直接调频电路.pptx

5.3 5.3 直接调频电路直接调频电路 5.3.1 5.3.1 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路一、变容二极管的特性一、变容二极管的特性变容二极管的符号和结电容变容二极管的符号和结电容 随外加偏压随外加偏压 变化的关系变化的关系如如图图5.3.15.3.1所示，其表达式为所示，其表达式为式中：式中：为加到变容管两端的电压；：为加到变容管两端的电压；：变容管的势垒电位差（锗管为：变容管的势垒电位差（锗管为0.2V0.2V，硅管，硅管 为为0.6V0.6V）；）；当加到变容管两端的电压当加到变容管两端的电压 时的结电容；时的结电容；n n：变容管的变容指数，与：变容管的变容指数，与PNPN结的结构有关，结的结构有关，其值为其值为 。为了保证变容管在调制信号电压变化范围内保持为了保证变容管在调制信号电压变化范围内保持反偏，必须外加反偏工作点电压反偏，必须外加反偏工作点电压 所以加在变容管所以加在变容管上的总电压为上的总电压为且且当当 时，时，式中式中 时变容管的结电容，即静态工作点处的结电容，时变容管的结电容，即静态工作点处的结电容，其中其中 为加在变容管两端的电压为加在变容管两端的电压 （即（即 ）表示结电容调制深度的调制指数。表示结电容调制深度的调制指数。图图5.3.25.3.2（a a）所示电路为）所示电路为LCLC正弦波振荡器中的正弦波振荡器中的谐振回路。谐振回路。二、变容二极管作为振荡回路总电容的直接调频二、变容二极管作为振荡回路总电容的直接调频电路电路 为高频扼流圈，对高频感抗很大，接近开路，为高频扼流圈，对高频感抗很大，接近开路，而对直流和调制频率则接近短路；而对直流和调制频率则接近短路；是高频滤波电容，对高频容抗很小接近短路，而是高频滤波电容，对高频容抗很小接近短路，而对调制频率的容抗很大，接近开路。对调制频率的容抗很大，接近开路。和和 为隔直流电容，作用是保证为隔直流电容，作用是保证 能有效地加能有效地加接近短路，而对调制频率接近开路。接近短路，而对调制频率接近开路。到变容管上，而不被到变容管上，而不被L L短路，因此要求短路，因此要求对高频对高频1 1、各元件的作用：各元件的作用：2 2、高频等效电路高频等效电路（b b）图所示为等效电路。）图所示为等效电路。为变容二极管的结电容。为变容二极管的结电容。3 3、变容二极管的控制电路变容二极管的控制电路图（图（c c）为变容二极管的控制电路。）为变容二极管的控制电路。结电容不结电容不 受振荡回路的影响。受振荡回路的影响。图5.3.2 变容二极管作为回路总电容的直接调频原理电路的作用使的作用使等效电容等效电容，在单频调制信号，在单频调制信号 的作用下的作用下4 4、调频原理分析、调频原理分析 由于振荡回路中仅包含一个电感由于振荡回路中仅包含一个电感L L和一个变容二极管和一个变容二极管回路振荡角频率，即调频特性方程为回路振荡角频率，即调频特性方程为 为为式中式中 时的振荡角频率，即调频电路时的振荡角频率，即调频电路中心角频率（载波角频率），其值由中心角频率（载波角频率），其值由 控制。控制。由上式可以看出，当变容二极管变容指数由上式可以看出，当变容二极管变容指数n=2n=2时时角频偏角频偏实现了线性调频实现了线性调频。当当 时，时，若若 足够小，足够小，称为归一化调制信号电压，则调频特性方程可以改写为：称为归一化调制信号电压，则调频特性方程可以改写为：令由于由于x1x1，式中三次方以上的项可以忽略，并将，式中三次方以上的项可以忽略，并将 代入，可近似为代入，可近似为 将上式展开为泰勒级数，得到将上式展开为泰勒级数，得到 最大线性角频偏最大线性角频偏 或相对最大线性角频偏或相对最大线性角频偏 调频灵敏度调频灵敏度 由该式可得到调频波的线性角频偏为：由该式可得到调频波的线性角频偏为：二次谐波失真分量的最大角频偏二次谐波失真分量的最大角频偏 中心频率偏离量中心频率偏离量 相应地，调频波的二次谐波失真系数为相应地，调频波的二次谐波失真系数为 中心角频率的相对偏离值中心角频率的相对偏离值 通过上面的分析知：当通过上面的分析知：当n n一定，即变容管选定后，相一定，即变容管选定后，相对最大线性角频偏对最大线性角频偏 与与m m成正比。增大成正比。增大可以增大可以增大 ，但同时也增大了非线性失真系数，但同时也增大了非线性失真系数 和中心角频和中心角频率的相对偏离值率的相对偏离值 。或者说，调频波能够达到的最大或者说，调频波能够达到的最大相对角频偏受非线相对角频偏受非线性失真和中心频率相对偏离值的限制。性失真和中心频率相对偏离值的限制。成正比是直接调频电路的一个重要特性。成正比是直接调频电路的一个重要特性。可以增大调频波可以增大调频波的最大角频偏的最大角频偏调频波的相对角频偏与调频波的相对角频偏与m m成正比，也即与成正比，也即与当当m m选定，即调频波的相对角频偏一定时，提高选定，即调频波的相对角频偏一定时，提高 在实际调频电路中，加在变容二极管上的电压不在实际调频电路中，加在变容二极管上的电压不仅有仅有 压，如图压，如图5.3.35.3.3中中虚线所示。高频电虚线所示。高频电压不仅影响振荡频压不仅影响振荡频率随调制电压率随调制电压 的变化规律，而且的变化规律，而且还影响振荡幅度还影响振荡幅度和频率稳定度等性能，和频率稳定度等性能，在实际电路中总是力在实际电路中总是力求减小加到变容管上求减小加到变容管上的高频电压。的高频电压。，还叠加有振荡器产生的高频振荡电，还叠加有振荡器产生的高频振荡电和图5.3.3 变容二极管结电容随高频 电压变化的特性 三、变容二极管作为振荡回路部分电容的直接调频电路三、变容二极管作为振荡回路部分电容的直接调频电路 为了提高直接调频电路中心频率的稳定性和调制线为了提高直接调频电路中心频率的稳定性和调制线性，在直接调频的性，在直接调频的LCLC正弦振荡电路中，一般都采用图正弦振荡电路中，一般都采用图5.3.45.3.4所示的变容管部分接入的振荡回路。图中回路总所示的变容管部分接入的振荡回路。图中回路总电容为电容为将式将式 代入，可以得到单频率调代入，可以得到单频率调制时，回路总电容随制时，回路总电容随 变化关系为变化关系为 相应的调频特性方程为相应的调频特性方程为 很明显，由于变容管仅是回路总电容的一部分，因很明显，由于变容管仅是回路总电容的一部分，因而调制信号对振荡频率的调变能力必将比变容管全部而调制信号对振荡频率的调变能力必将比变容管全部接入振荡回路时小，故实现线性调频，必须选用接入振荡回路时小，故实现线性调频，必须选用n n大于大于2 2的变容管，同时还应正确选择的变容管，同时还应正确选择C C1 1和和C C2 2的大小的大小。在实际电路中，一般在实际电路中，一般C C2 2取值较大，约几十皮法至几取值较大，约几十皮法至几百皮法，而百皮法，而C C1 1取值较小，约为几皮法至几十皮法。取值较小，约为几皮法至几十皮法。C C1 1和和C C2 2对调制特性的影响，如图对调制特性的影响，如图5.3.55.3.5所示。所示。图5.3.5 电容、对调频电路调制特性的影响 的接入主要改善低频区的调制特性曲线。如图（a）中曲线、所示。的接入主要改善高频区的调制特性曲线。如图（b）中曲线、所示。当当、确定后，根据调制特性方程可以求出变容管确定后，根据调制特性方程可以求出变容管部分接入时直接调频电路提供的最大角频偏为部分接入时直接调频电路提供的最大角频偏为式中式中其中其中 调频灵敏度调频灵敏度 调频灵敏度调频灵敏度 比变容管全部接入时的直接调频电路比变容管全部接入时的直接调频电路减小了减小了p p倍。倍。虽然调制灵敏度虽然调制灵敏度 和最大角频偏和最大角频偏 减小了减小了p p倍，倍，但因温度等因素的变化引起但因温度等因素的变化引起 不稳定而造成的载波频率不稳定而造成的载波频率的变化也同样减小到的变化也同样减小到1/p1/p，即载波频率的稳定性提高了，即载波频率的稳定性提高了p p倍。同时，加到变容管上的高频振荡电压振幅也相应减倍。同时，加到变容管上的高频振荡电压振幅也相应减小，这对于减小调制失真非常有利。小，这对于减小调制失真非常有利。四、电路实例分析四、电路实例分析 图5.3.6 140 MHz的变容管作回路总电容的直接调频电路 图图5.3.65.3.6（a a）是中心频率为）是中心频率为140 MHz140 MHz的变容管直的变容管直接调频电路，用在卫星通信地面站调频发射机中。接调频电路，用在卫星通信地面站调频发射机中。调频电路的高频通路、变容管的直流通路和音频控制电路分别如图(b)、(c)、(d)所示。注意：注意：画高频通路时，忽略了接在集电极上的画高频通路时，忽略了接在集电极上的7575小电阻。小电阻。画音频控制通路时，忽略了直流通路中的各个电阻。画音频控制通路时，忽略了直流通路中的各个电阻。由图由图(b)(b)高频通路知，这是一个变容二极管作回路总电高频通路知，这是一个变容二极管作回路总电容的直接调频电路。容的直接调频电路。图5.3.7所示是中心频率为90 MHz变容二极管部分接入的直接调频电路。图5.3.7 90 MHz的变容管作回路部分电容的直接调频电路 实际调频电路等效电路分析动画）实际调频电路等效电路分析动画）图5.3.8所示电路是某通信机中的变容二极管部分接入的直接调频电路。该电路的构成中有一个特点，它用了两个对接的变容二极管。图5.3.8 某通信机中的变容二极管部分接入的直接调频电路 图图5.3.9(a)5.3.9(a)是一个电容式话筒调频发射机实例。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，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。如果把电容式话筒直接接到振荡器的谐振回路中，作为回路电抗就可构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电路。成调频电路。图5.3.9 电容式话筒调频发射机 电容式话筒振荡器是电容式话筒振荡器是电容三点式电路，它利电容三点式电路，它利用了晶体管的极间电容。用了晶体管的极间电容。电容话筒直接并联在振电容话筒直接并联在振荡回路两端，用声波直荡回路两端，用声波直接进行调频。接进行调频。图图5.3.95.3.9（b b）是电容式话筒的原理图，金属膜片与金）是电容式话筒的原理图，金属膜片与金属板之间形成电容，声音使膜片振动，两片间距随声音强属板之间形成电容，声音使膜片振动，两片间距随声音强弱而变化，因而电容量也随声音强弱而变化。在正常声压弱而变化，因而电容量也随声音强弱而变化。在正常声压下，电容量变化较小，为获得足够的频偏应选择较高的载下，电容量变化较小，为获得足够的频偏应选择较高的载频。频。这种调频发射机载频约在几十兆赫兹到几百兆赫这种调频发射机载频约在几十兆赫兹到几百兆赫兹之间。耳语时，频偏约有兹之间。耳语时，频偏约有2kHz2kHz；大声说话时，频偏；大声说话时，频偏约约40kHz40kHz左右；高声呼喊时，频偏可达左右；高声呼喊时，频偏可达75kHz75kHz。这种电。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，输出功好的音质。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。率小，频率稳定度差，但体积小，重量轻。5.3.2 5.3.2 晶体振荡器直接调频晶体振荡器直接调频 为了进一步提高频率稳定度，可采用变容二极管晶为了进一步提高频率稳定度，可采用变容二极管晶体直接调频电路。体直接调频电路。图图5.3.105.3.10是由变容管晶体直接调频振荡电路组成的是由变容管晶体直接调频振荡电路组成的无线话筒发射机。无线话筒发射机。图5.3.10 变容二极管晶体直接调频振荡电路 图中晶体管图中晶体管T T2 2的集电极回路调谐在晶体振荡器的三的集电极回路调谐在晶体振荡器的三次谐波次谐波100MHz100MHz上，因此该回路在晶体振荡频率处可视上，因此该回路在晶体振荡频率处可视为短路。电路为并联型石英晶体振荡器。话音信号由为短路。电路为并联型石英晶体振荡器。话音信号由T1T1放大后加到变容管上实现了调频。由于达到平衡状放大后加到变容管上实现了调频。由于达到平衡状态时的振荡器工作于非线性状态，所以态时的振荡器工作于非线性状态，所以T2T2的集电极电的集电极电流中含有丰富的谐波，其三次谐波由集电极回路选中，流中含有丰富的谐波，其三次谐波由集电极回路选中，通过天线输出，完成了载频的三倍频功能，频偏也扩通过天线输出，完成了载频的三倍频功能，频偏也扩大了三倍。大了三倍。射极耦合的调频方波发生器，电路如图5.3.11，该电路产生调频方波信号。输出的对称方波电压的频率为 一、张弛振荡器直接调频电路一、张弛振荡器直接调频电路 1 1、原理电路原理电路5.3.35.3.3 张弛振荡器电路实现直接调频张弛振荡器电路实现直接调频当当 受调制电压受调制电压 的线性控制时，可以的线性控制时，可以得到不失真得到不失真的调射极的调射极耦合的调频方波发生器，耦合的调频方波发生器，该电路产生的输出调频该电路产生的输出调频方波信号波形如图方波信号波形如图5.3.125.3.12所示。输出对称所示。输出对称方波电压的频率为调频方波电压的频率为调频方波。方波。频率取决于电路中的充放电速度，若用调制信号去控制电频率取决于电路中的充放电速度，若用调制信号去控制电容的充放电电流，就可控制张弛振荡容的充放电电流，就可控制张弛振荡器的重复频率。器的重复频率。张弛振荡器的振荡张弛振荡器的振荡二、调频非正弦波转换为调频正弦波二、调频非正弦波转换为调频正弦波 1 1、傅立叶级数展开法傅立叶级数展开法 将非正弦调频波进行傅立叶级数展开后，再通过将非正弦调频波进行傅立叶级数展开后，再通过中心频率为中心频率为 的带通滤波器，即可取出中心频率为的带通滤波器，即可取出中心频率为 的正弦调频信号。的正弦调频信号。如图如图5.3.12c5.3.12c所示的调频方波。若设所示的调频方波。若设 表示角表示角频率为频率为的双向开关函数。的双向开关函数。按这种原理工作的直接调频电路有调频方波发生器，按这种原理工作的直接调频电路有调频方波发生器，调频三角波发生器等，相应产生的调频波形是调频方波、调频三角波发生器等，相应产生的调频波形是调频方波、三角波等。三角波等。因此单音调制的调频方波可表示为：因此单音调制的调频方波可表示为：现令现令则则可改写为可改写为 则由图可见，未调制的载波信号电压为：则由图可见，未调制的载波信号电压为：将将代入上式，可得调频方波的傅立叶代入上式，可得调频方波的傅立叶 上式表明，上式表明，单音调制的调频方波可以分解为无单音调制的调频方波可以分解为无数个调频正弦波之和，每个调频波的载波角频率为数个调频正弦波之和，每个调频波的载波角频率为 的奇数倍；相应的调频指数为的奇数倍；相应的调频指数为 的奇数倍。的奇数倍。级数展开式为：级数展开式为：可见，载波角频率越高的调频波，它的调频指数也可见，载波角频率越高的调频波，它的调频指数也越大，因此，占有的有效频谱宽度也就越宽，近似估计越大，因此，占有的有效频谱宽度也就越宽，近似估计时，其值为时，其值为n=1,3,5n=1,3,5 如果将调频方波通过中心角频率为如果将调频方波通过中心角频率为 的带通滤波的带通滤波器，就能取出器，就能取出n n次谐波的调频正弦波。次谐波的调频正弦波。为了保证取出的调频波不失真，除了要求带通滤波为了保证取出的调频波不失真，除了要求带通滤波器的带宽器的带宽 以外，还要求相邻两调频波的以外，还要求相邻两调频波的有效频谱不重叠，如图有效频谱不重叠，如图5.3.135.3.13所示。相邻两个奇数次所示。相邻两个奇数次的正弦调频波的有效频带宽度应满足的正弦调频波的有效频带宽度应满足例如三次谐波的正弦波调频输出电压为例如三次谐波的正弦波调频输出电压为 2 2、非线性变换网络法、非线性变换网络法 非线性变换网络法可以将调频三角波变换为调频正弦非线性变换网络法可以将调频三角波变换为调频正弦波。例如，若某一非线性变换网络所具有的传输特性为波。例如，若某一非线性变换网络所具有的传输特性为 当三角波信号通过该网路后，利用其非线性特性，当三角波信号通过该网路后，利用其非线性特性，可将三角波变换为正弦波，如图可将三角波变换为正弦波，如图5.3.145.3.14所示。由图所示。由图5.3.145.3.14（a a）知）知 式中式中 为三角波的周期。为三角波的周期。输出端电压为输出端电压为 采用张弛振荡器采用张弛振荡器调频可以产生频偏大、调频可以产生频偏大、调制线性好的调频波，调制线性好的调频波，在电路的实现上又便在电路的实现上又便于集成化，它是目前于集成化，它是目前广泛采用的一种调频广泛采用的一种调频振荡器。它的缺点主振荡器。它的缺点主要是载波频率不能做要是载波频率不能做得高。得高。工作波形如图工作波形如图5.3.145.3.14（b b）。）。