz的变容管直接调频电路的变容管直接调频电路 150pF10第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调L L1 1与变容管与变容管CjCj构成振荡回路并与晶体管构成振荡回路并与晶体管Q1Q1接成电感三点式接成电感三点式 振荡电路。振荡电路。变容管的直流电压偏置从正电源稳压电路中通过两个变容管的直流电压偏置从正电源稳压电路中通过两个470470W W 电位器取出一部分提供，作为电位器取出一部分提供，作为V VQ Q。调制信号通过调制信号通过1.7mH1.7mH的高频扼流圈的高频扼流圈L L2 2和两个和两个150pF150pF电容电容 C1C1、C2C2接成的接成的p p型滤波网络加到变容管上。型滤波网络加到变容管上。11第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调两个对接的变容二极管部分接入的直接调频电路两个对接的变容二极管部分接入的直接调频电路 （1 1）两个变容二极管串联后的总电容）两个变容二极管串联后的总电容（2 2）两两变变容容二二极极管管反反向向串串联联，对对高高频频信信号号而而言言，加加到到两两管管的的高高频频电电压压降降低低一一半半，可可减减弱弱高高频频电电压压对对结结电电压压的的影影响响，另另外外在在高高频频电电压压的的任任一一半半周周内内，一一个个变变容容管管寄寄生生电电容容增增大大，而而另另一一个个减少，从而消弱寄生调制。减少，从而消弱寄生调制。12第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调 图示是一个电容式话筒调频发射机实例。图示是一个电容式话筒调频发射机实例。电容话筒在声波作用下，内部的金属薄膜产生振动，会电容话筒在声波作用下，内部的金属薄膜产生振动，会引起薄膜与另一电极之间电容量的变化。如果把电容式话筒引起薄膜与另一电极之间电容量的变化。如果把电容式话筒直接接到振荡器的谐振回路中，作为回路电抗就可构成调频直接接到振荡器的谐振回路中，作为回路电抗就可构成调频电路。电路。13第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调 电电容容式式话话筒筒振振荡荡器器是是电电容容三三点点式式电电路路，它它利利用用了了晶晶体体管管的的极极间间电电容容。电电容容话话筒筒直直接接并并联联在在振振荡荡 回回 路路 两两 端端，用用 声声波直接进行调频。波直接进行调频。图图（b b）是是电电容容式式话话筒筒的的原原理理图图，金金属属膜膜片片与与金金属属板板之之间间形形成成电电容容，声声音音使使膜膜片片振振动动，两两片片间间距距随随声声音音强强弱弱而而变变化化，因因而而电电容容量量也也随随声声音音强强弱弱而而变变化化。在在正正常常声声压压下下，电电容量变化较小，为获得足够的频偏应选择较高的载频。容量变化较小，为获得足够的频偏应选择较高的载频。14第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调 这种调频发射机载频约在几十兆赫兹到几百兆赫兹之这种调频发射机载频约在几十兆赫兹到几百兆赫兹之间。间。耳语时，频偏约有耳语时，频偏约有2kHz2kHz；大声说话时，频偏约大声说话时，频偏约40kHz40kHz左右；左右；高声呼喊时，频偏可达高声呼喊时，频偏可达75kHz75kHz。这种电路没有音频放大器所造成的非线性失真，易于这种电路没有音频放大器所造成的非线性失真，易于获得较好的音质。这种调频发射机只有一级振荡器，输出获得较好的音质。这种调频发射机只有一级振荡器，输出功率小，频率稳定度差，但体积小，重量轻。功率小，频率稳定度差，但体积小，重量轻。15第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调Cj+Cj0 反向电压反向电压v =0 时的结电容时的结电容VD PN结内建电位差结内建电位差(很小很小)电容的变化指数电容的变化指数 变容二极管直接调频原理分析Cjv 16第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调CjQ当调制信号为：当调制信号为：=gWgW+)cos1()(0tVVVVVVCQDmDQDjCjv 结电容的调制度结电容的调制度M17第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调结电容的调制度结电容的调制度静态结电容动态结电容18第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调瞬时振荡角频率为瞬时振荡角频率为:19第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调线性调制线性调制调制特性分析调制特性分析最大频偏最大频偏20第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调调制特性分析调制特性分析利用函数展开幂级数利用函数展开幂级数21第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调最大角频偏最大角频偏中心频率偏移中心频率偏移调制灵敏度调制灵敏度22第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调例例 调频振荡回路有电感调频振荡回路有电感L L和变容二极管组成。和变容二极管组成。L=2mH,变容二极管的参数为变容二极管的参数为：(1)(1)载波载波fc(2)(2)由调制信号引起的载波漂移由调制信号引起的载波漂移fc(3)(3)最大频偏最大频偏fm(4)(4)调频系数调频系数kf(5)(5)二阶失真系数二阶失真系数23第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调解解24第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调25第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调26第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调C3为高频滤波电容变容管部分接入振荡回路变容管部分接入振荡回路27第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调动态结电容 C1、C2 的引入，使的引入，使Cj 对对回路总电容的影响减小，从而回路总电容的影响减小，从而 c c 的稳定性提高的稳定性提高28第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调C30.002uF20pF调频波输出调频波输出 2例：对图例：对图6-15所示的变容管直接调频电路。所示的变容管直接调频电路。1.说明电路中各元件的作用；说明电路中各元件的作用；2.画出该调频振荡器的高频通路、变容管的直流通路和音频通路。画出该调频振荡器的高频通路、变容管的直流通路和音频通路。3.若已知若已知u(t)=Umcos(2104t)(V)，变容管结电容，变容管结电容Cj=80(UQ+u)0.5(pF),调频指数调频指数mf=5，当，当u=0时的振荡频率为时的振荡频率为fc=90MHz，试求变容管所需的直流偏置电压，试求变容管所需的直流偏置电压UQ，调频波的最大频，调频波的最大频偏偏fm以及调制信号的振幅以及调制信号的振幅Um。29第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调(1 1)R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4为晶体管提供直流偏置和直流通路，为晶体管提供直流偏置和直流通路，R R4 4、R R5 5、R R6 6、R R7 7为变容管提供直流反偏置和直流通路；为变容管提供直流反偏置和直流通路；1000pF1000pF，0.0010.001m mF F、0.0020.002m mF F均为高频旁路电容，即高频交流通路；均为高频旁路电容，即高频交流通路；4747m mH H为高频扼流图，对高频近似开路，对直流、低频近似短路；为高频扼流图，对高频近似开路，对直流、低频近似短路；47 47 m mF F为隔直电容，对低频近似短路；为隔直电容，对低频近似短路；C C1 1、C C2 2、C C3 3、C C4 4、C C5 5、C Cj j和电感和电感L L1 1与晶体管与晶体管Q1Q1构成电容三点式振荡器；构成电容三点式振荡器；L L1 1、L L2 2互感耦合输出互感耦合输出v vFMFM。C30.002uF20pF调频波输出调频波输出 2解解30第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调(2)高频通路 31第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调(3)32第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调33第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调34第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调3.3.晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路 在要求调频波在要求调频波中心频率稳定度高中心频率稳定度高，而，而频偏较小频偏较小的场合，的场合，可采用变容二极管可采用变容二极管+晶体直接调频电路。晶体直接调频电路。35第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，故只能工作于晶体的串联谐振故只能工作于晶体的串联谐振频率频率f q与并联谐振频率与并联谐振频率f p之间之间，而，而f q与与 f p之间的频率变化范围只有之间的频率变化范围只有量级，再加上量级，再加上Cj的串联，晶体的的串联，晶体的可调振荡频率更窄可调振荡频率更窄。扩大频偏的方法有两种：扩大频偏的方法有两种：晶体支路中串接小电感；晶体支路中串接小电感；利用利用型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感 性的工作频率范围。性的工作频率范围。36第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调4.4.集成电路集成电路MC283337第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调4.4.集成电路集成电路MC2833MC2833是单片调频发射集成电路是单片调频发射集成电路 38第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调39第十第十八讲讲 直接调制器电路直接调制器电路5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调fi(t)晶晶振振 PD PD LF LFVCOfo(t)调调 频频波波f(t)调制信号调制信号+5.用锁相实现调频用锁相实现调频能够得到中心频率高度稳定的调频信号能够得到中心频率高度稳定的调频信号 当调制信号为锯齿波时，可输出扫频信号。当调制信号当调制信号为锯齿波时，可输出扫频信号。当调制信号为数字脉冲时，可产生移频键控调制（为数字脉冲时，可产生移频键控调制（FSKFSK信号）信号）调制信号作为调制信号作为VCOVCO控制电压的一部分使其频率产生相应控制电压的一部分使其频率产生相应的变化，由此在输出端得到已调频信号。的变化，由此在输出端得到已调频信号。40第十第十八讲讲 FM调制器调制器5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调间接调频法间接调频法高稳定度高稳定度载波振荡器载波振荡器 相位相位调制器调制器积分积分 电路电路多级倍频多级倍频和混频器和混频器宽带宽带 窄带窄带 采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个对这个稳定的载频信号进行调相稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得到中心频率稳定，这样一来就可得到中心频率稳定度高的调频信号。度高的调频信号。41第十第十八讲讲 FM调制器调制器5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调42第十第十八讲讲 FM调制器调制器5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调高稳定度高稳定度载载 波波 振振 荡荡器器 相位相位调制器调制器积分积分 电路电路多级倍频多级倍频和混频器和混频器宽带宽带 窄带窄带 在在间间接接调调频频时时，要要获获得得线线性性调调频频必必需需以以线线性性调调相相为为基基础础。但但在在实实现现线线性性调调相相时时，要要求求最最大大瞬瞬时时相相位位偏偏移移m30，因因而线性调相的范围很窄。而线性调相的范围很窄。因因此此，转转换换成成的的调调频频波波的的最最大大频频偏偏 fm很很小小，即即：mf1，这是间接调频法的主要缺点。，这是间接调频法的主要缺点。但但最最大大频频偏偏小小的的缺缺点点可可以以通通过过多多级级倍倍频频器器后后获获得得符符合合要要求求的的调调频频频频偏偏，另另外外采采用用混混频频器器变变换换频频率率可可以以得得到到符符合合要要求求的调频波工作范围。的调频波工作范围。43第十第十八讲讲 FM调制器调制器5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调R1R2R3R4C1C2C3C4CjL载波输入载波输入间接调频的关键电路是间接调频的关键电路是调相器调相器.高稳定度高稳定度 振荡器振荡器 调相器调相器 积分器积分器 如如果果忽忽略略二二次次方方以以上上各各项项，可可得回路的谐振频率为得回路的谐振频率为：将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。二极管调相电路。CjLUQ=9V载波输入载波输入调相波调相波 输出输出回路的频率偏移为：回路的频率偏移为：在在高高Q值值及及谐谐振振回回路路失失谐谐不不大大的的情情况况下下，并并联联LC谐振回路电压和电流间的相位关系为：谐振回路电压和电流间的相位关系为：调相波调相波 输出输出载波输入载波输入44第十第十八讲讲 FM调制器调制器5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调调相波调相波 输出输出Oo幅频特性幅频特性/6-/6 当当 /6(或或30o)时，时，tan 可得可得:表明表明:单级单级LC谐振回路在满足谐振回路在满足 /6（30o）的条件下，回路的条件下，回路输出电压的相移是与输入调制电压输出电压的相移是与输入调制电压u(t)成线性关系的。成线性关系的。如如果果将将调调制制电电压压u u(t t)先先积积分分后后再再加加在在变变容容二二极极管管上上，则则单单级级LCLC谐谐振振回回路路输输出出电电压压的的瞬瞬时时频频率率(t)(t)就就与与输输入入调调制制电电压压u u(t t)成成线线性性关关系系，即即可可实实现现对对调调制制电电压压u u(t t)的的间间接调频。接调频。45第十第十八讲讲 FM调制器调制器5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调图图7-24.7-24.实用变容二极管调相电路实用变容二极管调相电路 由由晶晶体体管管组组成成单单LCLC回回路路调调谐谐放放大大电电路路，电电感感L L、电电容容C C1 1、C C2 2与与变变容容管管C Cj j组成并联谐振回路；组成并联谐振回路；C C3 3、C C4 4、C C5 5为耦合电容；为耦合电容；L LZ Z为高频扼流圈，以防高频载波被调制信号为高频扼流圈，以防高频载波被调制信号源旁路源旁路;R R5 5、R R6 6对电源对电源E EC C分压后为变容二极管提供静态偏置电压分压后为变容二极管提供静态偏置电压U UQ Q。放大的载波信号经放大的载波信号经C C3 3耦合输入，调制信号经耦合输入，调制信号经C C5 5耦合输入，调相信号耦合输入，调相信号经经C C4 4耦合输出。如果将调制电压耦合输出。如果将调制电压u u(t t)先积分后再输入，那么从先积分后再输入，那么从C C4 4耦合输耦合输出的信号就是对调制电压出的信号就是对调制电压u u(t t)的间接调频波。的间接调频波。载波输入载波输入 uFM(t)R5R1R3R4R3CbC1CjC3C2C4C5LLZECR6Ce+UQ-46第十第十八讲讲 FM调制器调制器5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调 注意图中注意图中470k470k和三个和三个0.002F0.002F的并联电容组成的电的并联电容组成的电路满足积分器的条件，因此加到三个变容二极管上的电路满足积分器的条件，因此加到三个变容二极管上的电压为调制电压的积分，所以该电路的输出是调频信号，压为调制电压的积分，所以该电路的输出是调频信号，实现了间接调频的目的。实现了间接调频的目的。图示为三级单回路变容二极管调相电路。这样使该电图示为三级单回路变容二极管调相电路。这样使该电路总的相移近似三个回路的相移之和，为路总的相移近似三个回路的相移之和，为 47第十第十八讲讲 FM调制器调制器5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调2.2.改善频偏的方法改善频偏的方法 最大线性频偏最大线性频偏是频率调制器的主要质量指标。在实际调是频率调制器的主要质量指标。在实际调频设备中，需要的最大线性频偏往往不是简单的调频电路能频设备中，需要的最大线性频偏往往不是简单的调频电路能够达到的，因此，如何扩展最大线性频偏是设计调频设备的够达到的，因此，如何扩展最大线性频偏是设计调频设备的一个关键问题。一个关键问题。则当该调频波通过倍频次数为则当该调频波通过倍频次数为n n的倍频器时，它的瞬时的倍频器时，它的瞬时角频率将增大角频率将增大n n倍，变为倍，变为 可见，倍频器可以不失真的将调频波的载波角频率和最可见，倍频器可以不失真的将调频波的载波角频率和最大角频偏同时增大大角频偏同时增大n n倍。倍。一个调频波，若设它的瞬时振荡角频率为一个调频波，若设它的瞬时振荡角频率为 48第十第十八讲讲 FM调制器调制器5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调 如果将该调频波通过混频器，则由于混频器具有频率加减的如果将该调频波通过混频器，则由于混频器具有频率加减的功能，因而，可以使调频波的中心角频率降低或者增高，但不功能，因而，可以使调频波的中心角频率降低或者增高，但不会引起最大角频偏变化。会引起最大角频偏变化。可见，混频器可以在保持调频波最大角频偏不变的条件下增可见，混频器可以在保持调频波最大角频偏不变的条件下增高或降低中心角频率，换句话说，高或降低中心角频率，换句话说，混频器可以不失真的改变调混频器可以不失真的改变调频波的相对角频偏。频波的相对角频偏。换句话说，换句话说，倍频器可以在保持调频波的相对角频偏不变倍频器可以在保持调频波的相对角频偏不变的条件下成倍的扩展其最大角频偏。的条件下成倍的扩展其最大角频偏。49第十第十八讲讲 FM调制器调制器5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调50第十第十八讲讲 FM调制器调制器5/25/2024 3:32 AM第6章 角度调制与解调作业作业:(新版新版:P249):P249)6-5(1)6-5(1)6-6 6-6 6-7(1)(2)6-7(1)(2)6-9 6-951