最新实验六 变容二极管调频

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。

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 +=

=

ππ （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。

图6-2 用调制信号控制变容二极管结电容

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+=cos 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 ƥ

≈∆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

图6-3 Cj 部分接入回路 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 )/(21

)(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：

j

C P C ∆≈∆2

' (6-13)

频偏:

f

P C C f P f m ∆=•≈∆2002')/(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