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1、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CjV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CjV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
2、信号： ，载波振荡电压为：根据定义，调频时载波的瞬时频率随成线性变化，即 （6-1）则调频波的数字表达式如下：或 （6-2）式中： 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Kf亦称调制灵敏度，代表单位调制电压所产生的频偏。式中：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61所示。图6-1 变容二极管调频原理电路变容二极管通过耦合电容并接在回路的两端，形成振荡回路总电容的一部分。因而，振荡回路
3、的总电容C为： （6-3）振荡频率为： （6-4）加在变容二极管上的反向偏压为：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，其关系曲线称曲线，如图62所示。由图可见：未加调制电压时，直流反偏（在教材称）所对应的结电容为（在教材中称）。当反偏增加时，减小；反偏减小时，增大，其变化具有一定的非线性，当调制电压较小时，近似为工作在曲线的线性段，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61，并设调制电压很小，工
4、作在 曲线的线性段，暂不考虑高频电压对变容二极管作用。设 （6-5）由图62（c）可见：变容二极的电容随R变化。即： （6-6）由公式（3）可得出此时振荡回路的总电容为由此可得出振荡回路总电容的变化量为： （6-7）由式可见：它随调制信号的变化规律而变化，式中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时，振荡频率也会产生的变化，其关系如下： （6-8）式中，是未调制时的载波频率；是调制信号为零时的回路总电容，显然由公式（6-4）可计算出（调频中又称为中心频率）。即： 将（6-7）式代入（6-8）式，可得： （6-9） 频偏： （6-10）振荡频率： （6-11）由此可见
5、：振荡频率随调制电压线性变化，从而实现了调频。其频偏与回路的中心频率成正比，与结电容变化的最大值成正比，与回路的总电容成反比。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61中的耦合电容的容量选得较小（与同数量级），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63所示。理论分析将证明这时回路的总电容为 (6-12)回路总电容的变化量为： 图6-3 Cj部分接入回路 (6-13)频偏: (6-14) 式中，称为接入系数。关于直流反偏工作点电压的选取，可由变容二极管的曲线决定。从曲线中可见，对不同的值，其曲线的斜率（跨导）各不相同。较小时，较大，产生的频偏也大，但非线
6、性失真严重，同时调制电压不宜过大。反之，较大时，较小，达不到所需频偏的要求，所以一般先选在曲线线性较好，且较大区段的中间位置，大致为手册上给的反偏数值，例：2CC1C，。本实验将具体测出实验板上的变容二极管的曲线，并由同学们自己选定值，测量其频偏的大小。（2）变容二极管曲线的测量，将图61的振荡回路重画于图64，代表不同反偏时的结电容，其对应的振荡频率为。若去掉变容二极管，回路则由、组成，对应的振荡频率为，它们分别为 （6-15）图6-4 测量CjVR曲线 （6-16）由式（6-15）、（6-16）可得： (6-17)、易测量，如何求？将一已知电容并接在回路两端，如图6-5所示。此时，对应的频
7、率为，有 (6-18)由式（6-16）、（6-18）可得： (6-19)（3）调制灵敏度单位调制电压所引起的频偏称为调制灵敏度，以表示，单位为KHz/V，即 (6-20)式中，为调制信号的幅度（峰值）。为变容管的结电容变化时引起的频率变化量，由于变容管部分接入谐振回路，则引起回路总电容的变化量为 (6-21)频偏较小时，与的关系可采用下面近似公式，即 (6-22)将式（6-22）代入（6-20）中得 (6-23)式中，为变容二极管结电容的变化引起回路总电容的变化量，为静态时谐振回路的总电容，即 (6-24)调制灵敏度可以由变容二极管特性曲线上处的斜率KC及式（6-23）计算，Sf越大，调制信号
8、的控制作用越强，产生的频偏越大。2、实验线路见附图G1使用12V供电，振荡器Q1使用3DG12C，变容管使用Bb910，Q2为隔离缓冲级。主要技术指标：主振频率，最大频偏。本实验中，由R1、R2、W1、R3组成变容二极管的直流偏压电路。C3、C4、C12组成变容二极管的不同接入系数。IN1为调制信号输入端，由L4、C8、C7、C9、C5和振荡管组成LC调制电路。五、实验步骤参照附图G1，在主箱上正确插好发射模块，对照发射模块中的变容二极管调频部分，正确连接电路电源线，12V孔接+12V， GND接GND（从电源部分+12V和GND插孔用连接线接入），接上电源通电(若正确连接了,扩展板上的电源指
9、示灯将会亮)。1、LC调频电路实验（1）连接J3、J4、J5组成LC调频电路。（2）接通电源，K1向右拨，调节W1，在C6的上端用万用表测试电压，使变容二极管的反向偏压为2.5V。如下图（1）所示：图（一）（3）用示波器和频率计在TT1处观察振荡波形，调节CC1，使振荡频率为10.7MHz，调节W2使输出波形失真最小。如下图（二）所示： 图（二）（4）从IN1处输入1KHz的正弦信号作为调制信号（信号由低频信号源提供,参考低频信号源的使用。信号大小由零慢慢增大，用示波器在TT1处观察振荡波形变化,如果有频谱仪则可以用频谱仪观察调制频偏），此时能观测到一条正弦带。如果用方波调制则在示波器上可看到
10、两条正弦波，这两条正弦波之间的相差随调制信号大小而变。如下图图（三）、图（四）所示、图（五）所示图（三） 图（四） 图（五）（5）分别接J1、J2重做实验4。（6）（选做）测绘变容二极管的 曲线（参看图6-4）。2、断开J1、J2，连接J3、J4、J5，断开IN1的输入信号，使电路为LC自由振荡状态。（1）断开变容二极管（即断开J4），用频率计在TT1处测量频率。如下图（六）所示图（六）（2）断开，接上已知（即连通J5，在C6处插上电容），在TT1处测量频率，由式（6-19）计算出值，填入表6-1中。 如下图(七)所示 图（七）表6-1fN11.09MHzCK100uffK11.088MHzC
11、N277175uf（3）断开CK（即取出C6上的电容）,接上变容二极管(即连接J4)，调节W1，测量不同反偏值时，对应的频率值，代入式（6-17）计算值，填入表6-2中。表6-2VRX（伏）1.8251.8602.2172.5302.8353.0743.210fX（MHz）10.63310.63310.63410.63510.63610.63710.641（4）作 曲线。（5）作 曲线。（6）用频谱仪观察调频信号（应接入变容二极管,即连J4并取下C6），记下不同的对应的不同的，计算调制灵敏度的值。（如果没有频谱仪则此项不作要求）。（7）观察频偏与接入系数的关系（此时应取下C6，连接J4）。在直流偏值电压相同的情况下，输入调制信号相同的情况下，分别连接J1、J3测试所得的频偏， 计算的。验证。 为7）中所测的值。（8）观察频偏与直流反偏电压的关系（连接J3、J4）。（9）观察频偏与调制信号频率的关系（连接J4、J
