lc調(diào)頻振蕩器(通信電子線路課程設(shè)計(jì))

1、<p>　　第1章 方案分析及其設(shè)計(jì)原理</p><p>　　1.1調(diào)頻電路的實(shí)現(xiàn)方法 </p><p>　　調(diào)頻電路的實(shí)現(xiàn)方法分為兩大類：直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法。 </p><p>　　1.1.1 直接調(diào)頻法 </p><p>　　用調(diào)制信號(hào)直接控制振蕩器的振蕩頻率的方法稱為直接調(diào)頻法。如果受控振蕩器是產(chǎn)生正弦波的 LC 振蕩器

2、，則振蕩頻率主要取決于諧振回路的電感和電容。將受到調(diào)制信號(hào)控制的可變電抗與諧振回路連接，就可以使振蕩頻率按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻。 </p><p>　　可變電抗器件的種類很多，其中應(yīng)用最廣的是變?nèi)荻O管。作為電壓控制的可變電容元件，它有工作頻率高、損耗小和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。具有鐵氧體磁芯的電感線圈，可以作為電流控制的可變電感元件。此外，由場(chǎng)效應(yīng)管或其它有源器件組成的電抗管電路，可以等效為可控電容或可控電

3、感。 </p><p>　　在直接調(diào)頻法中振蕩器和調(diào)制器合二為一。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的要求下，可以獲得相對(duì)較大的頻偏。它的主要缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致FM波的中心頻率偏移，頻率穩(wěn)定度差，在許多場(chǎng)合對(duì)載頻采取自動(dòng)頻率微調(diào)電路（AFC）來(lái)克服載頻的偏移或者對(duì)晶體振蕩器進(jìn)行直接調(diào)頻。 </p><p>　　1.1.2. 間接調(diào)頻法 </p><p>　　先將調(diào)制信號(hào)進(jìn)行積

4、分處理，然后用它控制載波的瞬時(shí)相位變化，從而實(shí)現(xiàn)間接控制載波的瞬時(shí)頻率變化的方法，稱為間接調(diào)頻法。 </p><p>　　根據(jù)前述調(diào)頻與調(diào)相波之間的關(guān)系可知，調(diào)頻波可看成將調(diào)制信號(hào)積分后的調(diào)相波。 </p><p>　　這樣，調(diào)相輸出的信號(hào)相對(duì)積分后的調(diào)制信號(hào)而言是調(diào)相波，但對(duì)原調(diào)制信號(hào)而言則為調(diào)頻波。這種實(shí)現(xiàn)調(diào)相的電路獨(dú)立于高頻載波振蕩器以外，所以這種調(diào)頻波突出的優(yōu)點(diǎn)是載波中心頻率的穩(wěn)定

5、性可以做得較高，但可能得到的最大頻偏較小。 </p><p>　　間接調(diào)頻實(shí)現(xiàn)的原理框圖如圖 1-1所示。 </p><p>　　圖 1-1 借助于調(diào)相器得到調(diào)頻波</p><p>　　無(wú)論是直接調(diào)頻，還是間接調(diào)頻，其主要技術(shù)要求是：頻偏盡量大，并且與調(diào)制信號(hào)保持良好的線性關(guān)系；中心頻率的穩(wěn)定性盡量高；寄生調(diào)幅盡量??；調(diào)制靈敏度盡量高。其中頻偏增大與調(diào)制線性度之間

6、是矛盾的。</p><p>　　根據(jù)題目要求，其頻率穩(wěn)定度/≤，最大頻偏，由上面分析知：直接調(diào)頻可獲得較大線性頻偏，但載頻穩(wěn)定度較差；間接調(diào)頻方式載頻穩(wěn)定度較高，但獲得的線性頻偏較小。在這里我們采用直接調(diào)頻法。</p><p><b>　　1.2電路原理</b></p><p>　　LC調(diào)頻振蕩器的工作流程如下：LC調(diào)頻振蕩器一般由LC正弦波振

7、蕩器與變?nèi)荻O管調(diào)頻電路兩大部分組成。其中，LC正弦波振蕩器用于產(chǎn)生一定頻率的幅度和信號(hào)，無(wú)須外加輸入信號(hào)的控制，就能自動(dòng)將電能轉(zhuǎn)換為所需要的交流能量輸出；變?nèi)荻O管調(diào)頻電路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)LC正弦波振蕩器頻率的調(diào)制，即調(diào)頻。（說(shuō)明：LC正弦波振蕩器與變?nèi)荻O管調(diào)頻電路通過(guò)耦合電容相連）</p><p>　　LC調(diào)頻振蕩器由LC調(diào)頻振蕩器、變?nèi)荻O管調(diào)頻電路兩個(gè)部分組成，如圖1-2所示。</p><

8、p>　　圖1-2 直流穩(wěn)壓電源的方框圖</p><p>　　1.2.1 LC正弦波振蕩器</p><p>　　LC正弦波振蕩器的作用是產(chǎn)生高頻正弦波。由此畫出LC正弦波振蕩器原理圖如圖(1-3)所示。圖中晶體管T組成電容三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)型電路即克拉潑電路，它被結(jié)為共基組態(tài)，為基極耦合電容，其靜態(tài)工作點(diǎn)又,,及決定，即</p><p><b>　　

9、(1-1) </b></p><p><b>　　(1-2)</b></p><p><b>　　(1-3)</b></p><p><b>　　(1-4)</b></p><p>　　小功率振蕩器的靜態(tài)工作電流一般為1到4毫安，偏大，振蕩幅度增加，但波形失真加重,

10、頻率穩(wěn)定性變差。L1、C1與C2、C3組成并聯(lián)諧振回路，其中C3兩端的電壓構(gòu)成振蕩器的反饋電壓,以滿足相位平衡條件。比值C2/C3=F決定反饋電壓的大小，當(dāng)F=1時(shí)，振蕩器滿足相位平衡條件，電路起振條件為F>1。為減少晶體管的極間電容對(duì)回路振蕩頻率的影響，C2、C3的取值要大。若選C1《C2，C1《C3,則回路振蕩頻率主要由C1決定，即</p><p><b>　　(1-5)</b>&

11、lt;/p><p>　　若取C1為幾十皮法，則C2、C3可取幾百到幾千皮法。反饋系數(shù)F一般取1/8到1/2。</p><p>　　圖1-3 LC正弦波振蕩器原理圖</p><p>　　1.2.2變?nèi)荻O管調(diào)頻電路</p><p>　　變?nèi)荻O管調(diào)頻電路由變?nèi)荻O管及耦合電容組成,R1與R2為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時(shí)的反向直流偏置電壓 即=[R2/(

12、R1+R2)] 。電阻R3稱為隔離電阻，常取R3》R2,R3》R1，以減小調(diào)制信號(hào)對(duì)的影響。C5與高頻扼流圈L2給提供通路，C6起高頻濾波作用。</p><p>　　變?nèi)荻O管通過(guò)耦合電容部分接入振蕩回路，有利于主振頻率的穩(wěn)定性，減小調(diào)制失真。圖(1-4)所示的為變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路的等效電路，接入系數(shù)及回路總電容分別為：</p><p><b>　　(1-6)</b

13、></p><p><b>　　(1-7)</b></p><p>　　式中，為變?nèi)荻O管的結(jié)電容，它與外加電壓的關(guān)系為：</p><p><b>　　(1-8) </b></p><p>　　式中，為變?nèi)荻O管加零偏壓時(shí)的結(jié)電容；為變?nèi)莨躊N結(jié)內(nèi)建電差（硅管=0.7V，鍺管=0.3V）；γ變

14、容二極管的電容變化指數(shù)，與頻偏的大小有關(guān)（小頻偏：選γ=1的變?nèi)荻O管可近似實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻，大頻偏：必須選γ=2的超突變結(jié)變?nèi)荻O管，才能實(shí)現(xiàn)較好的線性調(diào)頻）；ν為變?nèi)莨軆啥怂拥姆聪螂妷?，?+=+ 。變?nèi)荻O管的Cj-v 特性曲線如圖（1-5）示。其中，已知條件中2CC1D的性能參數(shù)如表（1-1）所示。設(shè)電路工作在線性調(diào)制狀態(tài)，在靜態(tài)工作點(diǎn)Q處，曲線的斜率為</p><p><b>　　(1-9) &

15、lt;/b></p><p>　　圖1-4變?nèi)荻O管部分接入的等效電路圖 圖1-5 變?nèi)荻O管的Cj-v特性曲線</p><p>　　表1-1 變?nèi)荻O管2CC1D的變?nèi)輩?shù)</p><p>　　1.2.3 調(diào)制信號(hào)幅度的確定</p><p>　　調(diào)制靈敏度是指單位電壓所引起的最大頻偏，用表示，單位為</p>

16、<p><b>　　,即</b></p><p>　　/ (1-10)</p><p>　　為調(diào)制信號(hào)的幅度；為變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容變化時(shí)引起的最大頻偏。 ∵回路總電容的變化量為</p><p><b>　　(1-11)</b></p><p

17、>　　在頻偏較小時(shí),與的關(guān)系可采用下面近似公式，即</p><p><b>　　(1-12)</b></p><p>　　∴ p↑- △f ↑ ，↑-△f↑</p><p>　　調(diào)制靈敏度 = (1-13)</p><p>　　式中，為回路總電容的變化

18、量；為靜態(tài)時(shí)諧振回路的總電容，</p><p><b>　　即</b></p><p><b>　　(1-14)</b></p><p>　　∴ C1↓- ↑ - △f↑</p><p>　　調(diào)制靈敏度可以由變?nèi)荻O管Cj-v 特性曲線上處的斜率kc及式(1-13)計(jì)算。越大，說(shuō)明調(diào)制信號(hào)的控

19、制作用越強(qiáng)，產(chǎn)生的頻偏越大。 </p><p>　　參數(shù)的確定及元件選擇</p><p>　　2.1 LC調(diào)頻振蕩器的選擇及電路的確定</p><p>　　2.1.1調(diào)頻振蕩器的選擇</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)，因?yàn)轭l率穩(wěn)定度要求不是很高，故選用由晶體管組成的電容三點(diǎn)式的改進(jìn)型電路克拉潑電路。</p><p

20、>　　2.1.2 電路的確定</p><p>　　由實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)計(jì)要求確定電路如圖2-1所示，</p><p><b>　　圖2-1設(shè)計(jì)原理圖</b></p><p><b>　　2.2 參數(shù)的確定</b></p><p>　　2.2.1 LC正弦波振蕩器的選擇 </p>&l

21、t;p>　　1）由電路形式設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)</p><p>　　取振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)=2mA, 4V，測(cè)得三極管的β≈67。</p><p>　　由式（1-3），可得：</p><p>　　因?yàn)?， </p><p>　　則

22、 </p><p>　　為提高電路的穩(wěn)定性，的值可適當(dāng)增大，取=0.51kΩ，則=2 kΩ。由式（1-2）得</p><p><b>　　=1.02V</b></p><p>　　取的電流=10=10/β=（10×2）/67=0.29mA</p><p>　　則 = /= =(0.7V+1V)/0

23、.29mA</p><p>　　=5.86kΩ 取6.2 kΩ</p><p><b>　　由式（1-1）得</b></p><p>　　即 =31.8 kΩ </p><p>　　則可用27 kΩ電阻與47 kΩ電位器串聯(lián)得到，以便調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。 </p&

24、gt;<p>　　2） 計(jì)算主振回路元器件值</p><p>　　由式（1-5）得 若取C1=100pF，則L1=6.2μH。（可適當(dāng)調(diào)整L1的圈數(shù)或C1的值）</p><p>　　電容C2、C3的反饋系數(shù)F及電路條件C1《C2，C1《C3所決定，若取C2=620PF,由反饋系數(shù)F=C2/C3= 1/8～1/2,則取C3=3300pF

25、，取耦合電容Cb=0.01μF. </p><p>　　2.2.2 變?nèi)荻O管調(diào)頻電路的選擇</p><p>　　1）設(shè)置變?nèi)莨艿撵o態(tài)工作點(diǎn)</p><p>　　已知條件給定的變?nèi)荻O管的型號(hào)為2CC1D，由表（1-1）知，取變?nèi)荻O管反向偏壓=4V，由此知變?nèi)莨艿撵o態(tài)電容=60pF。 </p><p>　　2）調(diào)頻電路元器件值的確定<

26、;/p><p>　　根據(jù) =[R2/(R1+R2)] 和已知=4V，=9V，取R2=39kΩ,則R1=48.75kΩ。（R1可用43kΩ電阻與47kΩ電位器串聯(lián)，用以調(diào)整靜態(tài)偏壓） </p><p>　　隔離電阻R3應(yīng)遠(yuǎn)大于R1，R2，取R3= 348kΩ。</p><p>　　由式（1-2） &

27、lt;/p><p>　　為減小振蕩回路高頻電壓對(duì)變?nèi)莨艿挠绊懀?應(yīng)取小， 但 過(guò)小又會(huì)使頻偏達(dá)不到指標(biāo)要求?？梢韵热?，然后在調(diào)試。當(dāng)VQ=- 4V時(shí)，對(duì)應(yīng)=60pF，</p><p><b>　　則 15pF</b></p><p>　　低頻調(diào)制信號(hào)的耦合支路電容C5及電感L2應(yīng)對(duì)提

28、供通路，一般的頻率為幾十赫茲到幾千赫茲，在此取，故取 C5=4.7μF，L2=47μH(固定電 感)。高頻旁路電容C6應(yīng)對(duì)調(diào)制信號(hào)呈高阻，取C6=5100pF。 </p><p>　　2.2.3 調(diào)制信號(hào)的幅度及調(diào)制靈敏度的計(jì)算</p><p>　　為達(dá)到最大頻偏 的要求，可求得調(diào)制信號(hào)的幅度</p><p>　　由式（

29、1-12） 得 </p><p>　　靜態(tài)時(shí)諧振回路的總電容</p><p>　　則回路總電容的變化量</p><p>　　由式1-11知變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容的最大變化量</p><p><b>　　=43.075pF</b></p><p>

30、;　　由圖1-3 Cj-v 曲線知變?nèi)莨?2CC1D在VQ= – 4V 處的斜率</p><p><b>　　10 </b></p><p>　　由式(1-9) 得調(diào)制信號(hào)的幅度</p><p>　　=ΔCj / =4.3075 V</p><p>　　由式(1-10)得調(diào)制靈敏度 為</p>&l

31、t;p>　　/ =50K/4.3075V</p><p><b>　　=11.6K/V</b></p><p>　　第3章 電路調(diào)試與檢測(cè)</p><p>　　3．1．主振頻率的測(cè)試</p><p>　　3.1.1仿真測(cè)試：</p><p>　　LC振蕩器的輸出頻率fo稱為主振頻率或載波頻率

32、。用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量回路的諧振頻率fo，高頻電壓表測(cè)量諧振電壓vo，示波器監(jiān)測(cè)振蕩波形。測(cè)試電路如圖3-1所示，測(cè)得頻率為6.513，C點(diǎn)電壓為5.383V,對(duì)比技術(shù)指標(biāo)中心頻率fo=6.5知符合技術(shù)要求指標(biāo)，穩(wěn)定后所得波形為高頻正弦波，符合LC正弦波振蕩器所得波形。所測(cè)結(jié)果分別如圖3-2、3-3所示：</p><p>　　圖3-1 LC正弦波振蕩器電路</p><p>　　圖3-2 所測(cè)頻

33、率與電壓大小</p><p>　　圖3-3（a）LC正弦波起振到穩(wěn)定波形的時(shí)域仿真波形</p><p>　　圖3-3(b)LC正弦波振蕩器穩(wěn)定時(shí)的時(shí)域仿真波形</p><p>　　3.1.2 誤差分析</p><p><b>　　1)誤差計(jì)算</b></p><p>　　Fo%=（6.513-6.

34、500）100%/6.5=0.2%</p><p><b>　　2)誤差原因</b></p><p>　　電路中所接測(cè)量?jī)x器的影響，電路參數(shù)的可調(diào)性大。</p><p>　　3.2．LC調(diào)頻振蕩器電路的測(cè)量</p><p>　　在LC正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)上加變?nèi)荻O管調(diào)頻電路即可構(gòu)成LC調(diào)頻振蕩電路。原理圖如圖3-4所示

35、，用此電路測(cè)得的頻率為6.62如圖3-5所示，波形如圖3-6所示：</p><p>　　圖3-4 LC調(diào)頻振蕩電路圖</p><p>　　圖3-5 LC調(diào)頻振蕩電路所測(cè)頻率大小</p><p>　　圖3-6 LC調(diào)頻振蕩電路時(shí)域仿真波形</p><p>　　3.3．頻率穩(wěn)定度的測(cè)量</p><p>　　主振頻率fo的相

36、對(duì)穩(wěn)定性用頻率穩(wěn)定度/表示。對(duì)于調(diào)頻電路不僅要滿足頻偏要求，而且振蕩頻率必須保持足夠的頻率穩(wěn)定度。測(cè)量頻率穩(wěn)定度的方法是，在一定的時(shí)間范圍（如1小時(shí)）內(nèi)或溫度范圍內(nèi)每隔幾分鐘讀一個(gè)頻率值，然后取其范圍內(nèi)的最大值max與最小值min，則頻率穩(wěn)定度</p><p><b>　?。?-1） </b></p><p>　　設(shè)計(jì)中采用克拉潑電路如圖（3-1）所示，其頻率穩(wěn)定度較

37、低，為（～）/小時(shí)，對(duì)比課題中給出的頻率穩(wěn)定度為/≤知此電路符合要求。</p><p>　　3.4 調(diào)試中注意事項(xiàng)</p><p>　　由于調(diào)頻振蕩器的工作頻率較高，晶體管的結(jié)電容、引起電感、分布電容及測(cè)量?jī)x器對(duì)電路的性能影響均不能忽略。因此，在電路裝調(diào)及測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量減少這些分布參數(shù)的影響。</p><p>　　3.4.1 安裝要點(diǎn)</p><p

38、>　　安裝時(shí)應(yīng)合理布局，減小分布參數(shù)的影響。電路元器件不要排得太松,引線</p><p>　　盡量不要平行，否則會(huì)在元器件或引線之間產(chǎn)生一定的分布參數(shù)，引起寄生反饋。多級(jí)放大器應(yīng)排成一條直線，盡量減小末級(jí)與前級(jí)之間的耦合。地線應(yīng)盡可能粗，以減小分布電感引起的高頻損耗，制印刷電路板時(shí)，地線的面積應(yīng)盡量大。為減小電源內(nèi)阻形成的寄生反饋，應(yīng)采用濾波電容及濾波電感組成的π型或Γ型濾波電路，一般為幾十微亨至幾百微亨，

39、為幾百皮法至幾十千皮法。</p><p>　　3.4.2 測(cè)試點(diǎn)選擇</p><p>　　正確選擇測(cè)試點(diǎn)，減小儀器對(duì)被測(cè)電路的影響。在高頻情況下，測(cè)量?jī)x器的輸入阻抗（包含電阻和電容）及連接電纜的分布參數(shù)都有可能影響被測(cè)電路的諧振頻率及諧振回路的Q值，為盡量減小這種影響，應(yīng)正確選擇測(cè)試點(diǎn)，使儀器的輸入阻抗遠(yuǎn)大于電路測(cè)試點(diǎn)的輸出阻抗。對(duì)于圖2-1所示電路，高頻電壓表接于C點(diǎn)，示波器接于E點(diǎn)，數(shù)

40、字頻率計(jì)接于A點(diǎn)，的值要小，以減小數(shù)字頻率計(jì)的輸入阻抗對(duì)諧振回路的影響。所有測(cè)量?jī)x器如高頻電壓表、示波器、掃頻儀、數(shù)字頻率計(jì)等的地線及輸入電纜的地線都要與被測(cè)電路的地線連接好，接線應(yīng)盡量短。</p><p>　　3.4.3 調(diào)試方法</p><p>　　一般高頻電路的實(shí)驗(yàn)板應(yīng)為印刷電路板，以保證元器件可靠焊接及連接導(dǎo)線固定，使電路的分布參數(shù)基本固定。高頻電路的調(diào)試方法與低頻電路的調(diào)試基本相

41、同，也是先調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，然后觀測(cè)動(dòng)態(tài)波形并測(cè)量電路的性能參數(shù)。所不同的是按照理論公式計(jì)算的電路參數(shù)與實(shí)際參數(shù)可能相差較大，電路的調(diào)試要復(fù)雜一些。</p><p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　附錄A 元件清單</b></p><p>　　附錄B 原理圖和PCB圖</p>