基于Multisim的调频电路设计与仿真(2)

第三章 调频技术

3.1调频与鉴频的概念 调频就是用调制信号控制载波的振荡频率，使载波的频率随着调制信号变化。已调波称为调频波。调频波的振幅保持不变，调频波的瞬时频率偏离载波频率的量与调制信号的瞬时值成比例。调频系统实现稍复杂，占用的频带远较调幅波为宽，因此必须工作在超短波波段。抗干扰性能好，传输时信号失真小，设备利用率也较高。

把含有信息的低频信号从经过传输的调频波中解调出来，还原含有信息的低频信号，称为鉴频。

使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母 FM表示。

3.2 间接调频电路

调频波的数学表示式，在调制信号为uΩ(t)时，为

uFM(t)=Ucmcos[ωct+kf

可见调频波的相位偏移为kf

调制信号先通过积分器得

信号为 的调相波，即

] ] （3-1） uΩ(t)的积分成正比。若将与调制信号 ， ，然后再通过调相器进行调相，即可得到调制 u(t)=Ucm cos[ωct+kP （3-2）

因此，调频可以通过调相间接实现。通常将这样的调频方式称为间接调频，其原理方框图如图

10-1所示。这样的调频方式采用频率稳定度很高的振荡器(例

如石英晶体振荡器)作为载波振荡器，然后在它的后级进行调相，得到的调频波的中心频率稳定度很高。

图3-1 间接调频原理方框图

3.3 变容二极管直接调频电路

（1）．变容二极管的特性

变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的。在加反向偏压时，变容二管呈现一个较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会明显地随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。

变容二极管的反向电压与其结电容呈非线性关系。其结电容Cj 与反向偏置电压ur之间有如下关系：

Cj Cj0

ur 1 Ud r (3-3)

式中，UD 为PN结的势垒电压，Cj0 为ur =0时的结电容;γ为电容变化系数。

（2）．调频基本原理

图3-2 变容二极管调频电路

图3-2是变容二极管调频器的原理电路。图中虚线左边是一个LC正弦波振荡器，右边是变容二极管和它的偏置电路。其中Cc是藕合电容，ZL为高频扼流圈，它对高频信号可视为开路。变容二极管是振荡回路的一个组成部分，加在变容二极管上的反向电压为

ur =Vcc VB+uΩ(t)=VQ+uΩ(t) (3-4)

式中，VQ=Vcc VB是加在变容二极管上的直流偏置电压；uΩ(t)为调制信号电压。

图3-3 结电容随调制电压变化关系

图3-3(a)是变容二极管的结电容与反向电压ur的关系曲线。由电路可知，加在变容二极管上的反向电压为直流偏压VQ和调制电压uΩ(t)之和，若设调制电压为单频余弦信号，即uΩ (t)=UΩmcosΩt则反向电压为:

ur (t)= VQ+UΩm cosΩt (3-5)

如图3-3(b)所示。在ur (t)的控制下，结电容将随时间发生变化，如图3-3(c)所示。结电容是振荡器振荡回路的一部分，结电容随调制信号变化，回路总电容也随调制信号变化，故振荡频率也将随调制信号变化。只要适当选取变容二极管的特性及工作状态，可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性关系，从而实现调频。

（3）. 电路分析

设调制信号为uΩ(t)=UΩm cosΩt，加在二极管上的反向直流偏压为 VQ，VQ的取值应保证在未加调制信号时振荡器的振荡频率等于要求的载波频率，同时还应保证在调制信号uΩ (t)的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。加在变容二极管上的控制电压为

ur (t)= VQ+UΩm cosΩt

相应的变容二极管结电容变化规律为

(3-6)

当调制信号电压uΩ(t)=0时，即为载波状态。此时ur(t)=VQ，对应的变容二极管结电容为CjQ : CjQ Cj0

VQ 1 Ud r (3-7)

当调制信号电压uΩ(t)=UΩm cosΩt时， Cj Cj0Cj0 rUD VQU mcos t[1 mcos t][(1 )]r

UDUD VQ

代入式(3-7),并令m= UΩm /(UD+VQ)为电容调制度，则可得

Cj0Cj [1 mcos t]r (3-8)

上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电压的关系由振荡回路决定。由图3-2可得，振荡器振荡回路的等效电路，如图3-4(a)所示。

图3-4 振荡回路等效电路

(1).变容二极管作为振荡回路的总电容

设C1未接入,Cc较大,即回路的总电容仅是变容二极管的结电容,其等效回路如图3-4(b)所示。加在变容二极管上的高频电压很小,可忽略其对变容二极管电容量变化的影响,则瞬时振荡角频率为

w(t) (3-9)

因为未加调制信号时的载波频率

w(t)

所以 ,

w(t)

（3-10）

根据调频的要求,当变容二极管的结电容作为回路总电容时,实现线性调频

的条件是容二极管的电容变化系数γ=2。若变容二极管的电容变化系数γ不等于2，设uΩ(t)=UΩm cosΩt ，则 (1 mco st

勒级数,

得 y2，) 可以在 mcos t=0处展开成为泰

rrrrr[ 1][ 1][ 2]r(1 mcos t) 1 mcos t m2cos2 t (mcos t)3 ... 22!2!y2

(3-11) 通常m<1，上列级数是收敛的。因此,可以忽略三次方项以上的各项,则

从上式可知,对于变容二极管调频器,若使用的变容二极管的变容系数γ≠2,则输出调频波会产生非线性失真和中心频率偏移。其结果如下：

rr[ 1]rw(t) wc[1 mcos t m2cos2 t]22!

rr2

2r wc[1 mcos t mcos2 t m2cos2 t]284

rrrrr wc[1 ( 1)m2 mcos t ( 1)m2cos2 t]82282

a. 调频波的最大角频率偏移 w rmwc 2 (3-12)

b. 调频波会产生二次谐波失真,二次谐波失真的最大角频率偏移

r y w 1 m2wc 8 2 （3-13）

调频波的二次谐波失真系数为kf2 2 w m r 1 4 2 (3-14) c．调频波会产生中心频率偏移，其偏离值为 r r wc 1 m2wc 8 2 (3-15) 中心角频率的相对偏离值为 wcr r 2 1 m wc8 2 (3-16)

综上所述，若要调频的频偏大，就需增大m，这样中心频率偏移量和非线性失真量也增大。在某些应用中，要求的相对频偏较小，而所需要的m也就较小。因此，这时即使γ不等于2，二次谐波失真和中心频率偏移也不大。由此可见，在相对频偏较小的情况下，对变容二极管γ值的要求并不严格。

(2).变容二极管部分接入振荡回路

变容二极管的结电容作为回路总电容的调频电路的中心频率稳定度较差，这是因为中心频率fc决定于变容二极管结电容的稳定性。当温度变化或反向偏压VQ不稳时，会引起结电容的变化,它又会引起中心频率较大变化。为了减小中心频率不稳,提高中心频率稳定度，通常采用部分接入的办法来改善性能。变容二极管部分接入振荡回路的等效电路如图3-3（a）所示。变容二极管和Cc串联，再和C1并联，构成振荡回路总电容C∑

C C1 CcCj Cc Cj (3-17)

加调制信号uΩ(t)=UΩm cosΩt后 …… 此处隐藏：2882字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……