变容二极管调频实验.ppt

厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越高频电子线路实验高频电子线路实验 变容二极管变容二极管 频率调制实验频率调制实验 (5)(5)厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越 一、实一、实 验验 目目 的的33、理解变容二级管调频的静态调制特性与动态调制、理解变容二级管调频的静态调制特性与动态调制特性概念和测试方法。特性概念和测试方法。1 1、了解频率调制、了解频率调制(FM)(FM)的基本工作原理；的基本工作原理；2 2、掌握用变容二极管实现调频、掌握用变容二极管实现调频(FM)(FM)的原理与过程；的原理与过程；厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越二、实二、实 验验 内内 容容1 1 变容二极管静态调制特性实验变容二极管静态调制特性实验 2 2 变容二极管动态调制特性实验变容二极管动态调制特性实验 厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越三、实验应知知识三、实验应知知识 所谓调频所谓调频，就是把所要传送的信息（例如语言、音乐等）作，就是把所要传送的信息（例如语言、音乐等）作为调制信号为调制信号,去控制载波信号的频率，使其按照调制信号幅度的去控制载波信号的频率，使其按照调制信号幅度的大小变化大小变化,而振幅保持恒定的一种调制方式。而振幅保持恒定的一种调制方式。1 1什么是频率调制（什么是频率调制（FMFM）tVttVctVFM 由此可见由此可见:U:UFMFM为等幅疏密波，疏密的变化与调制为等幅疏密波，疏密的变化与调制信号有关，调制信号寄托于等幅波的疏密之中或单位信号有关，调制信号寄托于等幅波的疏密之中或单位时间内过零点的数目之中。其数学表达式为时间内过零点的数目之中。其数学表达式为:厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越三、实验应知知识三、实验应知知识直接法的特点是直接法的特点是:振荡器与调制器合二为一。振荡器与调制器合二为一。2.2.常用调频方法常用调频方法产生调频信号的常用方法有：产生调频信号的常用方法有：1)1)直接法直接法 直接法主要有变容二极管直接调频、电抗管直接调频和晶体振直接法主要有变容二极管直接调频、电抗管直接调频和晶体振荡器直接调频等方法。其中，变容二极管直接调频最常用。荡器直接调频等方法。其中，变容二极管直接调频最常用。直接法直接法间接法间接法 直接法就是用调制信号控制振荡器的频率（通过改变振荡回直接法就是用调制信号控制振荡器的频率（通过改变振荡回路元件参数来实现）。路元件参数来实现）。这种方法的主要优点这种方法的主要优点:在实现线性调频的要求下，可以获得较在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏大的频偏.其主要的缺点其主要的缺点:频率稳定度差。频率稳定度差。厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越三、实验应知知识三、实验应知知识高稳定度高稳定度载波振荡器载波振荡器 相位相位调制器调制器积分积分 电路电路多级倍频多级倍频和混频器和混频器窄带窄带宽带宽带 间接法就是把振荡与调制器分开，即采用高稳定度的晶体振间接法就是把振荡与调制器分开，即采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级荡器作为主振级,先对调制信号积分，再调相，然后从调相器获先对调制信号积分，再调相，然后从调相器获得调频信号。这样一来就可得中心频率稳定度高的调频信号，得调频信号。这样一来就可得中心频率稳定度高的调频信号，但最大相偏有限。但最大相偏有限。2)2)间接法间接法因因为为在在间间接接调调频频时时，要要获获得得线线性性调调频频必必需需以以线线性性调调相相为为基基础础。但但在在实实现现线线性性调调相相时时，要要求求最最大大瞬瞬时时相相位位偏偏移移 ，因因而而线线性性调调相相的的范范围围很很窄窄，因因此此转转换换成成的的调调频频波波的的最最大大频频偏偏 很很小小，即即：m m f1f1，这这是是间间接接调调频频法的主要缺点法的主要缺点。但但最最大大频频偏偏小小的的缺缺点点可可以以通通过过多多级级倍倍频频器器后后获获得得符符合合要要求求的的调调频频频频偏偏，另另外外采采用用混混频频器器变变换换频频率率可可以以得得到到符符合合要要求求的的调调频频波工作范围。波工作范围。厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越三、实验应知知识三、实验应知知识三、实验应知知识三、实验应知知识3.3.调频信号的参数调频信号的参数（1 1）最大角频偏）最大角频偏（2 2）调制系数（调制灵敏度）调制系数（调制灵敏度)它表示它表示 对瞬时（角）频率的控制能力，即单位调制电压所引起对瞬时（角）频率的控制能力，即单位调制电压所引起的频偏量，是产生的频偏量，是产生FMFM信号电路的重要参数。信号电路的重要参数。（3 3）调频指数）调频指数 它是单音调制信号引起的最大瞬时相角偏移它是单音调制信号引起的最大瞬时相角偏移 量，量，又称调制深度，但又称调制深度，但 与与F F成反比。成反比。可以大于可以大于1 1，而且常常，而且常常远远大于远远大于1 1。它是瞬时角频率它是瞬时角频率 的最大值；的最大值；反映了频率受调制的程度，反映了频率受调制的程度，是衡量调频质量的重要指标是衡量调频质量的重要指标。厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越三、实验应知知识三、实验应知知识4 4 带宽带宽若若 1 1，则，则 ，为宽带调频。，为宽带调频。由于由于FMFM信号的能量主要集中在信号的能量主要集中在 附近，因此，忽略掉其附近，因此，忽略掉其它一些振幅很小的边频分量，在工程上定义它一些振幅很小的边频分量，在工程上定义FMFM信号带宽为：信号带宽为：若若 1 1，则，则 ，为窄带调频；，为窄带调频；厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越三、实验应知知识三、实验应知知识5.5.变容二极管的特点与压控特性变容二极管的特点与压控特性二极管的二极管的PNPN结结具有电容效应具有电容效应 扩散电容，扩散电容，正向偏置正向偏置，电容效应比较小。，电容效应比较小。势垒电容，势垒电容，反向偏置反向偏置 ，电容效应大。，电容效应大。所以所以为利用为利用PNPN结的势垒电容，变容二极管应工作在反向偏置状态结的势垒电容，变容二极管应工作在反向偏置状态.当当PNPN结反向偏置时，结电容会随外加反向偏压而变化，而结反向偏置时，结电容会随外加反向偏压而变化，而专用的变容二极管，是经过特殊工艺处理（控制半导体的掺杂专用的变容二极管，是经过特殊工艺处理（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布）使势垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变浓度和掺杂的分布）使势垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变化而呈现较大变化的压控变容元件。化而呈现较大变化的压控变容元件。1)变容二极管结构特点变容二极管结构特点厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越2)2)变容二极管变容二极管压控特性压控特性三、实验应知知识三、实验应知知识 变变容容二二极极管管结结电电容容CjCj的的大大小小,随随其其PNPN结结所所加加反反偏偏电电压压u uR R变变化化的的关系，称关系，称变容二极管的压控特性。变容二极管的压控特性。结电容结电容CjCj与反偏电压与反偏电压u uD D 的关系：的关系：式中式中：Co：uR=0时的电容（零偏置电容）uR：外加反向偏置电压uD:PN结势垒电位差(硅管约为0.6V)。r:r:结电容变化指数，通常=1/21/3，经特殊工艺制成的超实变结 电容=15 可可以以看看出出C Cj j与与u uR R之之间间是是非非线线性性关关系系，即即变变容容二二极极管管属属于于非非线线性性电电容容，这这种种非非线线性性电电容容基基本本上上不不消消耗耗能能量量，产产生生的的噪噪声声量量级级也也较较小小，是较理想的高效率，低噪声非线性电容是较理想的高效率，低噪声非线性电容。=1/2=1/2为实变结为实变结=1/3=1/3为缓变结为缓变结1 1为超实变结为超实变结厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越三、实验应知知识三、实验应知知识6.6.变容二极管直接调频的原理电路变容二极管直接调频的原理电路 为为了了突突出出调调频频性性能能的的分分析析，下下图图只只画画出出了了它它的的高高频频交交流流等等效效电电路路，没没有有画出直流馈电电路。画出直流馈电电路。图中；图中；C C3 3为高频偶合电容，为高频偶合电容，C C4 4为偶合隔直电容，为偶合隔直电容，L LD D为高频扼流圈，阻止高频为高频扼流圈，阻止高频电流经过调制信号源被旁路，右图为振荡器交流等效电路，电流经过调制信号源被旁路，右图为振荡器交流等效电路，C C j j与振荡器回路并与振荡器回路并联，联，R R1 1，R R2 2为为C C j j的偏置电路，为的偏置电路，为C C j j提供静态直流偏压提供静态直流偏压，而二极管的反偏电压为：而二极管的反偏电压为：+uR-LCjC1C2VTLCjC1C2VTLDC3C4ECR2+u-R1+Uo-厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越1 1）全接入式变容二极管直接调频）全接入式变容二极管直接调频7.7.变容二极管直接调频法的全接入式和部分接入方式变容二极管直接调频法的全接入式和部分接入方式 若若C Cj j为为回回路路的的总总电电容容，如如图图（A A）所所示示为为全全接接入入式式变变容容二二极极管管直直接接调调频频电电路路。图图中中C C1 1很很大大，所所以以决决定定振振荡荡频频率率的的等等效效电电路路为图（为图（B B），其振荡频率为），其振荡频率为LC1CjL2R1R2R3VccLCj三、实验应知知识三、实验应知知识厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越 部分接入式振荡回路如所示，部分接入式振荡回路如所示，CjCj为回路电容的一部分，为回路电容的一部分，总电容总电容C C为为:2)2)部分接入式变容二极管直接调频部分接入式变容二极管直接调频LCjC1C2振荡频率为振荡频率为:)2coscos1(2coscosLC1)(2212LL+W+W+=+WD+WD+D+=tmAtmAtttcmmccwwwwww三、实验应知知识三、实验应知知识厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越 实验应知知识介绍完毕实验应知知识介绍完毕实实 验验 开开 始始谢谢谢谢!厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越 a a、注意安全操作规程，确保人身安全、注意安全操作规程，确保人身安全注意人身安全和仪器设备的安全注意人身安全和仪器设备的安全为了防止器件损坏，在切断实验电路板上的电源后才能改接电路。为了防止器件损坏，在切断实验电路板上的电源后才能改接电路。调换仪器时应切断实验仪器的电源。调换仪器时应切断实验仪器的电源。逐步养成用右手进行单手操作的习惯。逐步养成用右手进行单手操作的习惯。b b、爱护仪器设备、爱护仪器设备仪器在使用过程中，不必经常开关电源。仪器在使用过程中，不必经常开关电源。切忌切忌无目的的拨弄仪器面板上的开关和按钮。无目的的拨弄仪器面板上的开关和按钮。仪器设备出现问题，请向老师寻求帮助，仪器设备出现问题，请向老师寻求帮助，请勿请勿随便调换配件。随便调换配件。实验现场的操作规程实验现场的操作规程厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越 图中，图中，BG2 BG2 本身为电容三点式振荡器级，它与本身为电容三点式振荡器级，它与BG1BG1（变容二极管）一起组成（变容二极管）一起组成了直接调频器。了直接调频器。BG3 BG3 为共射放大器，为共射放大器，BG4 BG4 为射极跟随器。为射极跟随器。W1 W1 用来调节变容二极用来调节变容二极管偏压，管偏压，W2 W2 用来调节用来调节 BG2 BG2 级的静态工作点，它们都会影响级的静态工作点，它们都会影响 FM FM波载波频率。波载波频率。W3W3用来调节输出（用来调节输出（OUTOUT）电压幅度。）电压幅度。三、实验应知知识三、实验应知知识1 1。实验变容二极管调频电路。实验变容二极管调频电路 厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越 式中，式中，CS=(C2CjC4)+(C5C6C7)CS=(C2CjC4)+(C5C6C7)（若接通（若接通 K1 K1，则用，则用 C3+C4 C3+C4 取代取代 C4 C4）。）。对输入音频信号而言，对输入音频信号而言，C1C1、L1 L1 短路，短路，C2 C2 开路，从而音频信号可加到变容二极管开路，从而音频信号可加到变容二极管 BG1 BG1 上。只要改变上。只要改变 Cj Cj，即可改变，即可改变 CS CS，从而改变振荡频率，这就是变容二极管调频器的工作原，从而改变振荡频率，这就是变容二极管调频器的工作原理。理。三、实验应知知识三、实验应知知识2 2。实验变容二极管调频等效电路。实验变容二极管调频等效电路 等效电路如图，图（等效电路如图，图（a)a)可见，加到变容二极管上的直流偏置就是可见，加到变容二极管上的直流偏置就是+12V+12V经由经由 R3 R3、W1 W1 分压后，分压后，从从 W1 W1 滑动端上取出的电压，因而调节滑动端上取出的电压，因而调节 W1 W1 即可调整偏压。由图即可调整偏压。由图(b)(b)可见，该调频器本质可见，该调频器本质上是一个电容三点式振荡器（共集接法），变容二极管经由上是一个电容三点式振荡器（共集接法），变容二极管经由 C4 C4（或（或 C3+C4 C3+C4）再加到回路）再加到回路的的 L2 L2 上，因而是属于变容二极管取部分接入的电路。接通上，因而是属于变容二极管取部分接入的电路。接通 K1 K1 可增大接入系数。显然，可增大接入系数。显然，振荡频率振荡频率 fo fo 为：为：厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越1 1。LC LC振荡电路调整振荡电路调整 输入输入“IN”“IN”端先不接音频调制信号，同时将耦合电容端先不接音频调制信号，同时将耦合电容C3C3不接。将数字存贮不接。将数字存贮示波器的示波器的“CH1”“CH1”探头接到调频器单元探头接到调频器单元“OUT”“OUT”端，检测端，检测LCLC振荡器的输出信号，振荡器的输出信号，适当调节振荡器适当调节振荡器V1V1管的基极偏置电位器管的基极偏置电位器RP2RP2，使得振荡器输出信号波形（正弦，使得振荡器输出信号波形（正弦波）最大且不失真。波）最大且不失真。适当调节放大器适当调节放大器V2V2管的输出幅度调节电位器管的输出幅度调节电位器RP3RP3，使输出信号的幅度最大，此，使输出信号的幅度最大，此后应保持后应保持RP2RP2和和RP3RP3不变。不变。记录此时记录此时LCLC振荡器输出信号的频率、幅度与电信号波形。振荡器输出信号的频率、幅度与电信号波形。五、实验内容五、实验内容厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越2.2.变容二极管调频振荡器静态调制特性调测变容二极管调频振荡器静态调制特性调测变容管直流偏置VD（V）12345678不接C3fo(MHZ)接入c3 按表所列的数据要求，分别接或不接耦合电容按表所列的数据要求，分别接或不接耦合电容C3C3，以，以1V1V电压为步进，逐电压为步进，逐点调整点调整RP1RP1电位器，将测试数据记录于表中。电位器，将测试数据记录于表中。五、实验内容五、实验内容 当以上各点测试完成后，适当调整当以上各点测试完成后，适当调整Rp1Rp1电位器，使调频振荡频率输出信号的频电位器，使调频振荡频率输出信号的频率为，并用电压表记录此时率为，并用电压表记录此时VD=?VVD=?V。根据测量数据结果，按图所示，作出根据测量数据结果，按图所示，作出f-Vf-VD D特性曲线特性曲线,。体会变容二极管结电。体会变容二极管结电容容CjCj随随VDVD变化的关系变化的关系.厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越3 3 变容二极管调频动态调制特性的测量变容二极管调频动态调制特性的测量 调制信号，加到调频器的输入调制信号，加到调频器的输入“IN”“IN”端。并以此信号作示波器的同步信号，端。并以此信号作示波器的同步信号，加入示波器的加入示波器的“CH1”“CH1”通道。通道。载信号：载信号：6.5MHz/1.5-2Vp-p(6.5MHz/1.5-2Vp-p(调整调整RP3)RP3)调制信号调制信号不接不接C3C3耦合电容耦合电容 用示波器的用示波器的“CH2”“CH2”通道观察通道观察FMFM调制器的调制器的“OUT”“OUT”端的调频信号输出波形。端的调频信号输出波形。由于载波的频率为，观察时，应适当调整示波器的由于载波的频率为，观察时，应适当调整示波器的“秒秒/格格”（1ms1ms）旋钮，再）旋钮，再配合配合“暂停暂停/运行运行”功能键。记录此条件时的调制信号与调频信号的波形。功能键。记录此条件时的调制信号与调频信号的波形。接入电容接入电容C3C3，按以上操作步，按以上操作步骤，记录此时的调制信号与调频骤，记录此时的调制信号与调频信号的波形。信号的波形。五、实验内容五、实验内容厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越1 1 整理实验数据整理实验数据2 2 在同一坐标纸上画出静态调制特性曲线，并求出其调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，说明曲线斜率受哪些因素影响。制灵敏度，说明曲线斜率受哪些因素影响。3 3.在坐标纸上画出动态调制特性曲线，说明输出波形畸变在坐标纸上画出动态调制特性曲线，说明输出波形畸变的原因。的原因。实验报告要求实验报告要求厚德博学厚德博学厚德博学厚德博学 追求卓越追求卓越追求卓越追求卓越FMFM信号的频谱特点：信号的频谱特点：1 1、以、以fofo为中心，由无穷多对以为中心，由无穷多对以F F为间隔的边频分量组成，为间隔的边频分量组成，各分量的幅值取决于各分量的幅值取决于BesselBessel函数，且围绕函数，且围绕fofo对称分布；对称分布；2 2、fofo的分量并非总是最大，有时为零。的分量并非总是最大，有时为零。3 3、FMFM信号的功率大部分集中于信号的功率大部分集中于fofo附近；附近；4 4、频谱结构与、频谱结构与mfmf有密切的关系：在有密切的关系：在fmmffmmf有影响的边有影响的边频数目增加频数目增加频谱展宽；在频谱展宽；在fmfm一定时，在一定时，在FmfFmf有影响的有影响的边频数目增加边频数目增加频谱宽度基本不变。频谱宽度基本不变。