1、高頻電子線路王軍王軍汕頭大學電子工程系汕頭大學電子工程系7.3 調頻電路調頻電路7.3.1 直接調頻電路直接調頻電路1.變容二極管直接調頻電路 （1）變容二極管調頻原理變容二極管的結電容Cj與在其兩端所加反偏電壓u之間存在著如下關系:叫超突變結。為突變結，稱為緩變結，變容指數，零時的電容值變容二極管在結電壓為二極管的勢壘電壓外加反向電壓512/13/1)3 . 0,7 . 0()1 (00CVGeVSuuuuCCij(7-21)0Cj 2 1/3 1/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)2060402468 圖712 變容管的Cju曲線 - u +(c) 當設加在變容二極管上的反向電壓為靜態

2、電壓EQ與調制信號電壓之和時，即： 00( )cos1111111cos1cos1cosQQjQQQQQQQuEutEUtCCCEuEuuuEuCCCmtmtUtE 因此結電容為：的的調調變變程程度度。受受稱稱為為電電容容調調制制度度，表表示示態態電電容容，而而是是調調制制信信號號為為零零時時的的靜靜式式中中 uCEUuEUmuECCjQQQQ )/1(0(7-23)(7-22)(2)變容二極管直接調頻性能分析變容二極管直接調頻性能分析 Cj為回路總電容(大頻偏調制）。 圖713為一變容二極管直接調頻路,Cj作為回路總電容接入回路。圖7-13（b）是圖713（a）振蕩回路的簡化高頻電路。Rb2

3、Rb1ReEcCcLCcVDuEQCbLcCjL(a)(b)Cc圖713 變容管作為回路總電容全部接入回路 Lc、Cb保證直流通路，阻止高頻信號電感三點式振蕩器 由此可知,由于變容管上加u(t), 就使得Cj隨時間變化（時變電容）,如圖714(a)所示。oCjCQtuoCjt(a )off0tCoft(b )off0toft(c )uEQCQEQ圖714 變容管線性調頻原理此時振蕩頻率為：2111( )(1cos)(1cos)jQctLCLCmtmt 的的二二極極管管時時。當當采采用用超超突突變變結結2 ttmtmtmcccc coscos)cos1()( 達到了線性調頻，如圖7-14（c）。

4、(7-24)(7-25)一般情況下,2,這時,式（724）可以展開成冪級數.2coscos.2cos16)2(cos216)2(1.)2cos1(16)2(cos21.)cos8)2(cos21()cos1()(2222222 tttmtmmtmtmtmtmtmtmmcccccc (7-26)造成中心頻率的變化或不穩定造成諧波失真222221:(2)16:,22(2)16(2)82()2()2ccmmccmcmfmmccfcQQQQmmmmmkdUdkdUdUEuEuEUEm 中心頻率偏移最大角頻偏相對頻偏二次諧播失真：二次諧波失真系數：調制靈敏度：所以，當和確定后， 就一定，相對頻偏是常數，

5、可以通過改變中心|QcE 頻率來；在不影響線性的情況下，可以取的小點，以求獲的比較大獲的較大頻偏的靈敏度。因此可以看出，在全接入情況下，有：在全接入時，高頻振蕩電壓也加在了變容二極管上，由于u-Cj 特性的非線性，使的高頻電壓帶來的電容的平均值不一樣，因此會帶來頻率不完全按調制信號變化，中心頻率不穩定，也會帶來寄生調幅（why?）。因此應避免在低偏壓下工作。圖7-18是變容管上的電壓變化。0Cj直流偏置點高頻電壓低頻調制信號u圖718 加在變容管上的電壓為什么？為什么？Cj/pF353025201510500.5 0.71.01.52.0U1/VCj/pF40251574321.522.54E

6、Q/V2.55689102030356 7 8 9 10U1 1.5V1V0.5V(a)(b)EQ 2 V2.6 V2.7 V3 V3.3 V3.5 V4 V4.5 V5 V6 V圖719變容管等效電容隨高頻電壓振幅和偏壓的變化 (a）j隨高頻振幅U1變化曲線;（b）Cj隨E變化曲線 （2）Cj作為回路部分電容接入回路。 在實際應用中,通常2,Cj作為回路總電容將會使調頻特性出現非線性,輸出信號的頻率穩定度也將下降。因此,通常利用對變容二極管串聯或并聯電容的方法來調整回路總電容C與電壓u之間的特性。C2串聯Cj和C1并聯Cj對頻率的影響如圖7-15。圖 7-15 Cj與固定電容串、 并聯后的特

7、性可以看出，可以通過調整串、并電容，實現線性調頻，但串聯或并聯電容后，調制信號的控制能力減弱，最大頻偏將減小。jjjCCCCCC在Cj較小時Cj偏離Cj+C大在Cj較大時Cj偏離Cj+C小在Cj較小時Cj偏離Cj+C小在Cj較大時Cj偏離Cj+C大111lnlnln22LCLC 12jjCC 串、并聯前:1122jjjjjjCCCCCCC C 并聯后:21121122jjjjjjjjjjjjC CCC CCC CCCCCCCCCCC CCCC 串聯后:結論之一：通過串、并聯可以使得頻率穩結論之一：通過串、并聯可以使得頻率穩定度提高！定度提高！(如果如果Cj為溫度等造成的影響為溫度等造成的影響)

8、結論之二：通過串、并聯可以使得調制信號的結論之二：通過串、并聯可以使得調制信號的控制能力減弱控制能力減弱(如果如果Cj為控制信號造成的影響為控制信號造成的影響)調制靈敏度降低調制靈敏度降低1000 pF4.3 k10 k1 k12 H3AG 80D10 pF15 pF15 pF輸出12 H33 pFL1000 pF20 H1000 pF1000 pF 12 V22CC1E12 H調制信號輸入偏置電壓33 pFL15 pF10 pF(a)(b)1000 pF圖716 變容二極管直接調頻電路舉例 （a）實際電路;（b）等效電路 圖7-16是一個變容二極管直接調頻電路和它的等效電路 將圖716（b）

9、的振蕩回路簡化為下圖,這就是變容管部分接入回路的情況。這樣,回路的總電容為LC1C2Cj部分接入的振蕩回路振蕩頻率為： 2012122121121220002,01( )(1cos)()(1cos)QQQQQQC CCCCCC CtLCCmtCLCC CCLCCCCmtC 令：即為調制信號為 時的回路電容。QQQQjjCtmCCCCtmCCtmCCCCCCCCC )cos1()cos1()cos1(221221221則總電容為：將上式泰勒展開后得：(7-32)在式(7-32)中1,)1)(1(,)1(24)1(83222111221122221 ppppppCCpCCpppppApAQQ可可以

10、以看看出出， 221222221( )1coscoscoscos 2)22cccctA mtA mtAAmA mtmt2121 /QcQC CLCCC為由靜態EQ決定的振蕩頻率從式（732）可以看出,當Cj部分接入時：2222212222:mccmcccmcA mmpmpAmA m 中心頻率偏移最大角頻偏相對頻偏：二次諧波失真：因此： 部分接入時，最大頻偏比全接入時小了p倍，而且p越大，頻偏越小。C2越小，C1越大Cj的接入系數也就越小，p也就越大，Cj對整個回路的影響也越小，即調制信號的控制能力減弱，致使頻偏變小，但同時整個回路受溫度影響也減小，中心頻率的穩定度將提高，寄生調幅也將減小(Wh

11、y?)，非線性也會減小?？傊?采用變容二極管LC振蕩器實現直接調頻時，電路相對簡單，但由于晶體管以及變容二極管的非線性作用，以及它們的參數易受環境溫度等影響，因此中心頻率穩定度不是很高，具有高次諧波失真，同時還會帶來寄生調幅，嚴重時可能會產生間歇振蕩等。2. 晶體振蕩器直接調頻電路晶體振蕩器直接調頻電路 為得到高穩定度調頻信號, 須采取穩頻措施穩頻措施, 如增加自動頻率微調電路或鎖相環路。還有一種穩頻的簡單方法是直接對晶體直接對晶體振蕩器調頻振蕩器調頻。調制信號R3CjR4R2C2C1R5C3R1R6輸出EcC2CjC1(a)(b) 圖721 晶體振蕩器直接調頻電路（a）實際電路;（b）交流

12、等效電路 (b)(a)C1C2Cj 這個電路是并聯型皮爾斯晶體振蕩器，通過變容二極管，使電路的振蕩頻率在串聯和并聯頻率之間改變。)( 21 )21 (11111010021LqqqqLqqLqjLCCCfpfpffCCCCCCCpCCCC 總并聯電容為：晶體的接入系數為：振蕩頻率為：由于振蕩器工作于晶體的感性區，f1只能處于晶體的串聯諧振頻率fq與并聯諧振頻率f0之間。由于晶體的相對頻率變化范圍很窄，只有103104量級，再加上Cj的影響，則可變范圍更窄。因此，晶體振蕩器直接調頻電路的最大頻偏非常?。ㄒ簿鸵馕吨{制靈敏度低）。在實際電路中，需要采取擴大頻偏的措施。 擴大頻偏的方法有兩種: 第一

13、種方法是在晶體支路中串接小電感，使總的電抗曲線中呈現感性的工作頻率區域加以擴展(主要是頻率的低端擴展)。這種方法簡便易行，是一種常用的方法，但用這種方法獲得的擴展范圍有限，且還會使調頻信號的中心頻率的穩定度有所下降。另一種方法是利用型網絡進行阻抗變換，在這種方法中，晶體接于型網絡的終端(把大電感變換為一個小的電感)。 晶體振蕩器直接調頻電路的主要缺點就是相對頻偏非常小，但其中心頻率穩定度較高，一般可達10的5次方以上。如果為了進一步提高頻率穩定度，可以采用晶體振蕩器間接調頻的方法。3. 張弛振蕩器直接調頻電路張弛振蕩器直接調頻電路(通過對非正弦信號進行控制實現調頻通過對非正弦信號進行控制實現調

14、頻) 通過張弛振蕩器，可以獲得三角波、方波和鋸齒波等調頻信號。還可以經過濾波器或波形變換器，再形成正弦調頻信號。圖722是一種調頻三角波產生器的方框圖。調制信號控制恒流源發生器,當調制信號為零時,恒流源輸出電流為I0; 當有調制電壓時,輸出電流為I0+I(t),I(t)與調制信號成正比。圖722 三角波調頻方框圖 恒流源發生器反相器調制電壓積分器I/C電壓比較器-IIab調 頻三角波uTI壓控開關usuT(a)UminUmaxus0U1U20uTU2U1t0usUmaxUmint(b) 因為比較器具有電壓滯后特性，所以，當輸出UT=U1時，開關倒向“a”，正向積分，電壓上升；當輸出UT=U2時

15、，開關倒向“b”，反向積分，電壓下降。調制信號控制電流的大小，因此在輸出得到調頻三角波，而在比較器輸出可以得到調頻方波。圖723 電壓比較器的遲滯特性和輸入、輸出波形 因為：)()(2)()(21)()(2)(2)(2)(12120012121200tukfUUCtkuUUCITftkuIUUCIUUCTUUTCIkuItIIIfc 所以則周期為：頻率為： 如要得到正弦調頻信號,可在其輸出端加波形變換電路或濾波器。（1）幅度為UT，頻率為fc三角波的Fourier級數展開式為：.)sin(3sin31)sinsin(8.)5sin513sin31(sin822222 tmttmtUutttUu

16、fcfcTTcccTT 調制后為：（2）采用波形變換 設一個非線性網絡,其傳輸特性為：sin2TomTuuUU tUtTUtTUUUummTTmo sin2sin42sin 則：對每個分量均調頻UmuoUmuTuTttuo000UT圖724 三角波變為正弦波變換特性 從該圖我們還得到什么？一個信號經過一個非線性環節或非線性電路，輸出信號的頻譜不一定變豐富了或頻譜分量不一定變多了！7.3.2 間接調頻電路間接調頻電路 圖725是一個變容二極管調相電路。它將受調制信號控制的變容管作為振蕩回路的一個元件。Lc1、Lc2為高頻扼流圈,分別防止高頻信號進入直流電源及調制信號源中。 高頻振蕩輸入Rb2Rb

17、1Lc1VReCeLC1CVDR2R1EcC3Lc2C2調相信號輸 出調制信號輸 入圖725 單回路變容管調相器 123456ABCD654321DCBAT itleN um berR evisionSizeBD ate:5-Feb-2005 Sheet of File:D :D E SIG N E X PL O R E R 99E X A M PL E SM yD esign5.ddbD raw n B y:icLCCj(a)(b)應該是諧振電路或濾波電路不是振蕩電路不是振蕩電路, ,而是而是高頻小信號放大電路高頻小信號放大電路電路有無問題？電路有無問題？c調制電壓正向增大電容變小諧振回路中

18、心頻率變大調頻時我們希望輸出的信號幅度不變，該電路如何做到這一點？ 設輸入調制信號為Ucost, 則其瞬時頻偏(此處為回路諧振頻率的偏移)為：tpmQffQffQtmfpf cos22arctancos20600 并聯諧振電路的電壓、電流間相移為： 上式說明，回路產生的相移按調制信號的規律變化，若調制信號先積分后在加入，則輸出信號的頻率將隨積分前調制信號的規律變化。Page17,(2-16)式式060arctan 22cosfQffQ mQtfp 接下級放大管4703 pF22 k1 pF0.00222 k0.00222 k1 pF0.00247 ku47 k8 V5 pF圖726 三級回路級

19、聯的移相器 顯然，上面這種電路的頻偏很小，應該采取擴大頻偏措施。圖7-26是一種由三級諧振回路組成的調相電路，以便增大頻偏(也增大了調制的靈敏度)。7.4 鑒頻器與鑒頻方法鑒頻器與鑒頻方法7.4.1 7.4.1 鑒頻器鑒頻器角調波的解調就是從角調波中恢復出原調制信號的過程。調頻波的解調電路稱為頻率檢波器或鑒頻器（Frenquency Discriminator,簡稱FD）。調相波的解調電路稱為相位檢波器或鑒相器（Phase Discriminator ,簡稱PD）。鑒頻器實際是一個頻率電壓變換器(f-V轉換器)。如圖7-26所示。它反映了輸出低頻調制信號與輸入已調信號頻率或偏頻之間的關系，我們

20、把這種關系叫做鑒頻器的鑒頻特性。變換器fuofBuomaxuofcfAf(a)(b)圖726 鑒頻器及鑒頻特性 對于鑒頻特性，有以下幾個重要參數：（1）峰-峰帶寬Bm Bm指的是鑒頻特性曲線中左右兩個輸出電壓最大值間對應的頻率間隔。在這個范圍內，要求應該有比較好的線性。因此要想解調失真小，應滿足：mmfB 2 (a)(b)（2）鑒頻跨導 對鑒頻器的另外一個要求,就是鑒頻跨導要大。所謂鑒頻跨導D,就是鑒頻特性在載頻處的斜率,它表示的是單位頻偏所能產生的解調輸出電壓。鑒頻跨導又叫鑒頻靈敏度,用公式表示為：)/(0HzVfddudfduSfoffoDc (7-38)7.4.2 鑒頻方法鑒頻方法一般有

21、直接鑒頻和間接鑒頻方法。 直接鑒頻：從調頻信號中直接恢復出調制信號。如脈沖計數式。 間接鑒頻：先對FM信號進行變換和處理，從而間接恢復出調制信號，如波形變換法、鎖相環解調PLLDM、調頻負反饋解調FM-EBDM、正交鑒頻等。1.振幅鑒頻法振幅鑒頻法 若能將等幅的調頻信號變換成振幅也隨瞬時頻率變化、既調頻又調幅的FMAM波,就可以通過包絡檢波器解調此調頻信號。用此原理構成的鑒頻器稱為振幅鑒頻器。所以只要具有在FM信號頻率范圍內具有頻率-電壓變換作用的網絡都可以獲得FM-AM波。其工作原理如圖727所示。 圖727 振幅鑒頻器原理(a)振幅鑒頻器框圖；(b)變換電路特性 (1) 直接時域微分法 設

22、調制信號為u=f(t), 則調頻波為:00( )cos( )( )si( ) n( )cftFMcftFMcfutUtkfddututkUktfdtfd 對此式直接微分可得到一個FM-AM波： (7-40) 顯然微分后的電壓振幅與瞬時頻率成正比。經包絡檢波器就可以解調出原來的調制信號。圖7-28和圖7-29分別為微分鑒頻原理和一個簡單的實際鑒頻電路。uouFMu微分電路包絡檢波uououFMuFMu微分電路包絡檢波ui(t)EcCuc(t)ii(t)RCcEcRoCouo圖729 微分鑒頻電路 圖728 微分鑒頻原理電路有什么問題？電路有什么問題？放大電路為什么采用放大電路為什么采用共基放大電

23、路？共基放大電路？（2）斜率鑒頻法）斜率鑒頻法 單失諧回路斜率鑒頻器uF MuiUouF Mtuit0Uot00( a)Ui0工作區(線性區)fcf0fUitf ( t )fmt( b)0圖730 單回路斜率鑒頻器uFMuiUouFMtuit0Uot00(a )Ui0工作區(線性區)fcf0fUit f (t ) fmt(b )0uF MuiUouF Mtuit0Uot00( a)Ui0工 作 區 (線 性 區 )fcf0fUitf ( t )fmt( b)0(a)(b)uFMuiUouFMtuit0Uot00(a)Ui0工 作 區 ( 線 性 區 )fcf0fUitf ( t)fmt(b)0

24、uF MuiUouF Mtuit0Uot00( a)Ui0工 作 區 (線 性 區 )fcf0fUitf ( t )fmt( b)0既調頻又調幅和調相的信號(FM-PM-AM) 圖7-30是一個單失諧回路斜率鑒頻器。并聯諧振回路的諧振頻率f0大于FM信號的中心頻率。顯然，對輸入信號是失諧的，在2fm范圍內，并聯諧振回路的幅頻特性近似為直線（見圖7-30(b)。當輸入信號頻率變化時，回路兩端的電壓振幅將與頻率成正比，實現了FM-AM變換。通過后面的包絡檢波器，便可恢復出原來的調制信號。 由于諧振特性曲線近似直線的范圍非常窄，因此只適用用窄帶小頻偏的FM信號的解調。雙失諧斜率鑒頻器一個雙失諧斜率鑒

25、頻電路如圖7-31 所示。uFMf01 fcu1u2Uo1Uo2Uo(a)ff03fcf02t f (t)(b)f02f03圖731 雙失諧平衡鑒頻器 、是兩個并聯諧振回路平衡包絡檢波器f02f03fcUofcfff(t)t0A3 ( f )A2 ( f )(b)(c)(d)Bm設電感抽頭在中心。則U=U1=U2，因此：)()()()()()(3232322121fAfAUfAfAUkfAUkfAUkUUUdddooo 顯然，輸出正比與兩個諧振回路的幅頻特性之差，這個特性正好是一個“S”形鑒頻特性，如圖7-31（c），而且線性范圍要比單失諧鑒頻范圍寬的多，靈敏度也高。 值得注意的是，三個諧振回

26、路的諧振頻率要選擇合適，一旦諧振特性差別比較大，或者 f02和 f03相距比較遠，則會產生較大失真。可以證明，如選擇：7 .07 .003021 .0423BBffffcc 則雙失諧鑒頻特性的線性范圍達到最大。圖732 圖是731(a)電路的各點波形。t0uFM(a)t0Uo1tUo2(b)(c)tUo(d)00 圖732 圖731(a)電路的各點波形各自均允許有失真，但兩者失真相互補償即可得到波形良好的解調輸出2. 相位鑒頻法相位鑒頻法 相位鑒頻法的原理框圖如圖734所示。圖中的變換電路具有線性的頻率相位轉換特性，它可以將等幅的調頻信號變成相位也隨瞬時頻率變化的、既調頻又調相的FMPM波。然

27、后在通過鑒相電路恢復出調制信號。圖734 相位鑒頻法的原理框圖 相位鑒頻法的關鍵是相位檢波器。相位檢波器或鑒相器就是用來檢出兩個信號之間的相位差，完成相位差電壓變換作用的部件或電路。設輸入鑒相器的兩個信號分別為：11122222cos( )cos( )sin( )2cccuUttuUttUtt 同時加于鑒相器，鑒相器的輸出電壓uo是瞬時相位差的函數，即：21( )( )ouftt (7-41)(7-42)(7-43)（1）乘積型相位鑒頻法）乘積型相位鑒頻法 利用乘積型鑒相器實現鑒頻的方法稱為乘積型相位鑒頻法或積分(Quadrature)鑒頻法。在乘積型相位鑒頻器中，線性相移網絡通常是單諧振回路

28、(或耦合回路)，而相位檢波器為乘積型鑒相器，如圖735所示。 us移相網絡us低通濾波uoK 圖735 乘積型相位鑒頻法 產生附加相移，產生附加相移，變成變成FM-PM波波完成鑒相完成鑒相 設移相網絡為單諧振回路，乘法器的乘積因子為K，而且： 則經過相乘器后為：1220cos(sin)cossin22cossinarctan()2scfscfcfuUtmtuUtmtQ fUtmtf 12cos 22sincos222sscfKU UKu utmt 012121210121200cos()sin2222sin arctan22sin2offKU UKU UuKU UQ ffKU UKU U Q fQ fff 再經低通濾波器后的輸出電壓為：(7-44)（2）疊加型相位鑒頻法）疊加型相位鑒頻法 利用疊加型鑒相器實現鑒頻的方法稱