调频振荡器.doc

实验六 变容二极管调频振荡器及相位鉴频

一、 实验目的
1. 了解变容二极管调频器电路原理及相位鉴频电路的基本工作原理
2. 了解调频器调制特性及测量方法，了解鉴频特性曲线(S曲线)的正确调整方法
3. 观察寄生调幅现象，了解其产生原因及消除方法。
4.观测调频波频谱
5、将变容二极管调频器与相位鉴频器两实验进行联合试验，进一步了解调频和解调全过程及整机调试方法。

二、 预习要求
1. 复习变容二极管的非线性特性，及变容二极管调频振荡器调制特性；认真阅读实验内容，预习有关相位鉴频的工作原理，以及典型电路和实用电路，分析初级回路、次级回路和耦合回路有关参数对鉴频器工作特性(S曲线)的影响
2. 复习角度调制的原理和变容二极管调频电路有关资料。
3. 分析图6-7,6-8电路的工作原理，及各元件的作用。

三、实验内容
1、 静态调制特性测量
2、 调频波频谱观测
3、 动态特性测试
4、 逐点法测试相位鉴频特性
5、 变容二极管调频器与相位鉴频器联调
四、 实验原理及电路说明：
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： ，载波振荡电压为：
根据定义，调频时载波的瞬时频率随成线性变化，即
（6-1）
则调频波的数字表达式如下：

或 　　 （6-2）
式中： 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Kf亦称调制灵敏度，代表单位调制电压所产生的频偏。
式中：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

变容二极管通过耦合电容并接在回路的两端，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：
　　　　 （6-3）
振荡频率为：
（6-4）
加在变容二极管上的反向偏压为：

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～曲线，如图6—2所示。
由图可见：未加调制电压时，直流反偏（在教材称）所对应的结电容为（在教材中称）。当反偏增加时，减小；反偏减小时，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～曲线的线性段，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 ～曲线的线性段，暂不考虑高频电压对变容二极管作用。
设 　　 （6-5）
由图6—2（c）可见：变容二极的电容随υR变化。
即： 　 （6-6）
由公式（3）可得出此时振荡回路的总电容为

由此可得出振荡回路总电容的变化量为：
　　　　 （6-7）
由式可见：它随调制信号的变化规律而变化，式中的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时，振荡频率也会产生的变化，其关系如下：
（6-8）
式中，是未调制时的载波频率；是调制信号为零时的回路总电容，显然

由公式（6-4）可计算出（调频中又称为中心频率）。
即：
将（6-7）式代入（6-8）式，可得：
（6-9）
频偏： （6-10）
振荡频率： 　　　 （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。其频偏与回路的中心频率成正比，与结电容变化的最大值成正比，与回路的总电容成反比。
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中的耦合电容的容量选得较小（与同数量级），这时变容二极管部分接入振荡回路，即振荡回路的等效电路如图6—3所示。理论分析将证明这时回路的总电容为
　　　 (6-12)

　图6-3 　Cj部分接入回路

回路总电容的变化量为：
　　　 (6-13)
频偏:
　 (6-14)
式中，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～曲线决定。从曲线中可见，对不同的值，其曲线的斜率（跨导）各不相同。较小时，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，较大时，较小，达不到所需频偏的要求，所以一般先选在～曲线线性较好，且较大区段的中间位置，大致为手册上给的反偏数值，例：2CC1C，。本实验将具体测出实验板上的变容二极管的～曲线，并由同学们自己选定值，测量其频偏的大小。
（2）变容二极管～曲线的测量，将图6—1的振荡回路重画于图6—4，代表不同反偏时的结电容，其对应的振荡频率为。若去掉变容二极管，回路则由、组成，对应的振荡频率为，它们分别为
（6-15）

图6-4 测量Cj~VR曲线

（6-16）
由式（6-15）、（6-16）可得：
　 (6-17)
、易测量，如何求？将一已知电容并接在回路两端，如图6-5所示。此时，对应的频率为，有
(6-18)
由式（6-16）、（6-18）可得：
(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，以表示，单位为KHz/V，即
(6-20)
式中，为调制信号的幅度（峰值）。
为变容管的结电容变化时引起的频率变化量，由于变容管部分接入谐振回路，则引起回路总电容的变化量为
　　(6-21)
频偏较小时，与的关系可采用下面近似公式，即
(6-22)
将式（6-22）代入（6-20）中得
(6-23)
式中，为变容二极管结电容的变化引起回路总电容的变化量，为静态时谐振回路的总电容，即
(6-24)
调制灵敏度可以由变容二极管特性曲线上处的斜率KC及式（6-23）计算，Sf越大，调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。

2、调频实验电路简介：
图6-5是本实验电路主振级交流电路，图中，V4001、C4011、C4008、C4006、C4007、D4001以及电感L4002构成了调频器的主振级，电路采用了西勒电容三点式振荡形式。变容二极管的结电容以部分接入的形式纳入在回路中。

图6-5 主振级交流等效电路 图6-6 变容二极管直流偏置电路

回路总电容为：
C为C4007、C4008、C4011的串联等效电容（式中缩写为C7、C8、C11等）
回路振荡频率：
当回路电容有微量变化是，振荡频率的变化由下式决定：

无调制时
有调制时回路电容为CΣ’，
变容二极管结电容接入系数为：
变容二极管的直流偏置电路，如图6-6所示。

图6-7 变容管调频器实验电路
3、电容耦合双调谐相位鉴频器原理：
图6-8是本实验电路的原理图。图二是相位鉴频器简化图，图中对相关元件的编号进行了缩写，如L8001、CT8001分别写为L1、CT1，其余相同，以便于叙述。

图6-8电容耦合双调谐相位鉴频器原理图

图6-9 相位鉴频器简化原理图

①晶体管V8001、V8002与C8005、L8001、CT8001等元件组成限幅放大器，以提高相位鉴频器输入电压和抑制寄生调幅对解调输出的影响。
②参见图6-9，V1是限幅放大器的输出电压，极性如图所示。L1、CT1，L3、CT2通过CT3组成电容耦合双调谐电路，L1、CT1等为初级回路，L3、CT2等为次级回路。由于C7>> CT3，所以C7主要起隔直流的作用，它使放大器输出电压V1加到线圈L3的中间抽头与地之间和电阻R8的两端。V1通过CT3产生流过次级的电流I，它在L3两端感应出电压V2。于是加到二极管两端的高频电压由两部分组成，即R8上的电压和L3感应的一半电压的矢量和，为

而它们检波输出的电压VO1和VO2分别与 、 成正比，即

鉴频器的输出电压为 VO= VO1- VO2
③由于CT3的容量很小，其容抗远大于L7、CT2回路的并联谐振电阻，V
.
2
I
0
.
V
1
.
(a)
V
1
.
V
1
.
V
1
.
V
2
.
2
V
2
.
2
V
2
.
2
V
2
.
2
V
2
.
2
V
2
.
2
(b) ω=ω0
(c) ω＞ω0
(d) ω＜ω0
故I可看

图

6-10

作一个不随谐振电路阻抗变化的电流源，即
其相位超前于相位900，如图6-6所示，而L7两端感应的电压的相位视谐振电路的情况有如下几种状态:
当ω=ω0 时，回路谐振，超前相位900；
VO1= VO2 VO=0
当ω>ω0 时，回路并联阻抗呈容性，滞后于某个角度；
VO1>VO2 VO>0
当ω<ω0 时，回路并联阻抗呈感性，超前某个角度；
VO1<VO2 VO<0
上述关系用曲线表示，则成S型，S曲线表示了鉴频特性。
④相位鉴频器实验电路简介：
本电路中，两个谐振回路的谐振电容和两回路间的耦合电容分别由两组电容构成，一组设置在电路板的正面，另一组则设置在电路板的背面。正面一组电容（CT8001、CT8002和CT8003）提供给实验者调整电路使用，而背面的一组（CT8001’、CT8002’和CT8003’）提供给实验者参考。两组电容的切换由三个拨动开关J8001、J8002和J8003作适当连接完成。
五、实验仪器
1.双踪示波器2.扫频仪3.频谱仪 4.高频信号发生器5.高频毫伏表6.万用表
7.TPE-TXDZ实验箱（F、G实验区域和：变容管调频器，相位鉴频器）

六、实验步骤及测试方法：
1、调频振荡器实验：
1) 将滑动开关J4002拨向上端，将示波器探头接在电路输出端（M4002)以观察波形。
2) 输入端不接音频信号，J4002连接上两端，调整电位器RP4001，使Ed=4V。调整调整电位器RP4003，使输出波形幅值最大。调整电位器RP4002使输出幅度大约为1.5VP-P，频率f=10.7MHz，若频率偏离较远，可微调中周电感L4002或者可变电容CT4000（此后不要再调整）。
3） 静态调制特性测量：
输入端不接音频信号，J4002连接上两端，重新调节电位器RP1，使Ed在0.5～8.5V范围内变化，将对应的频率填入表中。
表6-1
Ed(V)
0.5
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
f(MHz)

4）调频波频谱结构观测
① J4002连接上两端，调节RP1使Ed=4V，使振荡频率f0=10.7MHz（幅度为UOP-P=1V）；
②输入端输入f0=5~10KHz、幅度Um从0.1~0.5V可调的正弦低频（选择1~5Khz）调制信号Um。
表6-2
Um
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
频谱结构
（作图）

5)动态测试(选作，需利用相位鉴频器作辅助测试)：
提示：为进行动态测试，必须首先完成鉴频器的实验内容，并利用其实验结果，即相应的S曲线。
J4002连接上两端，调RP1使Ed=4V时，调RP2使f=10.7MHz。连接J4001，自IN端口输入频率f=2KHz、VP-P=0.5V的音频信号Vm，此时使J4002连接下两端，输出端P4003接至相位鉴频器的输入端，用示波器观察解调输出正弦波的波形，并记录输出幅值，将其与测量得出的S曲线相比较，计算出的对应的中心频率与上下频偏。将音频信号VP-P分别改为0.8V、1V,重复以上步骤。将实验所得数据填入表格（表格自拟），记下调制电压幅度与调制波上下频偏的关系，核算中心频率附近动态调制灵敏度即曲线斜率S。

将动态调制灵敏度与静态调试特性相比较。
2、相位鉴频器实验（选作）
1） 用高频信号发生器逐点测出鉴频特性
用短路环使跳线端子J8001、J8002和J8003的各自的右两端短接，以使背面一组电容（CT8001’、CT8002’和CT8003’）接入电路。输入信号改接高频信号发生器，输入电压约为50mv， 用万用表测鉴频器的输出电压，在9.7MHz～11.7MHz范围内，以每格0.1MHz条件下测得相应的输出电压。并填入表格（表格形式自拟）。找出S曲线零点频率f0、正负两极点频率fmax、fmin及其VM、VN。鉴频曲线的灵敏度可用以下公式计算。再将正面一组电容（CT8001、CT8002和CT8003）接入电路，重复以上步骤。根据以上数据，在坐标纸上逐点描绘出两条频率——电压S曲线。
2） 观察回路电容CT8001、CT8002和耦合电容CT8003对S曲线的影响。
①调整电容CT8002对鉴频特性的影响。
记下CT8002> CT8002-0或CT8002< CT8002-0的变化并与CT8002= CT8002-0的曲线比较，再将CT8002调至CT8002-0正常位置。
注: CT4002-0表示回路谐振时的电容量。
②调CT8001重复(1)的实验
③调CT8003至较小的位置，微调CT8001、CT8002得S曲线，记下曲线中点及上下两峰的频率（f0、fmin、fmax）和二点高度格数Vm、Vn，再调CT8003到最大，重新调S曲线为最佳，记录：f0′、fmin、fmax和V′m、V′n的值。

定义：峰点带宽 BW=fmax-fmin
曲线斜率 S=(Vm-Vn)/BW
比较CT8003最大、最小时的BW和S。
3、将调频电路与鉴频电路连接。
将调频电路的中心频率调为10.7MHz，鉴频器中心频率也调谐在10.7MHz，调频输出信号送入鉴频器输入端，将f=1KHz, Vm=400mV的音频调制信号加至调频电路输入端进行调频。用双踪示波器同时观测调制信号和解调信号，比较二者的异同，如输出波形不理想可调鉴频器CT1、CT2、CT3。将音频信号加大至Vm=800mV，1000mV……观察波形变化，分析原因。
七、 实验报告要求
1．整理实验数据，在同一坐标纸上画出静态调制特性曲线，并求出其调制灵敏度S，说明曲线斜率受哪些因素的影响。
2．在坐标纸上画出动态调制特性曲线，说明输出波形畸变原因。
3．振荡器波形的好坏与哪些因素有关，试分析之？
4．整理实验数据，画出鉴频特性曲线。
5．分析回路参数对鉴频特性的影响。
6．分析在调频电路和鉴频电路联机实验中遇到的问题及解决办法，画出调频输入和鉴频输出的波形，指出其特点