变容二极管调频电路实验的创新与改进

杨光义, 王雪迪, 金伟正, 王晓艳

(武汉大学 电子信息学院, 湖北 武汉 430072)

变容二极管调频电路实验的创新与改进

杨光义, 王雪迪, 金伟正, 王晓艳

(武汉大学 电子信息学院, 湖北 武汉 430072)

以变容二极管调频实验为核心,将LC振荡、晶体振荡、倍频和选频等实验巧妙组合,设计了一套综合振荡和倍频的变容二极管调频倍频实验电路。该实验电路涉及的实验内容丰富,综合性强,学生可以通过实验全面理解和掌握相关知识。教学实践表明,该实验效果良好,适合在高等院校推广应用。

变容二极管； 调频电路； 倍频； 选频

高频电子线路被列入各高校电子信息类学生的专业主干课程，高频实验课程的开设可以更好地促进学生对相关理论课程的学习和理解,已成为电子信息类专业学生学习知识和培养能力的一个重要环节[1-4]。调频与倍频是高频电子线路实验的重要组成部分,对于学生全面深刻地理解高频知识具有不可替代的作用。传统的变容二极管调频实验电路包括振荡电路、调频电路以及相关的外围电路,实验过程中通过信号源产生调制信号,加载到电路所产生的高频振荡信号上实现调频。该实验电路虽然也可以达到实验教学的目的,但是该电路仅仅可以使学生了解到调频电路,并没有与调频相关的整个实验过程,也没有接触到实际运用中的变容二极管调频技术。由于其没有与其他相关的高频实验相结合，不能使学生通过该实验将所学知识进行及时的融合与应用,教学效果无法提升,学生也不能及时地通过实验将所学到的高频知识进行融会贯通。

针对这些情况,为了提高实验教学效果、加深学生对于实验整体思路的理解、掌握调频及其相关高频电路的结合与运用,本文对变容二极管调频、倍频实验电路进行了创新,其特点主要体现在以下方面:电路采用自带振荡源的方式,减小了电路对信号源的依赖,并且在振荡回路部分增加了晶体振荡,与LC所组成的振荡回路形成对比；将受调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路,使振荡频率受调制信号的控制,从而实现调频。同时,利用LC谐振回路的选频特性对已调波进行特定频率点的选频,从而实现倍频；对倍频后的信号经过二次选频,最终得到了良好的调频倍频信号。

1 原理介绍

原理参照文献[5]—[6]。

1.1 变容二极管调频原理

所谓调频,就是把要传送的信息作为调制信号去控制载波(高频振荡)的瞬时频率。产生调频信号的电路叫做调频器。对调频器的主要要求是:频偏大且与调制信号保持线性关系、寄生调幅小、调制灵敏度高等。产生调频信号的方法很多,主要有两类:第1类是用调制信号直接控制载波的瞬时频率——直接调频。第2类是先将调制信号积分,然后对载波进行调相而得到调频波——间接调频[7]。

本文所设计的电路采用变容二极管直接调频。例如,被控电路为LC振荡器,那么LC振荡器的振荡频率主要由LC振荡回路的电感L与电容C的数值决定。若在LC振荡回路中加入可变电抗(电感或电容),用低频调制信号去控制可变电抗的参数,即可产生振荡频率随调制信号变化的调频波[8-10]。

在变容二极管直接调频电路中,变容二极管作为压控电容接入到谐振回路中。因此,当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,其原理电路如图1所示[11]。

图1 变容二极管调频原理电路

1.2 倍频原理

倍频器是一种实现输入信号频率倍增功能的非线

性电路,是把输入的信号频率f0成整数倍增加到nf0的电路。比较常用的电路有2倍频、3倍频、5倍频等倍频电路形式,被广泛应用于通信、雷达、频率合成器、测量等领域。

晶体管倍频器有两种主要形式:一种是利用丙类放大器电流脉冲中的谐波来获得倍频,叫做丙类倍频器；另一种是利用晶体管的结电容随电压变化的非线性来获得倍频,这是半导体器件所特有的性质,可叫做参量倍频器[12-13]。本文采用丙类倍频器,其工作原理是利用晶体管的非线性电阻效应，将正弦波转变为正弦脉冲波,正弦脉冲波含有丰富的谐波分量,然后用选频回路将它的某次谐波选出,完成倍频的功能。

2 通常采用的变容二极管调频电路

在高频电子线路实验中,通常所采用的变容二极管调频电路[14]如图2所示。其中三极管BG2为振荡管,设置为共基组态,它与电容C5、C7、C11、变容二极管VD1及电感L2组成电容三端式改进型电路——西勒电路。振荡信号经电容C4加在三极管BG1的基极,从BG1发射极输出。改变电位器RW3,可以改变输出信号V0(t)的大小。变容二极管工作在反向偏置状态,电源电压通过电阻R3及电位器RW2的分压供给VD1反向偏置电压,调节RW2可使得VD1的反偏电压在0～10V之间变化；调制信号VΩ(t)经电容C9及高频扼流圈L1加在VD1两端,变容二极管的反偏电压随调制信号变化,从而实现变容二极管的直接调频。

图2 变容二极管调频电路

振荡信号f=10.2 MHz、VPP=150 mV；调制信号f=1 kHz、VPP=1 V时,得到的实验波形如图3所示。

3 改进电路设计

3.1 总体设计

为了丰富实验内容,达到综合训练的目的,在不增加电路复杂性的前提下,对图2的电路进行创新和改进,融入倍频和选频网络,得到如图4所示的设计框图。

图3 变容二极管调频实验波形

图4 变容二极管调频倍频实验框图

由LC振荡器组成的主振回路产生载波,并将受调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路,使振荡频率受调制信号的控制,从而实现调频。改进后的变容二极管调频、倍频电路见图5。

图5 改进后的变容二极管调频、倍频电路

3.2 振荡电路

采用三极管BG1作为振荡管,控制开关(短路子)JP1选择工作模式为晶体窄带调频和LC串联振荡调频。LC串联振荡由图5中的L3和C4组成,R8的作用是调整振荡回路的品质因素Q,防止自激。晶体窄带调频由10 MHz的晶振组成,同时采用加感的方式,R3的作用与R8相同。在实验过程中,可以将两种方式产生的振荡信号进行比较,让学生更加深刻地理解两种振荡方式各自的特点。

以LC串联振荡为例,接通电源后,将JP1连接到1、2端,在J1端可以检测到如图6所示的载波振荡波形,其频率约为10 MHz。

图6 LC振荡回路实验结果

3.3 调频电路

变容二极管VD1两种振荡模式共用。通过调整电位器RW1控制变容二极管的反向馈电电压VD,可以改变变容二极管PN结的等效电容量。实验中,高频载波信号由LC串联回路振荡产生,低频调制信号经C8耦合,通过调整电位器RW1中心抽头位置来控制静态控制电压的高低。其中,电容C9的作用是稳定加在变容二极管两端的电压,电感L4为高频扼流圈,起到隔离高频信号和低频信号的作用。电路起振后,由J2接入f=1 kHz、VPP=1 V的正弦波,在J1可以得到如图7所示的调频波。由于没有经过选频,图7中波形效果并不理想。

图7 变容二极管调频实验结果

3.4 倍频电路

在集电极回路中串入LC并联选频网络,并将LC回路的固有谐振频率调整为振荡信号的2次谐波频率(20MHz),使其对20MHz处于谐振状态,而对20MHz以外的其他谐波分量,由于LC回路处于失谐状态,可以等效为交流短路,所以不会被LC谐振回路选出。因此倍频器的输出端只有振荡信号的2次谐波频率的信号输出,从而完成对振荡信号的2倍频。

实验时,调整电容C1的值,使集电极的并联回路谐振在20 MHz,在J3可以观察到如图8所示的倍频后的调频波。

图8 二倍频实验结果图

3.5 选频网络

经过一次倍频后的调频波,同时相当于对其进行了一次选频,所以波形相比于图7更稳定,效果更好,但仍然有较为明显的调幅现象。为了使倍频信号更加稳定,采用二次选频的方法,其原理和方法与倍频电路相同。

调整电容C2的值,使集电极的并联回路谐振于20 MHz,利用选频网络进行二次选频,结果波形如图9所示。对比图8和图9可见,二次选频后的信号失真度更小,调幅现象明显减弱。

图9 选频网络实验结果

4 结束语

本文创新的变容二极管调频倍频实验电路是基于原有的调频电路设计的,具有实验内容丰富、电路综合性强等特点。在不增加电路复杂性的情况下丰富了实验内容,增强了实验的综合性和趣味性,提高了学生参与实验的积极性,同时也深化了学生对调频技术的认识,收到了良好的实验结果。

当然,在实验过程中,原有的变容二极管调频实验电路和改进后的电路作为不同的难度要求和侧重点,可以有机结合。学生在熟练掌握变容二极管调频实验的原理和方法后,可以通过改进后的实验电路快速完成调频、倍频和选频实验,通过分析实验结果进行更深入的研究,从而达到两种电路的有效补充。

References)

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[14] 金伟正.高频电子线路实验指导书[M].武汉:武汉大学电子信息学院,2013.

Varactor innovation and improvement of frequency modulation circuit experiment

Yang Guangyi, Wang Xuedi, Jin Weizheng, Wang Xiaoyan

(Electronical Information College, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

This paper takes the FM experiment with varactor as the core, connects the LC oscillator,crystal oscillator,frequency multiplication and frequency selection and other experiments, and designs a comprehensive set of harmonic oscillations and varactors FM and multiplication experimental circuit. Because of the experimental circuit involving rich and comprehensive experiments, students can fully understand and master the knowledge according to the experiment.The practice shows that the experiment works well,and is suitable for application in colleges and universities.

varactor； frequency modulation circuit; frequency multiplication； frequency selection

2015- 03- 19

武汉大学专业实验室建设项目(610405115)

杨光义(1983—)，男，湖北孝感，在职博士研究生，实验师，研究方向为高频电子线路教学和软件无线电等.

E-mail：ygy@whu.edu.cn

TN761.2;G642.423

A

1002-4956(2015)7- 0041- 05