LC调频振荡器通信电子线路课程设计.doc

第1章 方案分析及其设计原理1.1调频电路的实现方法 调频电路的实现方法分为两大类：直接调频法和间接调频法。 1.1.1 直接调频法 用调制信号直接控制振荡器的振荡频率的方法称为直接调频法。如果受控振荡器是产生正弦波的 LC 振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。 可变电抗器件的种类很多，其中应用最广的是变容二极管。作为电压控制的可变电容元件，它有工作频率高、损耗小和使用方便等优点。具有铁氧体磁芯的电感线圈，可以作为电流控制的可变电感元件。此外，由场效应管或其它有源器件组成的电抗管电路，可以等效为可控电容或可控电感。 在直接调频法中振荡器和调制器合二为一。这种方法的优点是在实现线性调频的要求下，可以获得相对较大的频偏。它的主要缺点是会导致FM波的中心频率偏移，频率稳定度差，在许多场合对载频采取自动频率微调电路（AFC）来克服载频的偏移或者对晶体振荡器进行直接调频。 1.1.2. 间接调频法 先将调制信号进行积分处理，然后用它控制载波的瞬时相位变化，从而实现间接控制载波的瞬时频率变化的方法，称为间接调频法。 根据前述调频与调相波之间的关系可知，调频波可看成将调制信号积分后的调相波。 这样，调相输出的信号相对积分后的调制信号而言是调相波，但对原调制信号而言则为调频波。这种实现调相的电路独立于高频载波振荡器以外，所以这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳定性可以做得较高，但可能得到的最大频偏较小。 间接调频实现的原理框图如图 1-1所示。 图 1-1 借助于调相器得到调频波无论是直接调频，还是间接调频，其主要技术要求是：频偏尽量大，并且与调制信号保持良好的线性关系；中心频率的稳定性尽量高；寄生调幅尽量小；调制灵敏度尽量高。其中频偏增大与调制线性度之间是矛盾的。 根据题目要求，其频率稳定度/，最大频偏，由上面分析知：直接调频可获得较大线性频偏，但载频稳定度较差；间接调频方式载频稳定度较高，但获得的线性频偏较小。在这里我们采用直接调频法。1.2电路原理LC调频振荡器的工作流程如下：LC调频振荡器一般由LC正弦波振荡器与变容二极管调频电路两大部分组成。其中，LC正弦波振荡器用于产生一定频率的幅度和信号，无须外加输入信号的控制，就能自动将电能转换为所需要的交流能量输出；变容二极管调频电路用于实现对LC正弦波振荡器频率的调制，即调频。（说明：LC正弦波振荡器与变容二极管调频电路通过耦合电容相连）LC调频振荡器由LC调频振荡器、变容二极管调频电路两个部分组成，如图1-2所示。LC正弦波变容二极管调频电路振荡器调制信号耦合电容图1-2 直流稳压电源的方框图1.2.1 LC正弦波振荡器 LC正弦波振荡器的作用是产生高频正弦波。由此画出LC正弦波振荡器原理图如图(1-3)所示。图中晶体管T组成电容三点式振荡器的改进型电路即克拉泼电路，它被结为共基组态，为基极耦合电容，其静态工作点又,及决定，即 (1-1) (1-2) (1-3) (1-4)小功率振荡器的静态工作电流一般为1到4毫安，偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重,频率稳定性变差。L1、C1与C2、C3组成并联谐振回路，其中C3两端的电压构成振荡器的反馈电压,以满足相位平衡条件。比值C2/C3=F决定反馈电压的大小，当F=1时，振荡器满足相位平衡条件，电路起振条件为F1。为减少晶体管的极间电容对回路振荡频率的影响，C2、C3的取值要大。若选C1C2，C1C3,则回路振荡频率主要由C1决定，即 (1-5)若取C1为几十皮法，则C2、C3可取几百到几千皮法。反馈系数F一般取1/8到1/2。RB1RB2RCREVccCBC4C1C2C3L1T图1-3 LC正弦波振荡器原理图1.2.2变容二极管调频电路变容二极管调频电路由变容二极管及耦合电容组成,R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压 即=R2/(R1+R2) 。电阻R3称为隔离电阻，常取R3R2,R3R1，以减小调制信号对的影响。C5与高频扼流圈L2给提供通路，C6起高频滤波作用。变容二极管通过耦合电容部分接入振荡回路，有利于主振频率的稳定性，减小调制失真。图(1-4)所示的为变容二极管部分接入振荡回路的等效电路，接入系数及回路总电容分别为： (1-6) (1-7)式中，为变容二极管的结电容，它与外加电压的关系为： (1-8) 式中，为变容二极管加零偏压时的结电容；为变容管PN结内建电差（硅管=0.7V，锗管=0.3V）；变容二极管的电容变化指数，与频偏的大小有关（小频偏：选=1的变容二极管可近似实现线性调频，大频偏：必须选=2的超突变结变容二极管，才能实现较好的线性调频）；为变容管两端所加的反向电压，=+=+ 。变容二极管的Cj-v 特性曲线如图（1-5）示。其中，已知条件中2CC1D的性能参数如表（1-1）所示。设电路工作在线性调制状态，在静态工作点Q处，曲线的斜率为 (1-9) 图1-4变容二极管部分接入的等效电路图 图1-5 变容二极管的Cj-v特性曲线表1-1 变容二极管2CC1D的变容参数型号 最高反向电压 反向电流结电容 电容变化范围/pF零偏压品质因数Q电容温度系数/2CC1D25 1 20307012520300测试条件T=20=1A T=125=20A在相应的下反向 电压 =4V=0 =4Vf=5=10Vf=3.520512551.2.3 调制信号幅度的确定 调制灵敏度是指单位电压所引起的最大频偏，用表示，单位为,即 / (1-10)为调制信号的幅度；为变容管的结电容变化时引起的最大频偏。 回路总电容的变化量为 (1-11)在频偏较小时,与的关系可采用下面近似公式，即 (1-12) p- f ，-f 调制灵敏度 = (1-13)式中，为回路总电容的变化量；为静态时谐振回路的总电容，即 (1-14) C1- - f调制灵敏度可以由变容二极管Cj-v 特性曲线上处的斜率kc及式(1-13)计算。越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。 第2章 参数的确定及元件选择2.1 LC调频振荡器的选择及电路的确定2.1.1调频振荡器的选择 根据设计要求及技术指标，因为频率稳定度要求不是很高，故选用由晶体管组成的电容三点式的改进型电路克拉泼电路。2.1.2 电路的确定 由实验原理和设计要求确定电路如图2-1所示，图2-1设计原理图2.2 参数的确定2.2.1 LC正弦波振荡器的选择 1）由电路形式设置静态工作点 取振荡器的静态工作点=2mA, 4V，测得三极管的67。由式（1-3），可得： 因为 ， 则 为提高电路的稳定性，的值可适当增大，取=0.51k，则=2 k。由式（1-2）得 =1.02V取的电流=10=10/=（102）/67=0.29mA 则 = /= =(0.7V+1V)/0.29mA =5.86k 取6.2 k由式（1-1）得 即 =31.8 k 则可用27 k电阻与47 k电位器串联得到，以便调整静态工作点。 2） 计算主振回路元器件值由式（1-5）得 若取C1=100pF，则L1=6.2H。（可适当调整L1的圈数或C1的值） 电容C2、C3的反馈系数F及电路条件C1C2，C1C3所决定，若取C2=620PF,由反馈系数F=C2/C3= 1/81/2,则取C3=3300pF，取耦合电容Cb=0.01F. 2.2.2 变容二极管调频电路的选择1）设置变容管的静态工作点 已知条件给定的变容二极管的型号为2CC1D，由表（1-1）知，取变容二极管反向偏压=4V，由此知变容管的静态电容=60pF。 2）调频电路元器件值的确定根据 =R2/(R1+R2) 和已知=4V，=9V，取R2=39k,则R1=48.75k。（R1可用43k电阻与47k电位器串联，用以调整静态偏压） 隔离电阻R3应远大于R1，R2，取R3= 348k。 由式（1-2） 为减小振荡回路高频电压对变容管的影响， 应取小， 但 过小又会使频偏达不到指标要求。可以先取 ，然后在调试。当VQ=- 4V时，对应=60pF， 则 15pF低频调制信号的耦合支路电容C5及电感L2应对提供通路，一般的频率为几十赫兹到几千赫兹，在此取，故取 C5=4.7F，L2=47H(固定电 感)。高频旁路电容C6应对调制信号呈高阻，取C6=5100pF。 2.2.3 调制信号的幅度及调制灵敏度的计算为达到最大频偏 的要求，可求得调制信号的幅度由式（1-12） 得 静态时谐振回路的总电容则回路总电容的变化量 由式1-11知变容管的结电容的最大变化量=43.075pF由图1-3 Cj-v 曲线知变容管 2CC1D在VQ= 4V 处的斜率 10 由式(1-9) 得调制信号的幅度 =Cj / =4.3075 V由式(1-10)得调制灵敏度 为 / =50K/4.3075V =11.6K/V 第3章 电路调试与检测31主振频率的测试3.1.1仿真测试：LC振荡器的输出频率fo称为主振频率或载波频率。用数字频率计测量回路的谐振频率fo，高频电压表测量谐振电压vo，示波器监测振荡波形。测试电路如图3-1所示，测得频率为6.513，C点电压为5.383V,对比技术指标中心频率fo=6.5知符合技术要求指标，稳定后所得波形为高频正弦波，符合LC正弦波振荡器所得波形。所测结果分别如图3-2、3-3所示：图3-1 LC正弦波振荡器电路 图3-2 所测频率与电压大小 图3-3（a）LC正弦波起振到稳定波形的时域仿真波形图3-3(b)LC正弦波振荡器稳定时的时域仿真波形3.1.2 误差分析 1)误差计算Fo%=（6.513-6.500）100%/6.5=0.2%2)误差原因电路中所接测量仪器的影响，电路参数的可调性大。3.2LC调频振荡器电路的测量在LC正弦波振荡电路的基础上加变容二极管调频电路即可构成LC调频振荡电路。原理图如图3-4所示，用此电路测得的频率为6.62如图3-5所示，波形如图3-6所示： 图3-4 LC调频振荡电路图图3-5 LC调频振荡电路所测频率大小图3-6 LC调频振荡电路时域仿真波形3.3频率稳定度的测量主振频率fo的相对稳定性用频率稳定度/表示。对于调频电路不仅要满足频偏要求，而且振荡频率必须保持足够的频率稳定度。测量频率稳定度的方法是，在一定的时间范围（如1小时）内或温度范围内每隔几分钟读一个频率值，然后取其范围内的最大值max与最小值min，则频率稳定度 （3-1） 设计中采用克拉泼电路如图（3-1）所示，其频率稳定度较低，为（）/小时，对比课题中给出的频率稳定度为/知此电路符合要求。3.4 调试中注意事项由于调频振荡器的工作频率较高，晶体管的结电容、引起电感、分布电容及测量仪器对电路的性能影响均不能忽略。因此，在电路装调及测试时应尽量减少这些分布参数的影响。3.4.1 安装要点安装时应合理布局，减小分布参数的影响。电路元器件不要排得太松,引线尽量不要平行，否则会在元器件或引线之间产生一定的分布参数，引起寄生反馈。多级放大器应排成一条直线，尽量减小末级与前级之间的耦合。地线应尽可能粗，以减小分布电感引起的高频损耗，制印刷电路板时，地线的面积应尽量大。为减小电源内阻形成的寄生反馈，应采用滤波电容及滤波电感组成的型或型滤波电路，一般为几十微亨至几百微亨，为几百皮法至几十千皮法。3.4.2 测试点选择 正确选择测试点，减小仪器对被测电路的影响。在高频情况下，测量仪器的输入阻抗（包含电阻和电容）及连接电缆的分布参数都有可能影响被测电路的谐振频率及谐振回路的Q值，为尽量减小这种影响，应正确选择测试点，使仪器的输入阻抗远大于电路测试点的输出阻抗。对于图2-1所示电路，高频电压表接于C点，示波器接于E点，数字频率计接于A点，的值要小，以减小数字频率计的输入阻抗对谐振回路的影响。所有测量仪器如高频电压表、示波器、扫频仪、数字频率计等的地线及输入电缆的地线都要与被测电路的地线连接好，接线应尽量短。3.4.3 调试方法 一般高频电路的实验板应为印刷电路板，以保证元器件可靠焊接及连接导线固定，使电路的分布参数基本固定。高频电路的调试方法与低频电路的调试基本相同，也是先调整静态工作点，然后观测动态波形并测量电路的性能参数。所不同的是按照理论公式计算的电路参数与实际参数可能相差较大，电路的调试要复杂一些。 附 录附录A 元件清单三极管3DG6变容二极管2CC1D电容极性电容 ： C5=4.7F非极性电容：C1=100pF C2=560pFC3=3300pF C4=47pF C6=5600Pf=0.01f Cc=47pF电阻电位器： Rk1=Rk2=47K (两个)电阻： K =6.2 K =2 K =510 =43 K =39 K =348 K电感L1=6H L2=47H附录B 原理图和PCB图