实验四变容二极管调频.doc

本科实验报告

课程名称： 高频电子线路

实验项目： 变容二极管调频

实验地点： 信号与系统及高频电子线路实验室

专业班级： 电科1201班 学号： 2012001597

学生姓名： 李 坚

指导教师： 王耀力

2014年12月17日

实验六 变容二极管调频
一、实验目的
1、掌握变容二极管调频的工作原理；
2、学会测量变容二极管的Cj～V特性曲线；
3、学会测量调频信号的频偏及调制灵敏度。
二、实验原理
1、实验原理
（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）

（6-16）

图6-4 测量Cj～VR曲线

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、实验线路
见附图G1
使用12V供电，振荡器Q1使用3DG12C，变容管使用Bb910，Q2为隔离缓冲级。
主要技术指标：主振频率，最大频偏。
本实验中，由R1、R2、W1、R3组成变容二极管的直流偏压电路。C3、C4、C12组成变容二极管的不同接入系数。IN1为调制信号输入端由L4、C8、C7、C9、C5和振荡管组成LC调制电路。

三、实验内容
1、LC调频电路实验
（1）连接J82、J84组成LC调频电路。
（2）接通电源调节W81，在变容二极管D81负端用万用表测试电压，使变容二极管反向偏压为2.5V。
（3）用示波器和频率计在TT82处观察振荡波形，调节L84，使振荡频率为10.7MHz。

（4） 从IN81处输入1KHz的正弦信号作为调制信号（信号由低频信号源提供,参考低频信号源的使用。信号大小由零慢慢增大，用示波器在TT82处观察振荡波形变化,如果有频谱仪则可以用频谱仪观察调制频偏），此时能观测到一条正弦带。如果用方波调制则在示波器上可看到两条正弦波，这两条正弦波之间的相差随调制信号大小而变。

（5）分别接J81、J83重做实验4。

（1） .断开Ci，接上已知Ck，（即连通j85，在C86处插上电容），在TT82处测量频率Fk，计算Cn值，填入下表6-1.

表6-1

Fn
11.12MHz
Ck
定值
Fk
10.82MHz
Cn
16Ck

（2）.断开Ck（即断开j85），接上变容二极管，调节W81，测量不同Vrx，对应频率Fx,填入下表
Vrx(V)
0.5
1
1.5
2
2.5
3
.....
Fx(MHz)
8.89
9.01
9.34
10.5
10.51
10.56

Cjx(pf)
37
35
29
25
19
7

（3）C~V曲线与f~ V曲线

1. K===0.668
2. 频偏与直流反偏压的关系
当直流反偏压电压较小时，频偏较大，反之，频偏较小，达不到要求，一般选在C~V曲线线性较好，且S较大区段的中间位置。
3. 频偏与调制信号频率的关系
频偏与调制信号的中心频率有关，调制信号的控制作用越强，频偏越大。
七、心得体会
在这次的实验中，使我加深理解所学基础知识，掌握变容二极管调频的工作原理；学会测量变容二极管的Cj～V特性曲线；学会测量调频信号的频偏及调制灵敏度。我同时也明白，只有不断的学习、再实践，才能真正地掌握所学知识，达到学以致用，学有所得，不会虚度光阴。希望往后的实验多多益善。
7