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