變?nèi)荻O管調(diào)頻電路實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與改進(jìn)

楊光義, 王雪迪, 金偉正, 王曉艷

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院, 湖北 武漢 430072)

變?nèi)荻O管調(diào)頻電路實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與改進(jìn)

楊光義, 王雪迪, 金偉正, 王曉艷

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院, 湖北 武漢 430072)

以變?nèi)荻O管調(diào)頻實(shí)驗(yàn)為核心,將LC振蕩、晶體振蕩、倍頻和選頻等實(shí)驗(yàn)巧妙組合,設(shè)計(jì)了一套綜合振蕩和倍頻的變?nèi)荻O管調(diào)頻倍頻實(shí)驗(yàn)電路。該實(shí)驗(yàn)電路涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富,綜合性強(qiáng),學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)全面理解和掌握相關(guān)知識(shí)。教學(xué)實(shí)踐表明,該實(shí)驗(yàn)效果良好,適合在高等院校推廣應(yīng)用。

變?nèi)荻O管； 調(diào)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(xué)生的專業(yè)主干課程，高頻實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)可以更好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)理論課程的學(xué)習(xí)和理解,已成為電子信息類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)和培養(yǎng)能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1-4]。調(diào)頻與倍頻是高頻電子線路實(shí)驗(yàn)的重要組成部分,對(duì)于學(xué)生全面深刻地理解高頻知識(shí)具有不可替代的作用。傳統(tǒng)的變?nèi)荻O管調(diào)頻實(shí)驗(yàn)電路包括振蕩電路、調(diào)頻電路以及相關(guān)的外圍電路,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)信號(hào)源產(chǎn)生調(diào)制信號(hào),加載到電路所產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)上實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。該實(shí)驗(yàn)電路雖然也可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的,但是該電路僅僅可以使學(xué)生了解到調(diào)頻電路,并沒(méi)有與調(diào)頻相關(guān)的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,也沒(méi)有接觸到實(shí)際運(yùn)用中的變?nèi)荻O管調(diào)頻技術(shù)。由于其沒(méi)有與其他相關(guān)的高頻實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，不能使學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行及時(shí)的融合與應(yīng)用,教學(xué)效果無(wú)法提升,學(xué)生也不能及時(shí)地通過(guò)實(shí)驗(yàn)將所學(xué)到的高頻知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通。

針對(duì)這些情況,為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、加深學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)整體思路的理解、掌握調(diào)頻及其相關(guān)高頻電路的結(jié)合與運(yùn)用,本文對(duì)變?nèi)荻O管調(diào)頻、倍頻實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行了創(chuàng)新,其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面:電路采用自帶振蕩源的方式,減小了電路對(duì)信號(hào)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(duì)比；將受調(diào)制信號(hào)控制的變?nèi)荻O管接入載波振蕩器的振蕩回路,使振蕩頻率受調(diào)制信號(hào)的控制,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。同時(shí),利用LC諧振回路的選頻特性對(duì)已調(diào)波進(jìn)行特定頻率點(diǎn)的選頻,從而實(shí)現(xiàn)倍頻；對(duì)倍頻后的信號(hào)經(jīng)過(guò)二次選頻,最終得到了良好的調(diào)頻倍頻信號(hào)。

1 原理介紹

原理參照文獻(xiàn)[5]—[6]。

1.1 變?nèi)荻O管調(diào)頻原理

所謂調(diào)頻,就是把要傳送的信息作為調(diào)制信號(hào)去控制載波(高頻振蕩)的瞬時(shí)頻率。產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)的電路叫做調(diào)頻器。對(duì)調(diào)頻器的主要要求是:頻偏大且與調(diào)制信號(hào)保持線性關(guān)系、寄生調(diào)幅小、調(diào)制靈敏度高等。產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)的方法很多,主要有兩類:第1類是用調(diào)制信號(hào)直接控制載波的瞬時(shí)頻率——直接調(diào)頻。第2類是先將調(diào)制信號(hào)積分,然后對(duì)載波進(jìn)行調(diào)相而得到調(diào)頻波——間接調(diào)頻[7]。

本文所設(shè)計(jì)的電路采用變?nèi)荻O管直接調(diào)頻。例如,被控電路為L(zhǎng)C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(shù)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(diào)制信號(hào)去控制可變電抗的參數(shù),即可產(chǎn)生振蕩頻率隨調(diào)制信號(hào)變化的調(diào)頻波[8-10]。

在變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路中,變?nèi)荻O管作為壓控電容接入到諧振回路中。因此,當(dāng)變?nèi)荻O管的結(jié)電容隨加到變?nèi)荻O管上的電壓變化時(shí),由變?nèi)荻O管的結(jié)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(shí)諧振回路的諧振頻率與加到變?nèi)荻O管上的調(diào)制信號(hào)呈線性關(guān)系,就完成了調(diào)頻的功能,這也是變?nèi)荻O管調(diào)頻的原理,其原理電路如圖1所示[11]。

圖1 變?nèi)荻O管調(diào)頻原理電路

1.2 倍頻原理

倍頻器是一種實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)頻率倍增功能的非線

性電路,是把輸入的信號(hào)頻率f0成整數(shù)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(yīng)用于通信、雷達(dá)、頻率合成器、測(cè)量等領(lǐng)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(lái)獲得倍頻,叫做丙類倍頻器；另一種是利用晶體管的結(jié)電容隨電壓變化的非線性來(lái)獲得倍頻,這是半導(dǎo)體器件所特有的性質(zhì),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(yīng)，將正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)檎颐}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?nèi)荻O管調(diào)頻電路

在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)中,通常所采用的變?nèi)荻O管調(diào)頻電路[14]如圖2所示。其中三極管BG2為振蕩管,設(shè)置為共基組態(tài),它與電容C5、C7、C11、變?nèi)荻O管VD1及電感L2組成電容三端式改進(jìn)型電路——西勒電路。振蕩信號(hào)經(jīng)電容C4加在三極管BG1的基極,從BG1發(fā)射極輸出。改變電位器RW3,可以改變輸出信號(hào)V0(t)的大小。變?nèi)荻O管工作在反向偏置狀態(tài),電源電壓通過(guò)電阻R3及電位器RW2的分壓供給VD1反向偏置電壓,調(diào)節(jié)RW2可使得VD1的反偏電壓在0～10V之間變化；調(diào)制信號(hào)VΩ(t)經(jīng)電容C9及高頻扼流圈L1加在VD1兩端,變?nèi)荻O管的反偏電壓隨調(diào)制信號(hào)變化,從而實(shí)現(xiàn)變?nèi)荻O管的直接調(diào)頻。

圖2 變?nèi)荻O管調(diào)頻電路

振蕩信號(hào)f=10.2 MHz、VPP=150 mV；調(diào)制信號(hào)f=1 kHz、VPP=1 V時(shí),得到的實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示。

3 改進(jìn)電路設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

為了豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的,在不增加電路復(fù)雜性的前提下,對(duì)圖2的電路進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn),融入倍頻和選頻網(wǎng)絡(luò),得到如圖4所示的設(shè)計(jì)框圖。

圖3 變?nèi)荻O管調(diào)頻實(shí)驗(yàn)波形

圖4 變?nèi)荻O管調(diào)頻倍頻實(shí)驗(yàn)框圖

由LC振蕩器組成的主振回路產(chǎn)生載波,并將受調(diào)制信號(hào)控制的變?nèi)荻O管接入載波振蕩器的振蕩回路,使振蕩頻率受調(diào)制信號(hào)的控制,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。改進(jìn)后的變?nèi)荻O管調(diào)頻、倍頻電路見(jiàn)圖5。

圖5 改進(jìn)后的變?nèi)荻O管調(diào)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(kāi)關(guān)(短路子)JP1選擇工作模式為晶體窄帶調(diào)頻和LC串聯(lián)振蕩調(diào)頻。LC串聯(lián)振蕩由圖5中的L3和C4組成,R8的作用是調(diào)整振蕩回路的品質(zhì)因素Q,防止自激。晶體窄帶調(diào)頻由10 MHz的晶振組成,同時(shí)采用加感的方式,R3的作用與R8相同。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,可以將兩種方式產(chǎn)生的振蕩信號(hào)進(jìn)行比較,讓學(xué)生更加深刻地理解兩種振蕩方式各自的特點(diǎn)。

以LC串聯(lián)振蕩為例,接通電源后,將JP1連接到1、2端,在J1端可以檢測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 調(diào)頻電路

變?nèi)荻O管VD1兩種振蕩模式共用。通過(guò)調(diào)整電位器RW1控制變?nèi)荻O管的反向饋電電壓VD,可以改變變?nèi)荻O管PN結(jié)的等效電容量。實(shí)驗(yàn)中,高頻載波信號(hào)由LC串聯(lián)回路振蕩產(chǎn)生,低頻調(diào)制信號(hào)經(jīng)C8耦合,通過(guò)調(diào)整電位器RW1中心抽頭位置來(lái)控制靜態(tài)控制電壓的高低。其中,電容C9的作用是穩(wěn)定加在變?nèi)荻O管兩端的電壓,電感L4為高頻扼流圈,起到隔離高頻信號(hào)和低頻信號(hào)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(diào)頻波。由于沒(méi)有經(jīng)過(guò)選頻,圖7中波形效果并不理想。

圖7 變?nèi)荻O管調(diào)頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4 倍頻電路

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

實(shí)驗(yàn)時(shí),調(diào)整電容C1的值,使集電極的并聯(lián)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(diào)頻波。

圖8 二倍頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

3.5 選頻網(wǎng)絡(luò)

經(jīng)過(guò)一次倍頻后的調(diào)頻波,同時(shí)相當(dāng)于對(duì)其進(jìn)行了一次選頻,所以波形相比于圖7更穩(wěn)定,效果更好,但仍然有較為明顯的調(diào)幅現(xiàn)象。為了使倍頻信號(hào)更加穩(wěn)定,采用二次選頻的方法,其原理和方法與倍頻電路相同。

調(diào)整電容C2的值,使集電極的并聯(lián)回路諧振于20 MHz,利用選頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二次選頻,結(jié)果波形如圖9所示。對(duì)比圖8和圖9可見(jiàn),二次選頻后的信號(hào)失真度更小,調(diào)幅現(xiàn)象明顯減弱。

圖9 選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文創(chuàng)新的變?nèi)荻O管調(diào)頻倍頻實(shí)驗(yàn)電路是基于原有的調(diào)頻電路設(shè)計(jì)的,具有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、電路綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)。在不增加電路復(fù)雜性的情況下豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的綜合性和趣味性,提高了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性,同時(shí)也深化了學(xué)生對(duì)調(diào)頻技術(shù)的認(rèn)識(shí),收到了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

當(dāng)然,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,原有的變?nèi)荻O管調(diào)頻實(shí)驗(yàn)電路和改進(jìn)后的電路作為不同的難度要求和側(cè)重點(diǎn),可以有機(jī)結(jié)合。學(xué)生在熟練掌握變?nèi)荻O管調(diào)頻實(shí)驗(yàn)的原理和方法后,可以通過(guò)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)電路快速完成調(diào)頻、倍頻和選頻實(shí)驗(yàn),通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行更深入的研究,從而達(dá)到兩種電路的有效補(bǔ)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(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目(610405115)

楊光義(1983—)，男，湖北孝感，在職博士研究生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)楦哳l電子線路教學(xué)和軟件無(wú)線電等.

E-mail：ygy@whu.edu.cn

TN761.2;G642.423

A

1002-4956(2015)7- 0041- 05