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实验六 变容二极管调频

《高频电子线路实验》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C j ~V 特性曲线;

3、学会测量调频信号的频偏及调制灵敏度。

二、实验内容

1、 调节电路,观察调频信号输出波形。

2、 观察并测量LC 调频电路输出波形。

3、 观察频偏与接入系数的关系。

4、 测量变容二极管的C j ~V 特性曲线;

5、 测量调频信号的频偏及调制灵敏度。

三、实验仪器

1、双踪示波器 一台

2、频率特性扫频仪(选项) 一台

四、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: ()t V t Ω=ΩΩcos υ,载波振荡电压为:()t A t a o o ωcos =

根据定义,调频时载波的瞬时频率()t ω随()t Ωυ成线性变化,即

()t t V K t o f o Ω?+=Ω+=Ωcos cos ωωωω (6-1)

则调频波的数字表达式如下:

()???

?

??ΩΩ+=Ωt V K t A t a f o o f sin cos ω 或 ()()t m t A t a f o o f Ω+=sin cos ω

(6-2)

式中: Ω=?V K f ω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K f 亦称调制灵敏度,代表单位调制电压所产生的频偏。

式中:F f V K m f f ?=Ω?=Ω=Ωω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。

实验六  变容二极管调频

图6-1 变容二极管调频原理电路

变容二极管j C 通过耦合电容1C 并接在N LC 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:

j

N C C C +=

(6-3)

振荡频率为:

)

(21

21j N C C L LC

f +=

=

π

π

(6-4)

加在变容二极管上的反向偏压为:

()()()高频振荡,可忽略

调制电压

直流反偏O Q R V V υυ++=Ω

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j C ~R υ曲线,如图6—2所示。

由图可见:未加调制电压时,直流反偏Q V (在教材称0V )所对应的结电容为Ωj C (在教材中称0C )。当反偏增加时,j C 减小;反偏减小时,j C 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j C ~R υ曲线的线性段,j C 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。

实验六  变容二极管调频

图6-2 用调制信号控制变容二极管结电容

实验六  变容二极管调频

图6-3 Cj 部分接入回路

我们再回到图6—1,并设调制电压很小,工作在j C ~R υ曲线的线性段,暂不考虑高

频电压对变容二极管作用。

设 t V V Q Q R Ω+=c o s υ (6-5)

由图6—2(c )可见:变容二极的电容随υR 变化。 即: t C C C m jQ j Ω-=cos (6-6)

由公式(3)可得出此时振荡回路的总电容为

t C C C C C C m jQ N j N Ω-+=+='cos

由此可得出振荡回路总电容的变化量为:

()t C C C C C C m j jQ N Ω-=?=+-'=?cos (6-7)

由式可见:它随调制信号的变化规律而变化,式中m C 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C ?时,振荡频率也会产生f ?的变化,其关系如下:

C

C f f ??≈?210

(6-8)

式中,是0f 未调制时的载波频率;0C 是调制信号为零时的回路总电容,显然

jQ N o C C C +=

由公式(6-4)可计算出0f (调频中又称为中心频率)。 即: )(21

0jQ N C C L f +=

π 将(6-7)式代入(6-8)式,可得:

t

f t C C f t f m Ω?=Ω=

?cos cos )/(2

1)(00

(6-9)

频偏: m

C C f f )/(21

00=

?

(6-10)

振荡频率: ()()t f f t f f t f o o Ω?+=?+=cos (6-1

1)

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f ?与回路的中心频率0f 成正比,与结电容变化的最大值m C 成正比,与回路的总电容0C 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1C 的容量选得较小(与j C 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

)

/(11'

0j j N C C C C C C +?+= (6-12) 回路总电容的变化量为:

图6-4 测量Cj~VR 曲线

j

C P C ?≈?2

'

(6-13)

频偏:

f

P C C f P f

m ?=?

≈?2

002

'

)/(21

(6-14)

式中,()jQ C C C P +=11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j C ~R υ曲线决定。从曲线中可见,对不同的R υ值,其曲线的斜率(跨导)υ??=j C C S 各不相同。R υ较小时,C S 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,R υ较大时,C S 较小,达不到所需频偏的要求,所以Q V 一般先选在j C ~R υ曲线线性较好,且C S 较大区段的中间位置,大致为手册上给的反偏数值,例:2CC1C ,V V Q 4=。本实验将具体测出实验板上的变容二极管的j C ~R υ曲线,并由同学们自己选定Q V 值,测量其频偏f ?的大小。

(2)变容二极管j C ~R υ曲线的测量,将图6—1的振荡回路重画于图6—4,jX C 代表不同反偏RX υ时的结电容,其对应的振荡频率为X f 。若去掉变容二极管,回路则由N C 、L 组成,对应的振荡频率为N f ,它们分别为

)

(21

jx N x C C L f +=

π

(6-15)

实验六  变容二极管调频

N

LC

f π

21=

(6-16)

由式(6-15)、(6-16)可得:

N

X

N N X

X

N jx

C f f C f f f C

?-=?-=

)1(

2

22

2

2 (6-17) N f 、X f 易测量,如何求N C ?将一已知电容K C 并接在回路N LC 两端,如图6-5所示。此时,对应的频率为K f ,有

)

(21

K N K C C L f +=

π

(6-18)

由式(6-16)、(6-18)可得:

K K

N

K N C f

f

f C ?-=

22

2

(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f S 表示,单位为KHz/V ,即

m f u f S Ω?= (6-20)

式中,m u

Ω为调制信号的幅度(峰值)。

f ?为变容管的结电容变化j C ?时引起的频率变化量,由于变容管部分接入谐振回路,则Cj ?引起回路总电容的变化量∑?C 为

Cj P C ?=?∑2 (6-21)

频偏较小时,f ?与∑?C 的关系可采用下面近似公式,即

∑??-

≈?Q

C C f f 2

10

(6-22)

将式(6-22)代入(6-20)中得

m

Q

f

U C C f S

Ω∑

??

=

20 (6-23)

式中,∑?C 为变容二极管结电容的变化引起回路总电容的变化量,∑Q C 为静态时谐振回路的总电容,即

Q

C Q C Q C C C C C C ++

=∑1 (6-24)

调制灵敏度f S 可以由变容二极管U j C -特性曲线上Ωu 处的斜率C K KC 及式(6-23)计算,S f 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MHZ f 7.100=,最大频偏KHZ f m 20±=?。 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。

五、实验步骤

参照附图G1,在主箱上正确插好发射模块,对照发射模块中的变容二极管调频部分,正确连接电路电源线,+12V 孔接+12V , GND 接GND (从电源部分+12V 和GND 插孔用连接线接入),接上电源通电(若正确连接了,扩展板上的电源指示灯将会亮)。

1、LC 调频电路实验

(1)连接J3、J4、J5组成LC 调频电路。

(2)接通电源,K1向右拨,调节W1,在C6的上端用万用表测试电压,使变容二极管的反向偏压为2.5V 。如下图(1)所示:

实验六  变容二极管调频

图(一)

(3)用示波器和频率计在TT1处观察振荡波形,调节CC1,使振荡频率为10.7MHz,调

节W2使输出波形失真最小。如下图(二)所示:

实验六  变容二极管调频

图(二)

(4)从IN1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TT1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。如下图图(三)、图

(四)所示、图(五)所示

实验六  变容二极管调频

图(三)

实验六  变容二极管调频

图(四)

实验六  变容二极管调频

图(五) (5)分别接J1、J2重做实验4。 (6)(选做)测绘变容二极管的jX C ~ RX V 曲线(参看图6-4)。

2、断开J1、J2,连接J

3、J

4、J5,断开IN1的输入信号,使电路为LC 自由振荡状态。 (1)断开变容二极管j C (即断开J4),用频率计在TT1处测量频率N f 。如下图(六)所示

实验六  变容二极管调频

图(六)

(2)断开j C ,接上已知K C (即连通J5,在C6处插上电容),在TT1处测量频率K f ,由式(6-19)计算出N C 值,填入表6-1中。 如下图(七)所示

实验六  变容二极管调频

图(七)

表6-1

实验六  变容二极管调频

(3)断开W1,测量不同反偏RX V 值时,对应的频率X f 值,代入式(6-17)计算jX C 值,填入表6-2中。

实验六  变容二极管调频

(4)作jX C ~ RX V 曲线。 (5)作X f ~ RX V 曲线。

(6)用频谱仪观察调频信号(应接入变容二极管,即连J4并取下C6),记下不同的Ω

V 对应的不同的f ?,计算调制灵敏度Ω

?=

V f K

f

'

'

的值。(如果没有频谱仪则此项不作要求)。

(7)观察频偏与接入系数的关系(此时应取下C6,连接J4)。

在直流偏值电压相同的情况下,输入调制信号相同的情况下,分别连接J1、J3测试所得的频偏, 计算Ω

?=

V f K

f

'

'的。验证f P f ?=?2

'。 f ?为7)中所测的值。

(8)观察频偏与直流反偏电压的关系(连接J3、J4)。 (9)观察频偏与调制信号频率的关系(连接J4、J4)。

六、实验心得

在做测试技术的实验前,我以为不会难做,就像以前做物理实验一样,做完实验,然后两下子就将实验报告做完.直到做完测试实验时,我才知道其实并不容易做,但学到的知识与难度成正比,使我受益匪浅.