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《通信电子线路设计》课程设计题目：变容二极管调频电路设计学院名称：电气工程学院指导老师：班级:学号:学生姓名:二零一四年零六月目录摘要--------------------------------------------p2整体设计--------------------------------------p31.电路设计原理---------------------------------p32.电路的设计方案--------------------------------p33.电路设计-----------------------------------------p44.主振电路设计原理分析--------------------------p45.调频信号分析----------------------------------p56.变容二极管频率调制的原理----------------------p6电路工作分析--------------------------------p81.谐振回路总电容------------------------------p82.调制灵敏度----------------------------------p8电路元件参数--------------------------------p91.震荡回路参数LC-----------------------------p92.温度补偿法----------------------------------p93.回路电阻------------------------------------p94.加缓冲级------------------------------------p10电路仿真-------------------------------------p10元件清单-------------------------------------p11实验心得与体会----------------------------p11参考文献-------------------------------------p12摘要随着电子与通信技术的不断进步，各种新兴电子产品的开发速度越来越快。现代计算机技术和微电子技术的进一步结合和发展使得电子电路和通信线路出现了二个分支。一个是朝着更高集成度的集成电路发展：而另一个是利用分立元件和硬件描述语言对新型器件进行专门设计。调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。调频电台的频带通常大约是200～250kHz，其频带宽度是调幅电台的数十倍，便于传送高保真立体声信号。由于调幅波受到频带宽度的限制，在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾，因此音频信号的频率局限于30～8000Hz的范围内。在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至30～15000Hz，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。目前，应用最广泛的是采用变容二极管直接调频技术，即利用二极管反偏工作的PN结呈现的势垒电容，它与回路中的电感共同构成振荡器的振荡回路，从而作为振荡频率直接调频电路。它具有工作频率高、固有损耗小和使用方便等优点。变容二极管为特殊二极管的一种。当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN（正负极）接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。在变容二极管直接调频电路中，变容二极管作为一压控电容接入到谐振回路中，有所学的正弦波振荡器章节中，我们知道振荡器的振荡频率由谐振回路的谐振频率决定。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。关键词：变容二极管，调频电路，振荡电路整体设计2.1电路设计原理变容二极管为特殊二极管的一种。当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN（正负极）接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。在变容二极管直接调频电路中，变容二极管作为一压控电容接入到谐振回路中，有所学的正弦波振荡器章节中，我们知道振荡器的振荡频率由谐振回路的谐振频率决定。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。2.2电路的设计方案变容二极管直接调频电路由于变容二极管的电容变化范围大，因而工作频率变化就大，可以得到较大的频偏，且调制灵敏度高、固有损耗小、使用方便、构成的调频器电路简单。因而变容二极管直接调管频器是一种应用非常广泛的调频电路。2.3电路设计变容二极管调频电路主要是由主振电路和变容二极管直接调频电路构成，电路如图所示：2.4.主振电路设计原理分析端口通过滤直电容C7输入频率为1KHz大小为200mv的调制信号，并且频率由零慢慢增大，端口12输出调频信号。T1为三极管，C5、C6、C4、L2、C3为主振回路，D1为BBY31变容二极管。为了减小三极管的极间电容Cce、Cbe、Ccb这些不稳定电容对振荡频率的影响，要求C4C5,C6C5，且C5越小，这种影响就越小，回路的标准性也就越高。则回路的谐振频率是fo=1/2π√LC本电路采用常见的电容三点式振荡电路实现LC振荡，简便易行。式中，L为LC振荡电路的总电感量，C为振荡电路中的总电容，变容二极管电容Cj作为组成LC振荡电路的一部分，电容值会随加在其而端的电压的变化而变化，从而达到变频的目的。R9、R10调节C4、C5、C6以及L2、C3构成LC振荡电路。电容三点式振荡器电路等效电路如下图所示：电容三点式振荡器等效电路2.5调频信号分析FM调制是靠调频使信号频率发生变化，振幅可保持不变，所以噪声易消除。设载波Vc=Vcmcoswct,调制波Vs=Vsmcoswct。则wm=wc＋△wcoswst或fm=fc＋△fcos2兀fst,此时的频率偏移量△f为最大频率偏移。最后得到的被调制波Vm=Vcmsinθm,Vm随Vs的变化而变化。θm=∫0wmdt=wct＋﹙△w/ws﹚sinwstVm=Vcmsinθm=Vcmsin[wct＋﹙△w/ws﹚sinwst]=Vcmsin﹙wct＋msinwst﹚m=△w/ws=△f/fs为调制系数。2.6变容二极管频率调制的原理变容二极管具有PN结，利用PN结反向偏置时势垒电容随外加反向偏压变化的机理，在制作半导体二极管的工艺上进行特殊处理，以控制半导体的掺杂浓度和掺杂分布，可以使二极管的势垒电容灵敏地随反偏电压变化且呈现较大的变化，这样就制作成了变容二极管。变容二极管的结电容Cj，与在其而端所加反向电压u之间存在着如下关系：Cj=Cj0/[1＋u/VB]²﹙1﹚式中，VB为PN结的势垒位差(硅管约为0.7V,锗管约为0.3V)，Cj0为变容二极管在零偏置时的结电容值，n为变容二极管的结电容变化指数，它取决于PN结的杂质分布规律：n=1/3对于缓变结，扩散型管多属此种；n=1/2为突变结，合金型管属于此类。采用特殊工艺制程的超突变结的n在1～5之间。变容二极管的结电容变化曲线如所示：变容二极管结电容的变化关系图加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压V0和调制信号电压VΩ(t)=VΩcosΩt，即u=VΩ＋VQ=VQ＋VΩmcosΩt﹙2﹚将式﹙2﹚代入﹙1﹚中有Cj=Cj0/[1＋VQ＋cosΩt/VB]²=Cj0/[1＋VQ/VB]²×1/[1＋VΩm/VQ＋VB×cosΩt]²=CjQ﹙1＋cosΩt﹚²式中∶CjQ=Cj0/[1＋VQ/VB]²为静态工作点的结电容,m=VΩm/﹙VQ＋VB﹚≈VΩm/VQ为反映结电容调深度的调制指数。结电容在u(t)的控制下随时间的变化而变化。把受到调制信号控制的变容二级管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡回路的频率已收到调制信号的控制。适当选择调频二极管的特性和工作状态，这样就实现了调频。设电路工作在线性调制状态，在静态工作点Q处，曲线的斜率为kc=△c/△v。电路工作分析3.1谐振回路总电容c⊱=ca＋c3cj/﹙c3＋cj﹚回路总电容变化量∶△c⊱=p²△cj3.2调制灵敏度单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度，以sf表示，单位为kHz/V，即△fm/f0=－1/2﹙△c⊱/cQ﹚调制灵敏度sf=f0/2cQ⊱·△c⊱/VΩm调制灵敏度sf可以由变容二极管Cj-v特性曲线上VQ处的斜率kc计算。sf越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。改变CC1的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。电路元件参数4.1震荡回路参数LC显然LC如有变化，必然引起震荡频率的变化，影响LC变化的因素有：元件的机械变形，周围温度变化的影响，适度，气压的变化，因此为了维持LC的数值不变，首先就应选取标准性高的，不易发生机械变形的元件；其次，应尽量维持振荡器的环境温度的恒定，因为当温度变化时，不仅会使LC的数值发生变化，而且会引起电子器件的参数变化，因此高稳定度的振荡器可以封闭在恒温箱（杜瓦瓶）内，LC采用温度系数低的材料制成。4.2温度补偿法使L与C的变化量与△L与△C的变化量相互抵消以维持恒定的震荡频率，：若回路的损耗电阻r很小，即Q值很高，则振荡频率可以近似的用回路的固有频率f0来表示。由于外界因素的影响，使LC产生微小的变量△L、△C，因而引起振荡频率的变化，若选用合适的负温度系数的电容器（电感线圈的温度系数恒为正值），使得△C/C与△L/L互相抵消，则△f可减为零。这就是温度补偿法。4.3回路电阻r的大小是由振荡器的负载决定的，负载重时，r大，负载轻时r小，当负载变化时，振荡频率也随之变化。为了减小r的影响尽量使负载小且稳定，r越小，回路的Q值越高，频率的稳定度也越高。4.4加缓冲级为了减弱后级电路对主振器的影响，可在主振器后面加入缓冲级。所谓缓冲级，就是实际上是一级不需要推动功率的放大器（工作于甲类）。电路仿真仿真结果∶仿真过程及遇到的问题∶在仿真过程中，一开始并没有出现波形，便一遍又一遍的检查连接的电路，检查每一根连线，摆放元件的位置，使连线能更加漂亮，在仿真过程中调试，不断改变scale，最终得到了如上的波形。元件清单名称规格数量电阻10K,2K,100，10，5K每个型号电阻各一个三极管2N2222A一个变容二极管BBY31一个电容200p，1u，20p，100p，500p，124p，10u20p，124p，1u，各两个，其他各一个电感10m，8.5u各一个实验心得与体会∶通过对变容二极管调频电路的设计与研究，我们不仅对变容二极管的调频原理有了更深刻的了解，还对调频电路的应用进行了一定的了解，调频电路在无线电通信中是非常重要的调制方式，应用非常广泛，特别是在数字调制中应用更广，频率调制简称调频，是指用调制信号去控制高频载波的频率，，使之随调制信号的规律变化，确切的讲，是使载波信号的频率随调制信号线性变化，而振幅保持不变。这在示波器上能明显观察到双峰调频波。变容二极管调频电路是直接调频电路的一种，主要是因为变容二极管直接调频电路简单、性能良好。同时变容二极管的电容变化范围大，因而工作频率就达，可以得到较大的频偏，而且调制灵敏度高、固有损耗小，因而变容二极管直接调频电路时一种应用非常广泛的调频电路。在课程设计的整个过程中，当明确了目的和要求后，电路就变得简单了，而且在图书馆和网上，查阅了大量的资料，最终确定了电路连接图，在仿真软件中对电路图进行了准确的仿真，保证了电路图的准确性。通过这次的课程设计，我再一次认识到了知识与实践的重要性，只有牢记所学的专业知识，才