變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路課程設(shè)計

1、<p>　　2014 ~2015學(xué)年 第 1 學(xué)期</p><p><b>　　《高頻電子線路》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計</b></p><p>　　題 目： 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的設(shè)計 </p><p>　　班 級： 12電子信息工程（2

2、）班 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　電氣工程系</b></p><p>　　2014年12月6日</p><p><b>　　1、任務(wù)書</b

3、></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　調(diào)頻電路具有抗干擾性能強、聲音清晰等優(yōu)點，獲得了快速的發(fā)展。主要應(yīng)用于調(diào)頻廣播、廣播電視、通信及遙控。調(diào)頻電臺的頻帶通常大約是200～250kHz，其頻帶寬度是調(diào)幅電臺的數(shù)十倍，便于傳送高保真立體聲信號。由于調(diào)幅波受到頻帶寬度的限制，在接收機中存在著通帶寬度與干擾的矛盾，因此音頻信號的頻率

4、局限于30～8000Hz的范圍內(nèi)。在調(diào)頻時，可以將音頻信號的頻率范圍擴大至30～15000Hz，使音頻信號的頻譜分量更為豐富，聲音質(zhì)量大為提高。</p><p>　　變?nèi)荻O管調(diào)頻電路是一種常用的直接調(diào)頻電路，廣泛應(yīng)用于移動通信和自動頻率微調(diào)系統(tǒng)。其優(yōu)點是工作頻率高，固有損耗小且線路簡單，能獲得較大的頻偏，其缺點是中心頻率穩(wěn)定度較低。較之中頻調(diào)制和倍頻方法，這種方法的電路簡單、性能良好、副波少、維修方便，是一種較

5、先進的頻率調(diào)制方案。</p><p>　　本課題載波由LC電容反饋三端振蕩器組成主振回路，振蕩頻率有電路電感和電容決定，當受調(diào)制信號控制的變?nèi)荻O管接入載波振蕩器的振蕩回路，則振蕩頻率受調(diào)制信號的控制，從而實現(xiàn)調(diào)頻。</p><p>　　關(guān)鍵字：變?nèi)荻O管；直接調(diào)頻；LC振蕩電路。</p><p><b>　　目 錄</b></p&

6、gt;<p>　　第一章 設(shè)計思路1</p><p>　　第二章 調(diào)頻電路工作原理2</p><p>　　2.1 間接調(diào)頻原理2</p><p>　　2.2 直接調(diào)頻原理2</p><p>　　2.3 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理2</p><p>　　第三章 電路設(shè)計5</p>

7、<p>　　3.1 主振電路設(shè)計原理分析5</p><p>　　3.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路設(shè)計原理分析6</p><p>　　第四章 電路元器件參數(shù)設(shè)置8</p><p>　　4.1 LC震蕩電路直流參數(shù)設(shè)置8</p><p>　　4.2 變?nèi)莨苷{(diào)頻電路參數(shù)設(shè)置8</p><p>　　

8、4.3 T2管參數(shù)設(shè)置8</p><p>　　5.1 mulitisim11軟件介紹9</p><p>　　5.2 電路仿真9</p><p><b>　　小結(jié)12</b></p><p>　　附錄一 元器件清單13</p><p>　　附錄二 參考文獻14</p>

9、<p><b>　　第一章 設(shè)計思路</b></p><p>　　變?nèi)荻O管為特殊二極管的一種。當外加順向偏壓時，有大量電流產(chǎn)生，PN（正負極）接面的耗盡區(qū)變窄，電容變大，產(chǎn)生擴散電容效應(yīng)；當外加反向偏壓時，則會產(chǎn)生過渡電容效應(yīng)。但因加順向偏壓時會有漏電流的產(chǎn)生，所以在應(yīng)用上均供給反向偏壓。在變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路中，變?nèi)荻O管作為一壓控電容接入到諧振回路中，當變?nèi)荻O管的結(jié)電容

10、隨加到變?nèi)荻O管上的電壓變化時，由變?nèi)荻O管的結(jié)電容和其他回路元件決定的諧振回路的諧振頻率也就隨之變化，若此時諧振回路的諧振頻率與加到變?nèi)荻O管上的調(diào)制信號呈線性關(guān)系，就完成了調(diào)頻的功能，這也是變?nèi)荻O管調(diào)頻的原理。</p><p>　　第二章 調(diào)頻電路工作原理</p><p>　　頻率調(diào)制是對調(diào)制信號頻譜進行非線性頻率變換，而不是線性搬移，因而不能簡單地用乘法器和濾波器來實現(xiàn)。實現(xiàn)調(diào)頻的

11、方法分為兩大類：直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法。</p><p>　　2.1 間接調(diào)頻原理 </p><p>　　先將調(diào)制信號進行積分處理，然后用它控制載波的瞬時相位變化，從而實現(xiàn)間接控制載波的瞬時頻率變化的方法，稱為間接調(diào)頻法。 </p><p>　　根據(jù)前述調(diào)頻與調(diào)相波之間的關(guān)系可知，調(diào)頻波可看成將調(diào)制信號積分后的調(diào)相波。 </p><p>　

12、　這樣，調(diào)相輸出的信號相對積分后的調(diào)制信號而言是調(diào)相波，但對原調(diào)制信號而言則為調(diào)頻波。這種實現(xiàn)調(diào)相的電路獨立于高頻載波振蕩器以外，所以這種調(diào)頻波突出的優(yōu)點是載波中心頻率的穩(wěn)定性可以做得較高，但可能得到的最大頻偏較小。</p><p>　　2.2 直接調(diào)頻原理 </p><p>　　用調(diào)制信號直接控制振蕩器的瞬時頻率變化的方法稱為直接調(diào)頻法。如果受控振蕩器是產(chǎn)生正弦波的 LC 振蕩器，則振

13、蕩頻率主要取決于諧振回路的電感和電容。將受到調(diào)制信號控制的可變電抗與諧振回路連接，就可以使振蕩頻率按調(diào)制信號的規(guī)律變化，實現(xiàn)直接調(diào)頻。 </p><p>　　可變電抗器件的種類很多，其中應(yīng)用最廣的是變?nèi)荻O管。作為電壓控制的可變電容元件，它有工作頻率高、損耗小和使用方便等優(yōu)點。具有鐵氧體磁芯的電感線圈，可以作為電流控制的可變電感元件。此外，由場效應(yīng)管或其它有源器件組成的電抗管電路，可以等效為可控電容或可控電感。

14、</p><p>　　直接調(diào)頻法原理簡單，頻偏較大，但中心頻率不易穩(wěn)定。在正弦振蕩器中，若使可控電抗器連接于晶體振蕩器中，可以提高頻率穩(wěn)定度，但頻偏減小。</p><p>　　2.3 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理</p><p>　　變?nèi)荻O管具有PN結(jié)，利用PN結(jié)反向偏置時勢壘電容隨外加反向偏壓變化的機理，在制作半導(dǎo)體二極管的工藝上進行特殊處理，以控制半導(dǎo)體的摻雜濃度

15、和摻雜分布，可以使二極管的勢壘電容靈敏地隨反偏電壓變化且呈現(xiàn)較大的變化，這樣就制作成了變?nèi)荻O管。</p><p>　　變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj，與在其而端所加反向電壓u之間存在著如下關(guān)系：</p><p>　　………………………（Ⅰ）</p><p>　　式中，VB為PN結(jié)的勢壘位差(硅管約為0.7V,鍺管約為0.3V)，Cj0為變?nèi)荻O管在零偏置時的結(jié)電容值，n為

16、變?nèi)荻O管的結(jié)電容變化指數(shù)，它取決于PN結(jié)的雜質(zhì)分布規(guī)律：n=1/3對于緩變結(jié)，擴散型管多屬此種； n=1/2為突變結(jié)，合金型管屬于此類。采用特殊工藝制程的超突變結(jié)的n在1～5之間。</p><p>　　變?nèi)荻O管的結(jié)電容變化曲線如所示。</p><p>　　圖2.1 變?nèi)荻O管的Cj-u特性曲線</p><p>　　加到變?nèi)荻O管上的反向電壓包括直流偏壓V0和調(diào)

17、制信號電壓VΩ(t)= VΩcosΩt，即……………………………………（Ⅱ）</p><p>　　將式（Ⅱ）帶入（Ⅰ），得</p><p>　　式中，為靜態(tài)工作點的結(jié)電容，為反映</p><p>　　結(jié)電容調(diào)深度的調(diào)制指數(shù)。結(jié)電容在u(t)的控制下隨時間的變化而變化。把受到調(diào)制信號控制的變?nèi)荻壒芙尤胼d波振蕩器的振蕩回路，則振蕩回路的頻率已收到調(diào)制信號的控制。適當選

18、擇調(diào)頻二極管的特性和工作狀態(tài)，這樣就實現(xiàn)了調(diào)頻。設(shè)電路工作在線性調(diào)制狀態(tài)，在靜態(tài)工作點Q處，曲線的斜率為。</p><p><b>　　第三章 電路設(shè)計</b></p><p>　　變?nèi)荻O管調(diào)頻電路主要是由主振電路和變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路構(gòu)成，電路如圖所示。</p><p>　　圖 3.1 總體電路圖</p><p>

19、　　3.1 主振電路設(shè)計原理分析</p><p>　　端口通過濾直電容C82輸入頻率為1KHz大小為200mv的調(diào)制信號，并且頻率由零慢慢增大，端口12輸出調(diào)頻信號。T1,T2為3DG12C三極管，C9、C10、C7、L4、CC1、C8為主振回路，D1為Bb910變?nèi)荻O管。為了減小三極管的極間電容Cce、Cbe、Ccb這些不穩(wěn)定電容對振蕩頻率的影響，要求C9>C7,C10>C7，且C7越小，這種影

20、響就越小，回路的標準性也就越高。則回路的諧振頻率是</p><p>　　本電路采用常見的電容三點式振蕩電路實現(xiàn)LC振蕩，簡便易行。式中，L為LC振蕩電路的總電感量，C為振蕩電路中的總電容，主要取決于C3、C7、C8、Cc1及變?nèi)荻O管反偏時的結(jié)電容Cj。，變?nèi)荻O管電容Cj作為組成LC振蕩電路的一部分，電容值會隨加在其而端的電壓的變化而變化，從而達到變頻的目的。R4、R5、R6、R7和W2調(diào)節(jié)并設(shè)置電容三點式振蕩

21、器中T1管的靜態(tài)工作點，R8、R9、R10調(diào)節(jié)并設(shè)置T2管的靜態(tài)工作點，C7、C9、C10以及L4、CC1、C8構(gòu)成LC振蕩電路。電容三點式振蕩器電路等效電路如下圖所示。</p><p>　　圖3.2 電容三點式振蕩器等效電路</p><p>　　3.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路設(shè)計原理分析</p><p>　　圖3.1中，直接調(diào)頻電路由變?nèi)荻O管(Bb910)D1

22、，耦合電容C1、C3、C82，偏置電阻R1、R2，隔離電阻R3和電位器W1構(gòu)成。接入系數(shù)，（C3由不同電容值的電容代</p><p>　　替，保證接入系數(shù)不同）其中等效電路圖如下圖所示。</p><p>　　圖3.3 變?nèi)荻O管部分接入等效圖</p><p>　　無調(diào)制時，諧振回路的總電容為： </p><p>　　式中，（由于C9和C10

23、電容值遠大于C7,C9和C10可串聯(lián)忽略）</p><p>　　CQ為靜態(tài)工作點是所對應(yīng)的變?nèi)荻O管結(jié)電容。</p><p>　　調(diào)頻電路中，R1、R2、R3和W1調(diào)節(jié)并設(shè)置變?nèi)荻O管的反偏工作點電壓VQ，，調(diào)制信號vΩ經(jīng)C82和高頻扼流圈L1加到二極管上。為了使VQ和vΩ能有效的加到變?nèi)莨苌?，而不至于被振蕩回路中L4所短路，C1為高頻濾波電容，要求它對高頻的容抗很小，近似短路，而對調(diào)制頻

24、率的容抗很大，近似開路。信號V須在變?nèi)莨芎蚅4之間接入隔直流電容C3，要求它對高頻接近短路，而對調(diào)制頻率接近開路。Ω從端口通過C82輸入，C82為隔直電容，濾除輸入信號中摻雜的直流成分。電感L1為高頻扼流圈，要求它對高頻的感抗很大，近似開路，而對直流和調(diào)制頻率近似短路。對高頻而言，L1相當于斷路，C3相當于短路，因而C3和二極管D1接入LC振蕩電路，并組成振蕩器中的電抗分量，等效電路如下左圖所示。對直流和調(diào)制頻率而言，由于C3的阻斷，因

25、而VQ和vΩ可以有效的加到變?nèi)莨苌?，不受振蕩回路的影響，等效電路如下右圖所示。</p><p>　　圖3.4 高頻通路 圖3.5 直流和調(diào)制頻率通路</p><p>　　第四章 電路元器件參數(shù)設(shè)置</p><p>　　4.1 LC震蕩電路直流參數(shù)設(shè)置</p><p>　　ICQ一般為1～4mA。若ICQ

26、偏大，振蕩幅度增加，但波形失真加重，頻率穩(wěn)定性變差。</p><p>　　取ICQ1=2mA。取VCEQ1=（1/2）VCC=6V。可以求出R4+R5=3KΩ，取R4=2KΩ，R5=1KΩ；β=60，IBQ=β×IBQ，為使減小IBQ對偏執(zhí)電阻的電位偏執(zhí)效果的影響，取R6和R7上流過的電流IB>>IBQ，取R6=15KΩ，R7=8.2KΩ，W2的可調(diào)最大阻值為20K。實驗實際測得T1管Vc1

27、=7.8V，Vce1=5.6V，Vbe=0.64V，基本接近理論值。</p><p>　　4.2 變?nèi)莨苷{(diào)頻電路參數(shù)設(shè)置</p><p>　　由LC震蕩頻率的計算公式可求出</p><p>　　若取，本次實驗中可調(diào)電容CC1規(guī)格為5～120pF，計算時取5pF，C7=24pF。L4≈1.2H。實驗中可適當調(diào)整CC1的值。電容C9、C10由反饋系數(shù) F 及電路條件C

28、7<<C9，C7<<C10 所決定，若取C9=100pF，由，則取 C10=330 pF，取耦合電容 C1=4.7F，C14=0.1uF。圖1.3為變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路的等效電路，接入系數(shù)p及回路總電容C∑分別為</p><p>　　為減小振蕩回路高頻電壓對變?nèi)莨艿挠绊懀?p應(yīng)取小，但p過小又會使頻偏達不到指標要求?？梢韵热=0.2，然后在實驗中調(diào)試。取C3=30pF，C82=33

29、0pF，電位器W1規(guī)格為5K。R1與R2為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時的反向直流偏置電壓VQ，電阻R3稱為隔離電阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以減小調(diào)制信號VΩ對VQ的影響。取 R2=3.9k ，隔離電阻R3=180kΩ，R1=20KΩ。實際調(diào)試時，L1用1.2uH代替，測得C3與L1之間節(jié)點對地電壓為0.5V,較理論值偏小。R1與R2之間節(jié)點對地電壓為2.7V。</p><p>　　4.3

30、 T2管參數(shù)設(shè)置</p><p>　　對輸出電路，為保證T2管正常工作，可取R8=8.2K，R9=10K，R10=1.5K，實驗實測得R8與R9間節(jié)點對地電壓為6.4V,Ve2=5.69V,則Vbe2≈0.7V，基本符合理論值。取耦合電容C12=33pF，C13=0.01uF</p><p><b>　　第五章 電路仿真</b></p><p&g

31、t;　　5.1 mulitisim11軟件介紹</p><p>　　Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得

32、深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。</p><p><b>　　5.2 電路仿真</b></p><p>　　在mulitisim中連接測試電路，按下仿真開始按鈕，開

33、始仿真。</p><p>　?。?）用萬用表分別測量Q1管Vcb，Vce和Vbe，調(diào)試T1管的靜態(tài)工作點。測得Vcb1=7.8V，Vce1=5.6V，Vbe1=0.64V，說明T1管正常工作。</p><p>　　（a）Vcb1 (b)Vce1 (c)Vbe1</p><p>　　圖5.1 T1管靜

34、態(tài)工作點的調(diào)試</p><p>　　用萬用表測得R8與R9間節(jié)點對地電壓即Vb為6.4V,Ve2=5.69V,則Vbe2≈0.7V</p><p>　?。╝）Vb2 (b)Ve2 (c)Vbe2</p><p>　　圖5.2 T2管靜態(tài)工作點調(diào)試</p><p>　　（

35、3）用萬用表測得C3與L1之間節(jié)點對地電壓為0.5V,較理論值偏小。R1與R2之間節(jié)點對地電壓為2.7V。</p><p>　?。╝）C3與L1之間節(jié)點對地電壓 （b）R1與R2之間節(jié)點對地電壓</p><p>　　圖5.3 變?nèi)荻O管反向電壓的設(shè)置</p><p>　　說明加在變?nèi)荻O管兩端的反向電壓為0.5V，變?nèi)荻O管正常工作。</p>&

36、lt;p>　?。?）不加調(diào)制信號，使用示波器測電路的輸出波形，即振蕩回路的載波信號的波形。</p><p>　　圖5.4 載波信號波形</p><p>　?。?）然后在c82處加入頻率為1KHz，幅度為200MV的調(diào)制信號，此時示波器輸出的即為調(diào)制后的FM信號。</p><p>　　圖5.5 加入調(diào)制信號后的輸出波形</p><p>　

37、　根據(jù)所得數(shù)據(jù)及已知參數(shù)計算可得</p><p>　　計算以上各式可得，△fm≈20KHz，滿足實驗要求。</p><p><b>　　小結(jié)</b></p><p>　　通過本周的課程設(shè)計，我認識到課本上的知識的實際應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，增強了思考和解決實際問題的能力。這次做課程設(shè)計，給我留下了很深的印象。上了三年大學(xué)，學(xué)了三年電子，發(fā)覺自己竟

38、然連一只三極管還沒有學(xué)會。看來做什么都要有追根求底的精神。不然什么都只是知道，卻什么都不精通，這是將來走上社會最忌諱的。雖然只是短暫的一周，但在這期間，卻讓我受益匪淺。</p><p>　　這次課程設(shè)計讓我認識到了知識和實踐的重要性。只有牢固掌握了所學(xué)的知識，才能有清晰的思路，知道每一步該怎樣走。才能順利的解決每一個問題。就以這次課程設(shè)計為例，剛拿到題目的時候，大致看一下要求，根據(jù)平時所學(xué)的知識，腦海中就立刻會想

39、到應(yīng)該用到的元器件，然后再去圖書館去查這些元器件的資料，很快地初步方案以及大概的電路原理圖就出來了。但是，在具體的細節(jié)設(shè)計上，我卻不知道為什么，從而明白了自己基礎(chǔ)知識掌握得不牢固。所以，這次課程設(shè)計在讓我認識了知識的重要性之外，更讓我明白了自己理論知識和實踐知識的欠缺。我會在以后的學(xué)習(xí)中更加努力，做到理論與實踐更好的結(jié)合。</p><p><b>　　附錄一 元器件清單</b></p&

40、gt;<p><b>　　附錄二 參考文獻</b></p><p>　　[1]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[R].高等教育出版社</p><p>　　[2]朱代先,高頻電路原理及應(yīng)用[R].西安電子科技大學(xué)出版社</p><p>　　[3]沈偉慈.通信電路[R].西安電子科技大學(xué)出版社</p><

41、p>　　[4]鄔國揚，顧涵錚，周雪嬌.高頻電路原理[R].浙江大學(xué)出版社</p><p>　　[5]譚琦耀，韋忠善.高頻電子線路[R].北京理工大學(xué)出版社</p><p>　　[6] 曾興文、劉乃安、陳健．高頻電子線路．北京：高等教育出版社，2007</p><p>　　[7] 張肅文等．高頻電子線路（第四版）．北京：高等教育出版社，2004</p>