调频器与鉴频器实验报告

实验四调频器与鉴频器一、实验目的1．了解变容二极管调频的原理。2.掌握调频器静态调制特性的测试方法。3.了解和掌握比例鉴频器的工作原理及调整测试方法。二、实验原理1.变容二极管调频的实验原理设调制信号为tUtucos)(一个未调的高频振荡可表示为)(cos)(tUtuoo(4-1)它的总的相角为00)()(tt(4-2)如果让高频振荡的角频率随某一调制信号的大小而改变，则高频振荡角频率较之未调制时的角频率有一个与调制信号大小成正比的增量。可用下式表示：tttcos)()(00（4-3）式中ω0为未调制时的角频率，△ω(t)为受调制后的角频率增量。对于调频振荡有两个很重要的指标，即频率偏移和调频指数，前者是指调频振荡频率变化时偏离中心频率的数值，而后者是指频率偏移对调制信号频率的比值，如果调制信号的幅度和形状是上下对称的，并以ωmax和ωmin表示最大和最小角频率偏移，则调颇信号的中心角频率ω0为2minmax0(4-4)而最大频偏为2minmaxmin00max(4-5)调频指数为fm(4-6)因为ω(t)是时间的函数，因此巳调振荡的总相角是ω(t)在0一t时间内的积分：ttdttdttt00000)]([)()((4-7)将式4-3代入式4-7得：tttdtttt00000sin)()(00sintmtf(4-8)由此得到：)]sin(sin[)(00tmtUtufm(4-9)显然，上式包含了中心频率ω0和频率增量mfsinΩt两个部分。如何使一个高频振荡器不仅产生中心频率ω0的振荡，而且还能产生—个随调制信号幅度大小而变化的频率增量呢?我们知道，当变容二极管加反向偏置后，结电容将随偏置电压而变化，它的电容量与所加反向偏置电压有如下关系：nDDVECC)/1(0(4-10)式中C0—零偏置时的电容量，E—外加反向电压，VD—二极管阀电压，对于硅管约为0.7V，n—变容管的电容变化指数，对用作调频的超突变结变容管来说，n＞1.5，甚至可达到7，这可以在手册上查到。变容管的压容特性见图4-1。如果用tVEEsin0代入式(4-10)中，则CD的表达式可表示为nDDtVEVCC)sin(1100nDDDVVEtVVEC/1sin11000ncDnDnDtmCVEtVVECsin1sin1110000（4-11）式中nDDVECC)/1(000是静态偏置E0时的结电容；图4-1压容特性0EVVmDc是静态调制系数。如果将变容管接入振荡回路，则振荡器的角频率为2/02/0)sin1()sin1(11ncncDDtmtmLCLC（4-12）式中001DLC为振荡器的中心频率，当n取2时，从上式可看出能得到线性调制。当然，能否得到线性调制并不简单取决于n值，还与变容管所加反向偏置电压，和变容管串联或并联电阻值以及高频振荡电压的大小有关。图4-2变容管调频振荡器原理图本实验用改进的电容三点式振荡电路，其原理电路如图4-2所示。图中CD，C4，C5，C6，C9，C10，L2和晶体管Q1组成电容三点式振荡电路。R2，R3，W1和稳压管D1给变容管提供直流偏置。R1给变容管一个直流通路。因为频偏的大小取决于调制信号幅度的大小，而于调制频率无关，这样我们可以假定调制信号的频率趋向零。用另一直流稳压电源，使E0=VΩ，测出E0-f曲线，再在曲线上选取线性较好的一段作为工作区。如图4-3所示。图4-3调频振荡器的静态调制特性2．鉴频器的实验原理鉴频器的任务是将频率的变化转换成电压的变化，即将幅度受限制的调频信号通过微分网络，产生一个比例于调频信号瞬时频率的包络调制成分。然后使这个幅度变化的调频信号通过幅度解调器，以选出一个比例于ω(t)的信号，由于)()(0tt，一旦ω(t)选出后，△ω(t)就可用减去ω0取得，或使ω(t)通过高通网络滤去ω0项。因此很明显，为了完成频率解调的任务，鉴频器需要一个微分网络，一个幅度检波器和一个高通滤波器。本实验采用的电路如图4-4a所示，图4-4b是它的等效电路。在图中，我们假设电路是对称的，即C20=C21，R15=R16，Kd1=Kd2(Kd为检波器的传输系数)，以及初次回路Q值相等，谐振频率相等，于是加到两个检波二极管上的电压分别为2,2212211VVVVVVDD当外加信号频率改变时，V1和V2之间的相位将随之改变。由图4-4可看到VC20=Kd1VD1VC21=Kd2VD2则2121212120DDDDddCCVVVVKKVV（4-13）因为VR15=VR16，又假定电压方向如高频等效电路所示，可得：021020VVVVCC（4-14）式中V0为鉴频器输出电压，即210212002121DDdCCVVKVVVV或（4-15）由于202221212120,CCCCDDCVVVVVVV且可得212221/1DDCCVVVV（4-16）图4-4a鉴频器实验原理图图4-4b鉴频器等效电路将212220CCCVVV代入式（4-15）可得21222120022121CCCCVVVVV（4-17）再将式（4-16）代入（4-17），于是有21220/12121DDCVVVV（4-18）由式（4-18）可见鉴频器输出电压的大小并不决定于VD1，VD2本身的大小，仅取决于它们的比值21DDVV，故称比例鉴频器。我们知道相位鉴频器的输出电压为210DDdVVKV，由此知道比例鉴频器的输出要比相位鉴频器小一半。但比例鉴频器有它的优点，即它具有自限幅作用，就是对寄生调幅有一定的抑制能力。比例鉴频器的自限幅作用可以这样来解释，假定输入信号变大，次级所获得的信号电压也变大，VD1，VD2变大，但由于C22容量较大（10μF），它的充放电时间常数增大，在短时间内VC22维持不变，故相当于R15，R16减小，它使回路Q值降低，次级信号下降，这样就能保持输出电压近似不变。比例鉴频器的鉴频特性如图4-5所示。从图4-5可看到，当信号频率等于鉴频器中心频率f0时，鉴频器输出为零。当信号频率向低端或高端偏离中心频率时，鉴频器将得到负或正的输出电压，图中AB段是鉴频器的线性工作区，鉴频特性俗称鉴频器的S曲线。通过改变两个二极管连接的方向或耦合线圈的绕向(同名端)，可以使鉴频特性反向。当回路的Q值过高，尤其是回路初次级耦合过紧，次级回路Q值过高，都会缩小鉴频器的线性工作区。本实验的实验电路如图4-6所示。图4-6调频鉴频器实验电路图三、实验仪器1．频率特性测试仪（扫频仪）2.双踪示波器；3．函数发生器4．稳压电源四、实验内容和步骤1．对照实验电路图核对电路各元件值，调节W1，观察变容管对地电压的变化范围。图4-5比例鉴频器的鉴频特性曲线（实线）2．测静态调制特性曲线，即E0-f曲线，E0在TP1处测，靠改变W1获得。示波器接射随器后面的TP2点，（S1置“中”）。3．根据静态调制特性，选择最佳工作点电压，使调频振荡器的中心频率约为6.5MHz。4．在调制信号输入端（即电路图C1的左端）加入1KHz、1Vpp正弦波，在TP2点观察记录调频输出波形；改变调制信号为2KHz、2Vpp，观察描述载波频率随调制信号频率和电压变化的情形。5．S1置“下”，用扫频仪BT3D调整鉴频器初次级回路，使在扫频仪上获得上下、左右对称、中心频率符合要求的S曲线。当中心频率不符合要求或正负向峰值不对称时，可调节初、次级回路的调谐元件。由于初次级回路是相互影响的，因此必须反复调节才能获得较对称的S曲线。描绘S曲线，记录f0、fA、fB值。6．在鉴频器输入端加入6.5±1.5MHz的点频信号，测量f---Vo关系曲线。（注意：此时Vo是直流）f：载波频率，Vo：鉴频器输出电压。7．在在鉴频器输入端加入调频波（信号源F20A置FM模式，载频置为6中测出的f0值，载波幅度：2Vpp），测量Ω=1KHz时的△f---Vo曲线及△f=100KHz时的Ω---Vo曲线。△f：频率偏移（FMDEVIA）,Ω:调制信号频率（FMFREQ），Vo：鉴频器输出电压，此时为正弦波。（△f：50-150KHz，Ω：1-10KHz）8．S1置“上”，用低频1KHz，1Vpp正弦波作为调制信号加至C1的左端，调节W1、C5，记录鉴频器输出的最大不失真波形。五、数据处理1、调节W1，发现|E0max|=8.614V，|E0min|=0.7069V所以|E0|∈[0.7069V,8.614V]2、测静态调制特性曲线，即E0-f曲线：E0/V-0.7069-0.8903-1.302-2.434-3.186-4.285-4.952-5.969-6.452-7.529-8.614f/MHz5.906.016.106.276.376.406.466.536.566.606.67使用origin作图如下：-9-6-306.06.36.6BBE0/Vf/MHz图一由于频率与电容值成反比，所以E0与VD之间满足实验原理所提及的n次方反比关系。3、根据静态调制特性，选择最佳工作点电压，使调频振荡器的中心频率约为6.5MHz。通过反复调节W1，使得f=6.50MHz，而此时E0=-5.402V4、在调制信号输入端（即电路图C1的左端）加入1KHz、1Vpp正弦波，在TP2点得到的调频输出波形如图二所示：图二我们可以发现在1KHz、1Vpp正弦波加入下，波形出现了极为微小的频偏，不易察觉改变调制信号为2KHz、3Vpp在TP2点得到的调频输出波形如图三所示：图三从图中我们可以很明显的看到载波波形出现了极为明显的频偏，但载波的频率与电压均未发生变化。5、S1置“下”，用扫频仪BT3D调整鉴频器初次级回路，使在扫频仪上获得上下、左右对称、中心频率符合要求的S曲线。实验中调节初、次级回路的调谐元件，使得扫频仪上得到了较为对称的曲线，曲线图见附件。通过读取扫频仪上格数，得到了f0、fA、fB的数值：f0=6.53MHz，fA=6.26MHz，fB=6.74MHz6、在鉴频器输入端加入6.5±1.5MHz的点频信号，测量f---Vo关系曲线。f为载波频率，通过示波器读出，Vo为鉴频器输出电压，由万用表读出f/MHz5.005.305.605.906.206.256.306.406.456.50E0/V-0.0575-0.1075-0.2190-0.5971-2.241-2.155-1.658-0.8510.7981.590f/MHz6.556.606.656.706.756.807.107.407.708.00E0/V2.2222.2462.3211.9641.5591.2350.4320.2230.1390.097利用origin作图如图四所示：5678-202E0/Vf/MHz图四由图可以读出f0=6.43MHz，fA=6.25MHz，fB=6.65MHz与通过扫频仪独处的数值相比较，相差不大。7、在在鉴频器输入端加入调频波（信号源F20A置FM模式，载频置为6中测出的f0值，载波幅度：2Vpp），测量Ω=1KHz时的△f---Vo曲线及△f=100KHz时的Ω---Vo曲线。△f：频率偏移（FMDEVIA）,Ω:调制信号频率（FMFREQ），Vo：鉴频器输出电压，此时为正弦波。（△f：50-150KHz，Ω：1-10KHz）（1）测量Ω=1KHz时的△f---Vo曲线△f/KHz5060708090100110120130140150Vo/V1.091.251.451.611.771.892.092.212.372.492.65利用origin作图，如