變容二極管調頻電路實驗的創新與改進

楊光義, 王雪迪, 金偉正, 王曉艷

(武漢大學 電子信息學院, 湖北 武漢 430072)

變容二極管調頻電路實驗的創新與改進

楊光義, 王雪迪, 金偉正, 王曉艷

(武漢大學 電子信息學院, 湖北 武漢 430072)

以變容二極管調頻實驗為核心,將LC振蕩、晶體振蕩、倍頻和選頻等實驗巧妙組合,設計了一套綜合振蕩和倍頻的變容二極管調頻倍頻實驗電路。該實驗電路涉及的實驗內容豐富,綜合性強,學生可以通過實驗全面理解和掌握相關知識。教學實踐表明,該實驗效果良好,適合在高等院校推廣應用。

變容二極管； 調頻電路； 倍頻； 選頻

高頻電子線路被列入各高校電子信息類學生的專業主干課程，高頻實驗課程的開設可以更好地促進學生對相關理論課程的學習和理解,已成為電子信息類專業學生學習知識和培養能力的一個重要環節[1-4]。調頻與倍頻是高頻電子線路實驗的重要組成部分,對于學生全面深刻地理解高頻知識具有不可替代的作用。傳統的變容二極管調頻實驗電路包括振蕩電路、調頻電路以及相關的外圍電路,實驗過程中通過信號源產生調制信號,加載到電路所產生的高頻振蕩信號上實現調頻。該實驗電路雖然也可以達到實驗教學的目的,但是該電路僅僅可以使學生了解到調頻電路,并沒有與調頻相關的整個實驗過程,也沒有接觸到實際運用中的變容二極管調頻技術。由于其沒有與其他相關的高頻實驗相結合，不能使學生通過該實驗將所學知識進行及時的融合與應用,教學效果無法提升,學生也不能及時地通過實驗將所學到的高頻知識進行融會貫通。

針對這些情況,為了提高實驗教學效果、加深學生對于實驗整體思路的理解、掌握調頻及其相關高頻電路的結合與運用,本文對變容二極管調頻、倍頻實驗電路進行了創新,其特點主要體現在以下方面:電路采用自帶振蕩源的方式,減小了電路對信號源的依賴,并且在振蕩回路部分增加了晶體振蕩,與LC所組成的振蕩回路形成對比；將受調制信號控制的變容二極管接入載波振蕩器的振蕩回路,使振蕩頻率受調制信號的控制,從而實現調頻。同時,利用LC諧振回路的選頻特性對已調波進行特定頻率點的選頻,從而實現倍頻；對倍頻后的信號經過二次選頻,最終得到了良好的調頻倍頻信號。

1 原理介紹

原理參照文獻[5]—[6]。

1.1 變容二極管調頻原理

所謂調頻,就是把要傳送的信息作為調制信號去控制載波(高頻振蕩)的瞬時頻率。產生調頻信號的電路叫做調頻器。對調頻器的主要要求是:頻偏大且與調制信號保持線性關系、寄生調幅小、調制靈敏度高等。產生調頻信號的方法很多,主要有兩類:第1類是用調制信號直接控制載波的瞬時頻率——直接調頻。第2類是先將調制信號積分,然后對載波進行調相而得到調頻波——間接調頻[7]。

本文所設計的電路采用變容二極管直接調頻。例如,被控電路為LC振蕩器,那么LC振蕩器的振蕩頻率主要由LC振蕩回路的電感L與電容C的數值決定。若在LC振蕩回路中加入可變電抗(電感或電容),用低頻調制信號去控制可變電抗的參數,即可產生振蕩頻率隨調制信號變化的調頻波[8-10]。

在變容二極管直接調頻電路中,變容二極管作為壓控電容接入到諧振回路中。因此,當變容二極管的結電容隨加到變容二極管上的電壓變化時,由變容二極管的結電容和其他回路元件決定的諧振回路的諧振頻率也就隨之變化,若此時諧振回路的諧振頻率與加到變容二極管上的調制信號呈線性關系,就完成了調頻的功能,這也是變容二極管調頻的原理,其原理電路如圖1所示[11]。

圖1 變容二極管調頻原理電路

1.2 倍頻原理

倍頻器是一種實現輸入信號頻率倍增功能的非線

性電路,是把輸入的信號頻率f0成整數倍增加到nf0的電路。比較常用的電路有2倍頻、3倍頻、5倍頻等倍頻電路形式,被廣泛應用于通信、雷達、頻率合成器、測量等領域。

晶體管倍頻器有兩種主要形式:一種是利用丙類放大器電流脈沖中的諧波來獲得倍頻,叫做丙類倍頻器；另一種是利用晶體管的結電容隨電壓變化的非線性來獲得倍頻,這是半導體器件所特有的性質,可叫做參量倍頻器[12-13]。本文采用丙類倍頻器,其工作原理是利用晶體管的非線性電阻效應，將正弦波轉變為正弦脈沖波,正弦脈沖波含有豐富的諧波分量,然后用選頻回路將它的某次諧波選出,完成倍頻的功能。

2 通常采用的變容二極管調頻電路

在高頻電子線路實驗中,通常所采用的變容二極管調頻電路[14]如圖2所示。其中三極管BG2為振蕩管,設置為共基組態,它與電容C5、C7、C11、變容二極管VD1及電感L2組成電容三端式改進型電路——西勒電路。振蕩信號經電容C4加在三極管BG1的基極,從BG1發射極輸出。改變電位器RW3,可以改變輸出信號V0(t)的大小。變容二極管工作在反向偏置狀態,電源電壓通過電阻R3及電位器RW2的分壓供給VD1反向偏置電壓,調節RW2可使得VD1的反偏電壓在0～10V之間變化；調制信號VΩ(t)經電容C9及高頻扼流圈L1加在VD1兩端,變容二極管的反偏電壓隨調制信號變化,從而實現變容二極管的直接調頻。

圖2 變容二極管調頻電路

振蕩信號f=10.2 MHz、VPP=150 mV；調制信號f=1 kHz、VPP=1 V時,得到的實驗波形如圖3所示。

3 改進電路設計

3.1 總體設計

為了豐富實驗內容,達到綜合訓練的目的,在不增加電路復雜性的前提下,對圖2的電路進行創新和改進,融入倍頻和選頻網絡,得到如圖4所示的設計框圖。

圖3 變容二極管調頻實驗波形

圖4 變容二極管調頻倍頻實驗框圖

由LC振蕩器組成的主振回路產生載波,并將受調制信號控制的變容二極管接入載波振蕩器的振蕩回路,使振蕩頻率受調制信號的控制,從而實現調頻。改進后的變容二極管調頻、倍頻電路見圖5。

圖5 改進后的變容二極管調頻、倍頻電路

3.2 振蕩電路

采用三極管BG1作為振蕩管,控制開關(短路子)JP1選擇工作模式為晶體窄帶調頻和LC串聯振蕩調頻。LC串聯振蕩由圖5中的L3和C4組成,R8的作用是調整振蕩回路的品質因素Q,防止自激。晶體窄帶調頻由10 MHz的晶振組成,同時采用加感的方式,R3的作用與R8相同。在實驗過程中,可以將兩種方式產生的振蕩信號進行比較,讓學生更加深刻地理解兩種振蕩方式各自的特點。

以LC串聯振蕩為例,接通電源后,將JP1連接到1、2端,在J1端可以檢測到如圖6所示的載波振蕩波形,其頻率約為10 MHz。

圖6 LC振蕩回路實驗結果

3.3 調頻電路

變容二極管VD1兩種振蕩模式共用。通過調整電位器RW1控制變容二極管的反向饋電電壓VD,可以改變變容二極管PN結的等效電容量。實驗中,高頻載波信號由LC串聯回路振蕩產生,低頻調制信號經C8耦合,通過調整電位器RW1中心抽頭位置來控制靜態控制電壓的高低。其中,電容C9的作用是穩定加在變容二極管兩端的電壓,電感L4為高頻扼流圈,起到隔離高頻信號和低頻信號的作用。電路起振后,由J2接入f=1 kHz、VPP=1 V的正弦波,在J1可以得到如圖7所示的調頻波。由于沒有經過選頻,圖7中波形效果并不理想。

圖7 變容二極管調頻實驗結果

3.4 倍頻電路

在集電極回路中串入LC并聯選頻網絡,并將LC回路的固有諧振頻率調整為振蕩信號的2次諧波頻率(20MHz),使其對20MHz處于諧振狀態,而對20MHz以外的其他諧波分量,由于LC回路處于失諧狀態,可以等效為交流短路,所以不會被LC諧振回路選出。因此倍頻器的輸出端只有振蕩信號的2次諧波頻率的信號輸出,從而完成對振蕩信號的2倍頻。

實驗時,調整電容C1的值,使集電極的并聯回路諧振在20 MHz,在J3可以觀察到如圖8所示的倍頻后的調頻波。

圖8 二倍頻實驗結果圖

3.5 選頻網絡

經過一次倍頻后的調頻波,同時相當于對其進行了一次選頻,所以波形相比于圖7更穩定,效果更好,但仍然有較為明顯的調幅現象。為了使倍頻信號更加穩定,采用二次選頻的方法,其原理和方法與倍頻電路相同。

調整電容C2的值,使集電極的并聯回路諧振于20 MHz,利用選頻網絡進行二次選頻,結果波形如圖9所示。對比圖8和圖9可見,二次選頻后的信號失真度更小,調幅現象明顯減弱。

圖9 選頻網絡實驗結果

4 結束語

本文創新的變容二極管調頻倍頻實驗電路是基于原有的調頻電路設計的,具有實驗內容豐富、電路綜合性強等特點。在不增加電路復雜性的情況下豐富了實驗內容,增強了實驗的綜合性和趣味性,提高了學生參與實驗的積極性,同時也深化了學生對調頻技術的認識,收到了良好的實驗結果。

當然,在實驗過程中,原有的變容二極管調頻實驗電路和改進后的電路作為不同的難度要求和側重點,可以有機結合。學生在熟練掌握變容二極管調頻實驗的原理和方法后,可以通過改進后的實驗電路快速完成調頻、倍頻和選頻實驗,通過分析實驗結果進行更深入的研究,從而達到兩種電路的有效補充。

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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

武漢大學專業實驗室建設項目(610405115)

楊光義(1983—)，男，湖北孝感，在職博士研究生，實驗師，研究方向為高頻電子線路教學和軟件無線電等.

E-mail：ygy@whu.edu.cn

TN761.2;G642.423

A

1002-4956(2015)7- 0041- 05