变容二极管调频电路课程设计

目录

摘要………………………………………………………………………………………

1题目分析………………………………………………………………………… 2系统方案论证………………………………………………………………………

2.1 电路设计原理………………………………………………………………………

2.2 电路的设计方案…………………………………………………

2.3 电路设计…………………………………………………………………………… 2.4 主振电路设计原理分析…………………………………………………………… 2.5 变容二极管直接调频电路………………………………………………………… 2.6调频信号分析……………………………………………………………………… 2.7 变容二极管频率调制的原理………………………………………………………

3电路工作分析………………………………………………………………………

3.1 谐振回路总电容…………………………………………………………………… 3.2 调制灵敏度……………………………………………………………… 4. 增加电路稳定度…………………………………………………………………

4.1 震荡回路参数LC………………………………………………………… 4.2温度补偿法…………………………………………………………………… 4.3回路电阻……………………………………………………………………… 4.4增加缓冲级……………………………………………………………… 4.5有源器件参数……………………………………………………………… 4.6高稳定度LC振荡电路……………………………………………………………… 5. 电路元器件参数设置………………………………………………………………………

5.1 LC震荡电路直流参数设置………………………………………………………… 5.2 变容管调频电路参数设置………………………………………………………… 5.3 放大电路参数设置……………………………………………………………… 5.4 调制信号的幅度计算………………………………………………

6. 元器件清单………………………………………………………………… 7. 电路调试………………………………………………………………… 8.课程答辩………………………………………………………………… 9.实验心得体会………………………………………………………………… 10.致谢………………………………………………………………… 11.参考文献…………………………………………………………………

摘要

With the increasing use of electronic and communications technology has progressed, various kinds of new electronic product development at an increasing rate. The modern computer technology and the microelectronic technology further union and the development caused the electronic circuit and the communication link appeared two branches. One is the movement toward a more highly integrated IC development: while the other is the use of discrete components and hardware description language for the new devices are specially designed.

The FM broadcast has the resistance to interference strongly, the sound clear and so on the merits, has obtained the fast development. The frequency modulation broadcasting station's frequency band probably is usually 200~250kHz, Its bandwidth is amplitude modulation broadcasting station's dozens of times, is advantageous for transmits the high fidelity stereo sound signal. Because the modulated wave receives the bandwidth the limit, has the pass band width and the disturbance contradiction in the receiver, therefore the tonic train signaling frequency limits in the 30~8000Hz scope. When frequency modulation, may expand the tonic train signaling frequency range to 30~15000Hz, causes the tonic train signaling the frequency spectrum component to be richer, the sound quality is greatly the enhancement.

随着电子与通信技术的不断进步，各种新兴电子产品的开发速度越来越快。现代计算机技术和微电子技术的进一步结合和发展使得电子电路和通信线路出现了二个分支。一个是朝着更高集成度的集成电路发展：而另一个是利用分立元件和硬件描述语言对新型器件进行专门设计。

调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。调频电台的频带通常大约是200～250kHz，其频带宽度是调幅电台的数十倍，便于传送高保真立体声信号。由于调幅波受到频带宽度的限制，在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾，因此音频信号的频率局限于30～8000Hz的范围内。在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至30～15000Hz，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。

目前，应用最广泛的是采用变容二极管直接调频技术，即利用二极管反偏工作的PN结呈现的势垒电容，它与回路中的电感共同构成振荡器的振荡回路，从而作为振荡频率直接调频电路。它具有工作频率高、固有损耗小和使用方便等优点。

变容二极管为特殊二极管的一种。当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN（正负极）接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用

上均供给反向偏压。

在变容二极管直接调频电路中，变容二极管作为一压控电容接入到谐振回路中，有所学的正弦波振荡器章节中，我们知道振荡器的振荡频率由谐振回路的谐振频率决定。因此，党变容二极管的结电容随加到变容二极管上的电压变化时，由变容二极管的结电容和其他回路元件决定的谐振回路的谐振频率也就随之变化，若此时谐振回路的谐振频率与加到变容二极管上的调制信号呈线性关系，就完成了调频的功能，这也是变容二极管调频的原理。

关键词：LC振荡电路、变容二极管、调频

1. 题目分析

2.系统方案论证

2.1 电路设计原理

变容二极管为特殊二极管的一种。当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN（正负极）接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。

在变容二极管直接调频电路中，变容二极管作为一压控电容接入到谐振回路中，有所学的正弦波振荡器章节中，我们知道振荡器的振荡频率由谐振回路的谐振频率决定。因此，党变容二极管的结电容随加到变容二极管上的电压变化时，由变容二极管的结电容和其他回路元件决定的谐振回路的谐振频率也就随之变化，若此时谐振回路的谐振频率与加到变容二极管上的调制信号呈线性关系，就完成了调频的功能，这也是变容二极管调频的原理。

2.2 电路的设计方案

变容二极管直接调频电路由于变容二极管的电容变化范围大，因而工作频率变化就大，可以得到较大的频偏，且调制灵敏度高、固有损耗小、使用方便、构成的调频器电路简单。因而变容二极管直接调管频器是一种应用非常广泛的调频电路。

2.3 电路设计

变容二极管调频电路主要是由主振电路和变容二极管直接调频电路构成，电路如图

所示。

不加调制信号

加入调制信号

变容二极管调频电路

2.4 主振电路设计原理分析

端口通过滤直电容C82输入频率为1KHz大小为200mv的调制信号，并且频率由零

慢慢增大，端口12输出调频信号。T1,T2为3DG12C三极管，C9、C10、C7、L4、CC1、C8为主振回路，D1为Bb910变容二极管。为了减小三极管的极间电容Cce、Cbe、Ccb这些不稳定电容对振荡频率的影响，要求C9>C7,C10>C7，且C7越小，这种影响就越小，回路的标准性也就越高。则回路的谐振频率是

fo

12π

LC

本电路采用常见的电容三点式振荡电路实现LC振荡，简便易行。式中，L为LC振荡电路的总电感量，C为振荡电路中的总电容，主要取决于C3、C7、C8、Cc1及变容二极管反偏时的结电容Cj。，变容二极管电容Cj作为组成LC振荡电路的一部分，电容值会随加在其而端的电压的变化而变化，从而达到变频的目的。R4、R5、R6、R7和W2调节并设置电容三点式振荡器中T1管的静态工作点，R8、R9、R10调节并设置T2管的静态工作点，C7、C9、C10以及L4、CC1、C8构成LC振荡电路。电容三点式振荡器电路等效电路如下图所示。

电容三点式振荡器等效电路

2.5 变容二极管直接调频电路设计原理分析

图1.1中，直接调频电路由变容二极管(Bb910)D1，耦合电容C1、C3、C82，偏置电阻R1、R2，隔离电阻R3和电位器W1构成。接入系数p电容代替，保证接入系数不同）

其中等效电路图如下图所示。

CJC3C3Cj

，（C3由不同电容值的

变容二极管部分接入等效图

无调制时，谐振回路的总电容为：

式中CaC8CC17，（由于C9和C10电容值远大于C7,C9和C10可串联忽略） CQ为静态工作点是所对应的变容二极管结电容。

CQCa

C3CQC3CQ

调频电路中，R1、R2、R3和W1调节并设置变容二极管的反偏工作点电压VQ，，调制信号vΩ经C82和高频扼流圈L1加到二极管上。为了使VQ和vΩ能有效的加到变容管上，而不至于被振荡回路中L4所短路，须在变容管和L4之间接入隔直流电容C3，要求它对高频接近短路，而对调制频率接近开路。C1为高频滤波电容，要求它对高频的容抗很小，近似短路，而对调制频率的容抗很大，近似开路。信号VΩ从端口通过C82输入，C82为隔直电容，滤除输入信号中掺杂的直流成分。电感L1为高频扼流圈，要求它对高频的感抗很大，近似开路，而对直流和调制频率近似短路。对高频而言，L1相当于断路，C3相当于短路，因而C3和二极管D1接入LC振荡电路，并组成振荡器中的电抗分量，等效电路如下左图所示。对直流和调制频率而言，由于C3的阻断，因而VQ和vΩ可以有效的加到变容管上，不受振荡回路的影响，等效电路如下右图所示。

CJ

高频通路 直流和调制频率通路

2.6 调频信号分析

FM调制是靠调频使信号频率发生变化，振幅可保持不变，所以噪声易消除。 设载波则

VcVcmcoswct

,调制波

VsVsmcoswst

。

wmwcwcoswst

或

fmfcfcos2fst

，此时的频率偏移量

△f为最大频率偏移。

最后得到的被调制波

m

VmVcmsinm

, V m 随Vs的变化而变化。

w

t

m

dtwct(w/ws)sinwst

VmVcmsinm

Vcmsin[wct(w/ws)sinwst]Vcmsin(wctmsinwst)

m

wws

ffs

为调制系数

2.7 变容二极管直接调频电路

变容二极管具有PN结，利用PN结反向偏置时势垒电容随外加反向偏压变化的机理，

在制作半导体二极管的工艺上进行特殊处理，以控制半导体的掺杂浓度和掺杂分布，可以使二极管的势垒电容灵敏地随反偏电压变化且呈现较大的变化，这样就制作成了变容二极管。

变容二极管的结电容Cj，与在其而端所加反向电压u之间存在着如下关系：

Cj

Cj0u1VB

n

………………………（Ⅰ）

式中，VB为PN结的势垒位差(硅管约为0.7V,锗管约为0.3V)，Cj0为变容二极管在零偏置时的结电容值，n为变容二极管的结电容变化指数，它取决于PN结的杂质分布规律：n=1/3对于缓变结，扩散型管多属此种； n=1/2为突变结，合金型管属于此类。采用特殊工艺制程的超突变结的n在1～5之间。 变容二极管的结电容变化曲线如所示。

变容二极管的Cj-u特性曲线

加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压V0和调制信号电压VΩ(t)= VΩcosΩt，即

uVQVΩVQVΩmcosΩt

……………………………………（Ⅱ）

将式（Ⅱ）带入（Ⅰ），得

Cj

Cj0

VQcosΩt1VB

n



Cj0VQ1VB

n

1

VΩm

1cosΩVVQB

n



t

n

CjQ1mcosΩt

式中，CjQ

Cj0

VQ1

B

VV

为静态工作点的结电容，mΩmVVmV为反QBQ

n

映结电容调深度的调制指数。

结电容在u(t)的控制下随时间的变化而变化。把受到调制信号控制的变容二级管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡回路的频率已收到调制信号的控制。适当选择调频二极管的特性和工作状态，这样就实现了调频。设电路工作在线性调制状态，在静态工作点Q处，曲线的斜率为

kCΔCΔV

。

3电路工作分析

3.1谐振回路总电容

C

回路总电容变化量

CpCj

2

Ca

C3CjC3Cj

3.2调制灵敏度

单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度，以Sf表示，单位为 kHz/V，即

Sf = △fm / VΩm

VΩm为调制信号的幅度；△fm为变容管的结电容变化△Cj时引起的最大频偏。

在频偏较小时，△fm与△C∑的关系可采用下面近似公式，即

fmfo



1C



2CQ

调制灵敏度

调制灵敏度Sf可以由变容二极管Cj-v 特性曲线上VQ处的斜率kc计算。Sf越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。 改变CC1的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。

Sf

fo2CQ

CVΩm

4 电路元器件参数

4.1震荡回路参数LC

显然LC如有变化，必然引起震荡频率的变化，影响LC变化的因素有：元件的机械变形，周围温度变化的影响，适度，气压的变化，因此为了维持LC的数值不变，首先就应选取标准性高的，不易发生机械变形的元件；其次，应尽量维持振荡器的环境温度的恒定，因为当温度变化时，不仅会使LC的数值发生变化，而且会引起电子器件的参数变化，因此高稳定度的振荡器可以封闭在恒温箱（杜瓦瓶）内，LC采用温度系数低的材料制成。

4.2 温度补偿法

使L与C的变化量与△L与△C的变化量相互抵消以维持恒定的震荡频率，：若回路的损耗电阻r很小，即Q值很高，则振荡频率可以近似的用回路的固有频率f0来表示。由于外界因素的影响，使LC产生微小的变量△L、△C，因而引起振荡频率的变化，若选用合适的负温度系数的电容器 （电感线圈的温度系数恒为正值），使得△C/C与△L/L互相抵消，则△f可减为零。这就是温度补偿法。

4.3 回路电阻

r的大小是由振荡器的负载决定的，负载重时，r大，负载轻时r小，当负载变化时，振荡频率也随之变化。为了减小r的影响尽量使负载小且稳定，r越小，回路的Q值越高，频率的稳定度也越高，

4.4 加缓冲级

为了减弱后级电路对主振器的影响，可在主振器后面加入缓冲级。所谓缓冲级，就是实际上是一级不需要推动功率的放大器（工作于甲类）。

4.5 有源器件的参数

晶体管为有源器件时，若他的工作状态（电源电压或周围温度等）有所改变，则晶体管的h参数会发生变化，即引起振荡频率的改变。为了维持晶体管的参数不变，应该采用稳压电源，和恒温措施。

4.6 采用高稳定度LC振荡电路

5.电路元器件参数设置

5.1 LC震荡电路直流参数设置

ICQ一般为1～4mA。若ICQ偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。

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，为使减小IBQ对偏执电阻的电位偏执效果的影响，取R6和R7上流过的电流IB>>IBQ，取R6=15KΩ，R7=8.2KΩ，W2的可调最大阻值为20K。实验实际测得T1管Vc1=7.8V，Vce1=5.6V，Vbe=0.64V，基本接近理论值。

5.2 变容管调频电路参数设置

由LC震荡频率的计算公式可求出f0

12

LC

，若取C=CaC8CC1C7，本次

实验中可调电容CC1规格为5～120pF，计算时取5pF，C7=24pF。L4≈1.2H。实验中可适当调整CC1的值。电容C9、C10由反馈系数 F 及电路条件C7

FC2/C31/8~1/2

，则取 C10=330 pF，取耦合电容 C1=4.7F，

C14=0.1uF。图1.3为变容二极管部分接入振荡回路的等效电路，接入系数p及回路总电容C∑分别为

p

C3C3Cj

CCa

C3CjC3Cj

为减小振荡回路高频电压对变容管的影响， p应取小，但p过小又会使频偏达不到指标要求。可以先取p=0.2，然后在实验中调试。取C3=30pF，C82=330pF，电位器W1规格为5K。R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压VQ，电阻R3称为隔离电阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以减小调制信号VΩ对VQ的影响。取 R2=3.9k ，隔离电阻R3=180kΩ，R1=20KΩ。实际调试时，L1用1.2uH代替，测得C3与L1之间节点对地电压为0.5V,较理论值偏小。R1与R2之间节点对地电压为2.7V。

5.3 T2管参数设置

对输出电路，为保证T2管正常工作，可取R8=8.2K，R9=10K，R10=1.5K，实验实测得R8与R9间节点对地电压为6.4V,Ve2=5.69V,则Vbe2≈0.7V，基本符合理论值。取耦合电容C12=33pF，C13=0.01uF

5.4 调制信号的幅度计算

为达到最大频偏△fm的要求，调频信号的主振频率和最大频偏△fm，可由下列关系式求出。

f0

12

LC

fm

12

fo

CCQ

计算以上各式可得f020.945MHz，△fm≈20KHz，满足实验要求。

6.元器件清单

7.电路调试

在焊接好变容二极管调频实验电路板后，就是进行调试工作，调试过程进行的很顺利，但是让我和队友等了将近一天，中午调试的同学都等了好久，最后都没调试上，可能这就是过程的研究，但在别人调试的时候，我和队友把我们焊接的电路板用万用表从头到尾把实验电路测量了一遍，保证了焊接无失误所在，有些元器件虽然实验室里没有库存，但是我们都用了其他能代替并且不会对电路产生音箱的元器件进行了代替，在下午进行了变容二极管的调试，焊接是我焊的，幸好实验很成功，否则就丢大人了，在调试过程中，首先输入端不接信号，只需接直流电源即可，在输出端口接示波器，在示波器上能观察到载波出现，这就保证了震荡电路是满足条件的，其次在输入端接上从函数信号发生器上输入的调制信号，在打开电源，在示波器上观察到双峰调频波，而且疏密程度不同，当调制信号大于零时，调频信号的频率高于载波频率，单位时间能的波形数比载波多：当调制信号小于零时，调频信号的频率低于载波频率，单位时间能的波形数比载波少，由此可见，调制信号的信息寄托在高频载波频率变化中，调频信号是一恒定振幅的信号，其振幅保持不变。

8.课程设计答辩 1.输出的调频波的特性?

答:打开电源，在示波器上观察到调频波，而且疏密程度不同，当调制信号大于零时，调频信号的频率高于载波频率，单位时间能的波形数比载波多：当调制信号小于零时，调频信号的频率低于载波频率，单位时间能的波形数比载波少，由此可见，调制信号的信息寄托在高频载波频率变化中，调频信号是一恒定振幅的信号，其振幅保持不变。

2.求不同接入介入系数?

p

C3C3Cj

解答: 接入系数

Cj

Cj0u

1VB

n

如果需要求接入系数 只需要求

CjQ

Cj0

n

（1）不加调制信号时

fo

VQ1

B

12πLC

经过LC振荡电路后载波频率为 可求得C=48pf

CCa

C3Cj

C3Cj

=20.945MHz

(

CaC8CC17

)（CC1按100pf计算时）

Ca=23.3pf

可求得CQ=Cj=139pf 那么接入系数在不加调制信号时为

p

C3C3Cj

= 0.177

（2）加调制信号时

uVQVΩVQVΩmcosΩt

Cj

Cj0

VQcosΩt1VB

Cj0VQ1VB

n

n

1

VΩm

1cosΩVQVB

n

t

n

CjQ1mcosΩt

CjQ

Cj0

n

其中

12πLC



VQVV

mΩmm1

BVQVBVQ



fo

f=这是调制信号的频率,已知最大频偏△fm=20KHz

在仿真图中，用万用表可测的变容二极管两端的电压为-2.909V 当输入调制信号为频率为1KHZ，振幅为200mv时 可得上式中的m=0.2/2.909=0.0687

可求得不同接入系数表达式为

p

C3C3Cj

=C3/C3+CQ(1+mcoswt)^n

=30/30+139(1+0.068cos2*3.14*1000t)^2 (3)已知最大频偏△fm=20KHz

调频波的最大频率为f=20.965MHz,代入以上各式可同样求得 总电容C=47.6PF 结电容Cj=131PF

那么接入系数在最大频偏时求得

p

C3C3Cj

=0.186

9.课程设计心得与体会

通过对变容二极管调频电路的设计与研究，我们不仅对变容二极管的调频原理有了更深刻的了解，还对调频电路的应用进行了一定的了解，调频电路在无线电通信中是非常重要的调制方式，应用非常广泛，特别是在数字调制中应用更广，频率调制简称调频，是指用调制信号去控制高频载波的频率，，使之随调制信号的规律变化，确切的讲，是使载波信号的频率随调制信号线性变化，而振幅保持不变。这在示波器上能明显观察到双峰调频波。变容二极管调频电路是直接调频电路的一种，主要是因为变容二极管直接调频电路简单、性能良好。同时变容二极管的电容变化范围大，因而工作频率就达，可以得到较大的频偏，而且调制灵敏度高、固有损耗小，因而变容二极管直接调频电路时一种应用非常广泛的调频电路。

在课程设计的整个过程中，当我们明确了目的和要求后，电路就变得简单了，而且在图书馆和网上，我们查阅了大量的资料，最终确定了电路连接图，在仿真软件中我们对电路图进行了准确的仿真，保证了电路图的准确性，焊接过程是调试前的最主要的准备工作。不过事实证明我们是成功的。

通过两周的课程设计，我认识到了知识与实践的重要性，只有牢记所学的专业知识，才会有清晰的设计思路，如果没有熟练地专业知识和技能，不单单在设计过程中会一筹莫展，将来步入社会了什么都不懂，这是大学生最忌讳的事情，当然细节决定成败，在课程设计过程中哪怕一个细节都会决定你的实验成功与否。无论出现什么问题，只要你耐心的去面对和改进，你就会慢慢成功。

所以这次课程设计不仅仅让我明白了专业知识的重要性，更让我明白了理论与实际结合的重要性。

皖西学院机电学院电信专业电子线路课程设计任务书

10.致谢

尊敬的马老师：

两周的课程设计虽然结束了，但是这期间所学的知识和马老师对我的帮助却让我难以忘记，马老师是我的指导老师，她是一个很有耐心的人，我们都很佩服她，虽然她只指导了我们很短的时间，但是她在课程设计过程中给了我们很大帮助，许多难题和问题都是她帮助我们亲自解决的，当然也感谢专业课黄老师对我的难题解答。

再次感谢马老师对我们课程设计的指导！

11. 主要参考文献

【1】 谢佳奎.电子线路（非线性部分）.北京：高等教育出版社，2002

【2】 宋树祥.高频电子线路.北京：北京大学出版社，2007

【3】 高吉祥.高频电子线路设计.北京：电子工业出版社，2007

【4】 张肃文.高频电子线路.北京：高等教育出版社，2002

【5】 曹兴雯.高频电子线路.北京：北京大学出版，2004

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目录

摘要………………………………………………………………………………………

1题目分析………………………………………………………………………… 2系统方案论证………………………………………………………………………

2.1 电路设计原理………………………………………………………………………

2.2 电路的设计方案…………………………………………………

2.3 电路设计…………………………………………………………………………… 2.4 主振电路设计原理分析…………………………………………………………… 2.5 变容二极管直接调频电路………………………………………………………… 2.6调频信号分析……………………………………………………………………… 2.7 变容二极管频率调制的原理………………………………………………………

3电路工作分析………………………………………………………………………

3.1 谐振回路总电容…………………………………………………………………… 3.2 调制灵敏度……………………………………………………………… 4. 增加电路稳定度…………………………………………………………………

4.1 震荡回路参数LC………………………………………………………… 4.2温度补偿法…………………………………………………………………… 4.3回路电阻……………………………………………………………………… 4.4增加缓冲级……………………………………………………………… 4.5有源器件参数……………………………………………………………… 4.6高稳定度LC振荡电路……………………………………………………………… 5. 电路元器件参数设置………………………………………………………………………

5.1 LC震荡电路直流参数设置………………………………………………………… 5.2 变容管调频电路参数设置………………………………………………………… 5.3 放大电路参数设置……………………………………………………………… 5.4 调制信号的幅度计算………………………………………………

6. 元器件清单………………………………………………………………… 7. 电路调试………………………………………………………………… 8.课程答辩………………………………………………………………… 9.实验心得体会………………………………………………………………… 10.致谢………………………………………………………………… 11.参考文献…………………………………………………………………

摘要

With the increasing use of electronic and communications technology has progressed, various kinds of new electronic product development at an increasing rate. The modern computer technology and the microelectronic technology further union and the development caused the electronic circuit and the communication link appeared two branches. One is the movement toward a more highly integrated IC development: while the other is the use of discrete components and hardware description language for the new devices are specially designed.

The FM broadcast has the resistance to interference strongly, the sound clear and so on the merits, has obtained the fast development. The frequency modulation broadcasting station's frequency band probably is usually 200~250kHz, Its bandwidth is amplitude modulation broadcasting station's dozens of times, is advantageous for transmits the high fidelity stereo sound signal. Because the modulated wave receives the bandwidth the limit, has the pass band width and the disturbance contradiction in the receiver, therefore the tonic train signaling frequency limits in the 30~8000Hz scope. When frequency modulation, may expand the tonic train signaling frequency range to 30~15000Hz, causes the tonic train signaling the frequency spectrum component to be richer, the sound quality is greatly the enhancement.

随着电子与通信技术的不断进步，各种新兴电子产品的开发速度越来越快。现代计算机技术和微电子技术的进一步结合和发展使得电子电路和通信线路出现了二个分支。一个是朝着更高集成度的集成电路发展：而另一个是利用分立元件和硬件描述语言对新型器件进行专门设计。

调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。调频电台的频带通常大约是200～250kHz，其频带宽度是调幅电台的数十倍，便于传送高保真立体声信号。由于调幅波受到频带宽度的限制，在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾，因此音频信号的频率局限于30～8000Hz的范围内。在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至30～15000Hz，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。

目前，应用最广泛的是采用变容二极管直接调频技术，即利用二极管反偏工作的PN结呈现的势垒电容，它与回路中的电感共同构成振荡器的振荡回路，从而作为振荡频率直接调频电路。它具有工作频率高、固有损耗小和使用方便等优点。

变容二极管为特殊二极管的一种。当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN（正负极）接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用

上均供给反向偏压。

在变容二极管直接调频电路中，变容二极管作为一压控电容接入到谐振回路中，有所学的正弦波振荡器章节中，我们知道振荡器的振荡频率由谐振回路的谐振频率决定。因此，党变容二极管的结电容随加到变容二极管上的电压变化时，由变容二极管的结电容和其他回路元件决定的谐振回路的谐振频率也就随之变化，若此时谐振回路的谐振频率与加到变容二极管上的调制信号呈线性关系，就完成了调频的功能，这也是变容二极管调频的原理。

关键词：LC振荡电路、变容二极管、调频

1. 题目分析

2.系统方案论证

2.1 电路设计原理

变容二极管为特殊二极管的一种。当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN（正负极）接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。

在变容二极管直接调频电路中，变容二极管作为一压控电容接入到谐振回路中，有所学的正弦波振荡器章节中，我们知道振荡器的振荡频率由谐振回路的谐振频率决定。因此，党变容二极管的结电容随加到变容二极管上的电压变化时，由变容二极管的结电容和其他回路元件决定的谐振回路的谐振频率也就随之变化，若此时谐振回路的谐振频率与加到变容二极管上的调制信号呈线性关系，就完成了调频的功能，这也是变容二极管调频的原理。

2.2 电路的设计方案

变容二极管直接调频电路由于变容二极管的电容变化范围大，因而工作频率变化就大，可以得到较大的频偏，且调制灵敏度高、固有损耗小、使用方便、构成的调频器电路简单。因而变容二极管直接调管频器是一种应用非常广泛的调频电路。

2.3 电路设计

变容二极管调频电路主要是由主振电路和变容二极管直接调频电路构成，电路如图

所示。

不加调制信号

加入调制信号

变容二极管调频电路

2.4 主振电路设计原理分析

端口通过滤直电容C82输入频率为1KHz大小为200mv的调制信号，并且频率由零

慢慢增大，端口12输出调频信号。T1,T2为3DG12C三极管，C9、C10、C7、L4、CC1、C8为主振回路，D1为Bb910变容二极管。为了减小三极管的极间电容Cce、Cbe、Ccb这些不稳定电容对振荡频率的影响，要求C9>C7,C10>C7，且C7越小，这种影响就越小，回路的标准性也就越高。则回路的谐振频率是

fo

12π

LC

本电路采用常见的电容三点式振荡电路实现LC振荡，简便易行。式中，L为LC振荡电路的总电感量，C为振荡电路中的总电容，主要取决于C3、C7、C8、Cc1及变容二极管反偏时的结电容Cj。，变容二极管电容Cj作为组成LC振荡电路的一部分，电容值会随加在其而端的电压的变化而变化，从而达到变频的目的。R4、R5、R6、R7和W2调节并设置电容三点式振荡器中T1管的静态工作点，R8、R9、R10调节并设置T2管的静态工作点，C7、C9、C10以及L4、CC1、C8构成LC振荡电路。电容三点式振荡器电路等效电路如下图所示。

电容三点式振荡器等效电路

2.5 变容二极管直接调频电路设计原理分析

图1.1中，直接调频电路由变容二极管(Bb910)D1，耦合电容C1、C3、C82，偏置电阻R1、R2，隔离电阻R3和电位器W1构成。接入系数p电容代替，保证接入系数不同）

其中等效电路图如下图所示。

CJC3C3Cj

，（C3由不同电容值的

变容二极管部分接入等效图

无调制时，谐振回路的总电容为：

式中CaC8CC17，（由于C9和C10电容值远大于C7,C9和C10可串联忽略） CQ为静态工作点是所对应的变容二极管结电容。

CQCa

C3CQC3CQ

调频电路中，R1、R2、R3和W1调节并设置变容二极管的反偏工作点电压VQ，，调制信号vΩ经C82和高频扼流圈L1加到二极管上。为了使VQ和vΩ能有效的加到变容管上，而不至于被振荡回路中L4所短路，须在变容管和L4之间接入隔直流电容C3，要求它对高频接近短路，而对调制频率接近开路。C1为高频滤波电容，要求它对高频的容抗很小，近似短路，而对调制频率的容抗很大，近似开路。信号VΩ从端口通过C82输入，C82为隔直电容，滤除输入信号中掺杂的直流成分。电感L1为高频扼流圈，要求它对高频的感抗很大，近似开路，而对直流和调制频率近似短路。对高频而言，L1相当于断路，C3相当于短路，因而C3和二极管D1接入LC振荡电路，并组成振荡器中的电抗分量，等效电路如下左图所示。对直流和调制频率而言，由于C3的阻断，因而VQ和vΩ可以有效的加到变容管上，不受振荡回路的影响，等效电路如下右图所示。

CJ

高频通路 直流和调制频率通路

2.6 调频信号分析

FM调制是靠调频使信号频率发生变化，振幅可保持不变，所以噪声易消除。 设载波则

VcVcmcoswct

,调制波

VsVsmcoswst

。

wmwcwcoswst

或

fmfcfcos2fst

，此时的频率偏移量

△f为最大频率偏移。

最后得到的被调制波

m

VmVcmsinm

, V m 随Vs的变化而变化。

w

t

m

dtwct(w/ws)sinwst

VmVcmsinm

Vcmsin[wct(w/ws)sinwst]Vcmsin(wctmsinwst)

m

wws

ffs

为调制系数

2.7 变容二极管直接调频电路

变容二极管具有PN结，利用PN结反向偏置时势垒电容随外加反向偏压变化的机理，

在制作半导体二极管的工艺上进行特殊处理，以控制半导体的掺杂浓度和掺杂分布，可以使二极管的势垒电容灵敏地随反偏电压变化且呈现较大的变化，这样就制作成了变容二极管。

变容二极管的结电容Cj，与在其而端所加反向电压u之间存在着如下关系：

Cj

Cj0u1VB

n

………………………（Ⅰ）

式中，VB为PN结的势垒位差(硅管约为0.7V,锗管约为0.3V)，Cj0为变容二极管在零偏置时的结电容值，n为变容二极管的结电容变化指数，它取决于PN结的杂质分布规律：n=1/3对于缓变结，扩散型管多属此种； n=1/2为突变结，合金型管属于此类。采用特殊工艺制程的超突变结的n在1～5之间。 变容二极管的结电容变化曲线如所示。

变容二极管的Cj-u特性曲线

加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压V0和调制信号电压VΩ(t)= VΩcosΩt，即

uVQVΩVQVΩmcosΩt

……………………………………（Ⅱ）

将式（Ⅱ）带入（Ⅰ），得

Cj

Cj0

VQcosΩt1VB

n



Cj0VQ1VB

n

1

VΩm

1cosΩVVQB

n



t

n

CjQ1mcosΩt

式中，CjQ

Cj0

VQ1

B

VV

为静态工作点的结电容，mΩmVVmV为反QBQ

n

映结电容调深度的调制指数。

结电容在u(t)的控制下随时间的变化而变化。把受到调制信号控制的变容二级管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡回路的频率已收到调制信号的控制。适当选择调频二极管的特性和工作状态，这样就实现了调频。设电路工作在线性调制状态，在静态工作点Q处，曲线的斜率为

kCΔCΔV

。

3电路工作分析

3.1谐振回路总电容

C

回路总电容变化量

CpCj

2

Ca

C3CjC3Cj

3.2调制灵敏度

单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度，以Sf表示，单位为 kHz/V，即

Sf = △fm / VΩm

VΩm为调制信号的幅度；△fm为变容管的结电容变化△Cj时引起的最大频偏。

在频偏较小时，△fm与△C∑的关系可采用下面近似公式，即

fmfo



1C



2CQ

调制灵敏度

调制灵敏度Sf可以由变容二极管Cj-v 特性曲线上VQ处的斜率kc计算。Sf越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。 改变CC1的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。

Sf

fo2CQ

CVΩm

4 电路元器件参数

4.1震荡回路参数LC

显然LC如有变化，必然引起震荡频率的变化，影响LC变化的因素有：元件的机械变形，周围温度变化的影响，适度，气压的变化，因此为了维持LC的数值不变，首先就应选取标准性高的，不易发生机械变形的元件；其次，应尽量维持振荡器的环境温度的恒定，因为当温度变化时，不仅会使LC的数值发生变化，而且会引起电子器件的参数变化，因此高稳定度的振荡器可以封闭在恒温箱（杜瓦瓶）内，LC采用温度系数低的材料制成。

4.2 温度补偿法

使L与C的变化量与△L与△C的变化量相互抵消以维持恒定的震荡频率，：若回路的损耗电阻r很小，即Q值很高，则振荡频率可以近似的用回路的固有频率f0来表示。由于外界因素的影响，使LC产生微小的变量△L、△C，因而引起振荡频率的变化，若选用合适的负温度系数的电容器 （电感线圈的温度系数恒为正值），使得△C/C与△L/L互相抵消，则△f可减为零。这就是温度补偿法。

4.3 回路电阻

r的大小是由振荡器的负载决定的，负载重时，r大，负载轻时r小，当负载变化时，振荡频率也随之变化。为了减小r的影响尽量使负载小且稳定，r越小，回路的Q值越高，频率的稳定度也越高，

4.4 加缓冲级

为了减弱后级电路对主振器的影响，可在主振器后面加入缓冲级。所谓缓冲级，就是实际上是一级不需要推动功率的放大器（工作于甲类）。

4.5 有源器件的参数

晶体管为有源器件时，若他的工作状态（电源电压或周围温度等）有所改变，则晶体管的h参数会发生变化，即引起振荡频率的改变。为了维持晶体管的参数不变，应该采用稳压电源，和恒温措施。

4.6 采用高稳定度LC振荡电路

5.电路元器件参数设置

5.1 LC震荡电路直流参数设置

ICQ一般为1～4mA。若ICQ偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。

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，为使减小IBQ对偏执电阻的电位偏执效果的影响，取R6和R7上流过的电流IB>>IBQ，取R6=15KΩ，R7=8.2KΩ，W2的可调最大阻值为20K。实验实际测得T1管Vc1=7.8V，Vce1=5.6V，Vbe=0.64V，基本接近理论值。

5.2 变容管调频电路参数设置

由LC震荡频率的计算公式可求出f0

12

LC

，若取C=CaC8CC1C7，本次

实验中可调电容CC1规格为5～120pF，计算时取5pF，C7=24pF。L4≈1.2H。实验中可适当调整CC1的值。电容C9、C10由反馈系数 F 及电路条件C7

FC2/C31/8~1/2

，则取 C10=330 pF，取耦合电容 C1=4.7F，

C14=0.1uF。图1.3为变容二极管部分接入振荡回路的等效电路，接入系数p及回路总电容C∑分别为

p

C3C3Cj

CCa

C3CjC3Cj

为减小振荡回路高频电压对变容管的影响， p应取小，但p过小又会使频偏达不到指标要求。可以先取p=0.2，然后在实验中调试。取C3=30pF，C82=330pF，电位器W1规格为5K。R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压VQ，电阻R3称为隔离电阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以减小调制信号VΩ对VQ的影响。取 R2=3.9k ，隔离电阻R3=180kΩ，R1=20KΩ。实际调试时，L1用1.2uH代替，测得C3与L1之间节点对地电压为0.5V,较理论值偏小。R1与R2之间节点对地电压为2.7V。

5.3 T2管参数设置

对输出电路，为保证T2管正常工作，可取R8=8.2K，R9=10K，R10=1.5K，实验实测得R8与R9间节点对地电压为6.4V,Ve2=5.69V,则Vbe2≈0.7V，基本符合理论值。取耦合电容C12=33pF，C13=0.01uF

5.4 调制信号的幅度计算

为达到最大频偏△fm的要求，调频信号的主振频率和最大频偏△fm，可由下列关系式求出。

f0

12

LC

fm

12

fo

CCQ

计算以上各式可得f020.945MHz，△fm≈20KHz，满足实验要求。

6.元器件清单

7.电路调试

在焊接好变容二极管调频实验电路板后，就是进行调试工作，调试过程进行的很顺利，但是让我和队友等了将近一天，中午调试的同学都等了好久，最后都没调试上，可能这就是过程的研究，但在别人调试的时候，我和队友把我们焊接的电路板用万用表从头到尾把实验电路测量了一遍，保证了焊接无失误所在，有些元器件虽然实验室里没有库存，但是我们都用了其他能代替并且不会对电路产生音箱的元器件进行了代替，在下午进行了变容二极管的调试，焊接是我焊的，幸好实验很成功，否则就丢大人了，在调试过程中，首先输入端不接信号，只需接直流电源即可，在输出端口接示波器，在示波器上能观察到载波出现，这就保证了震荡电路是满足条件的，其次在输入端接上从函数信号发生器上输入的调制信号，在打开电源，在示波器上观察到双峰调频波，而且疏密程度不同，当调制信号大于零时，调频信号的频率高于载波频率，单位时间能的波形数比载波多：当调制信号小于零时，调频信号的频率低于载波频率，单位时间能的波形数比载波少，由此可见，调制信号的信息寄托在高频载波频率变化中，调频信号是一恒定振幅的信号，其振幅保持不变。

8.课程设计答辩 1.输出的调频波的特性?

答:打开电源，在示波器上观察到调频波，而且疏密程度不同，当调制信号大于零时，调频信号的频率高于载波频率，单位时间能的波形数比载波多：当调制信号小于零时，调频信号的频率低于载波频率，单位时间能的波形数比载波少，由此可见，调制信号的信息寄托在高频载波频率变化中，调频信号是一恒定振幅的信号，其振幅保持不变。

2.求不同接入介入系数?

p

C3C3Cj

解答: 接入系数

Cj

Cj0u

1VB

n

如果需要求接入系数 只需要求

CjQ

Cj0

n

（1）不加调制信号时

fo

VQ1

B

12πLC

经过LC振荡电路后载波频率为 可求得C=48pf

CCa

C3Cj

C3Cj

=20.945MHz

(

CaC8CC17

)（CC1按100pf计算时）

Ca=23.3pf

可求得CQ=Cj=139pf 那么接入系数在不加调制信号时为

p

C3C3Cj

= 0.177

（2）加调制信号时

uVQVΩVQVΩmcosΩt

Cj

Cj0

VQcosΩt1VB

Cj0VQ1VB

n

n

1

VΩm

1cosΩVQVB

n

t

n

CjQ1mcosΩt

CjQ

Cj0

n

其中

12πLC



VQVV

mΩmm1

BVQVBVQ



fo

f=这是调制信号的频率,已知最大频偏△fm=20KHz

在仿真图中，用万用表可测的变容二极管两端的电压为-2.909V 当输入调制信号为频率为1KHZ，振幅为200mv时 可得上式中的m=0.2/2.909=0.0687

可求得不同接入系数表达式为

p

C3C3Cj

=C3/C3+CQ(1+mcoswt)^n

=30/30+139(1+0.068cos2*3.14*1000t)^2 (3)已知最大频偏△fm=20KHz

调频波的最大频率为f=20.965MHz,代入以上各式可同样求得 总电容C=47.6PF 结电容Cj=131PF

那么接入系数在最大频偏时求得

p

C3C3Cj

=0.186

9.课程设计心得与体会

通过对变容二极管调频电路的设计与研究，我们不仅对变容二极管的调频原理有了更深刻的了解，还对调频电路的应用进行了一定的了解，调频电路在无线电通信中是非常重要的调制方式，应用非常广泛，特别是在数字调制中应用更广，频率调制简称调频，是指用调制信号去控制高频载波的频率，，使之随调制信号的规律变化，确切的讲，是使载波信号的频率随调制信号线性变化，而振幅保持不变。这在示波器上能明显观察到双峰调频波。变容二极管调频电路是直接调频电路的一种，主要是因为变容二极管直接调频电路简单、性能良好。同时变容二极管的电容变化范围大，因而工作频率就达，可以得到较大的频偏，而且调制灵敏度高、固有损耗小，因而变容二极管直接调频电路时一种应用非常广泛的调频电路。

在课程设计的整个过程中，当我们明确了目的和要求后，电路就变得简单了，而且在图书馆和网上，我们查阅了大量的资料，最终确定了电路连接图，在仿真软件中我们对电路图进行了准确的仿真，保证了电路图的准确性，焊接过程是调试前的最主要的准备工作。不过事实证明我们是成功的。

通过两周的课程设计，我认识到了知识与实践的重要性，只有牢记所学的专业知识，才会有清晰的设计思路，如果没有熟练地专业知识和技能，不单单在设计过程中会一筹莫展，将来步入社会了什么都不懂，这是大学生最忌讳的事情，当然细节决定成败，在课程设计过程中哪怕一个细节都会决定你的实验成功与否。无论出现什么问题，只要你耐心的去面对和改进，你就会慢慢成功。

所以这次课程设计不仅仅让我明白了专业知识的重要性，更让我明白了理论与实际结合的重要性。

皖西学院机电学院电信专业电子线路课程设计任务书

10.致谢

尊敬的马老师：

两周的课程设计虽然结束了，但是这期间所学的知识和马老师对我的帮助却让我难以忘记，马老师是我的指导老师，她是一个很有耐心的人，我们都很佩服她，虽然她只指导了我们很短的时间，但是她在课程设计过程中给了我们很大帮助，许多难题和问题都是她帮助我们亲自解决的，当然也感谢专业课黄老师对我的难题解答。

再次感谢马老师对我们课程设计的指导！

11. 主要参考文献

【1】 谢佳奎.电子线路（非线性部分）.北京：高等教育出版社，2002

【2】 宋树祥.高频电子线路.北京：北京大学出版社，2007

【3】 高吉祥.高频电子线路设计.北京：电子工业出版社，2007

【4】 张肃文.高频电子线路.北京：高等教育出版社，2002

【5】 曹兴雯.高频电子线路.北京：北京大学出版，2004

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