基于壓控振蕩器的調(diào)頻信號發(fā)生器設(shè)計

米歡++付麥霞++廉飛宇++丁文龍++于玄

摘要：頻率調(diào)制技術(shù)是在調(diào)制過程中使已調(diào)信號的頻率隨調(diào)制信號變換，其在軍事通訊和生活中等各個方面有著至關(guān)重要的作用。本文以調(diào)頻技術(shù)的原理和應(yīng)用為切入點，利用硬件電路仿真平臺Multisim 3.0對基于壓控振蕩器的調(diào)頻信號發(fā)生器進(jìn)行了設(shè)計和仿真分析。為了得到好的調(diào)制效果，利用鎖相環(huán)路構(gòu)成一種兩點調(diào)制的寬帶FM調(diào)制器，從而獲得質(zhì)量較高的FM信號。本文的研究工作對于實現(xiàn)高穩(wěn)定性和寬譜調(diào)頻信號發(fā)生器具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：頻率調(diào)制；壓控振蕩器；Multisim3.0；兩點調(diào)制

中圖分類號：TJ768.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）16-0083-02

一、引言

在通信技術(shù)日益發(fā)展的今天，調(diào)頻廣播這一大眾傳媒正經(jīng)歷著來自電視及互聯(lián)網(wǎng)等諸多領(lǐng)域的沖擊，但在一些移動工具（例如汽車內(nèi)）及開闊環(huán)境，調(diào)頻廣播仍具有不可替代的地位。其中，頻率調(diào)制技術(shù)是一種適用于遠(yuǎn)距離話音信號傳播的調(diào)制方式，其在軍事通訊方面至關(guān)重要。在生活中，頻率調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用也使我們的生活更加方便、有趣，比如家庭電臺、嬰兒監(jiān)護(hù)器等。利用壓控振蕩器設(shè)計調(diào)頻信號發(fā)生器的方法多種多樣[1]，最常見的方法是直接將集成壓控振蕩器當(dāng)作一個調(diào)頻信號發(fā)生器，這屬于傳統(tǒng)的施密特觸發(fā)器型集成壓控振蕩電路[2]。由于正反饋的滯后現(xiàn)象，施密特觸發(fā)器能有效的濾除一部分噪聲，是一種低頻寬帶通用壓控振蕩器。除此以外，還有電容交叉充電型和定時器型的集成壓控振蕩器[3]。交叉充電式壓控振蕩器由于其自身電路特性而不可避免具有延時缺點，另外，它對部分器件的要求過高。而定時器型壓控振蕩器所用模塊過多，使整體功耗增加。本文利用Multisim仿真平臺設(shè)計基于壓控振蕩器的調(diào)頻電路[4]，采用的壓控振蕩器是普通的正弦波型。利用壓控振蕩器針對高頻信號的獨特優(yōu)勢，直接產(chǎn)生頻率調(diào)制信號，調(diào)頻信號的頻率跟隨輸入信號的變化而產(chǎn)生變化，從而獲得較寬的調(diào)頻帶寬和較好的特性。

二、設(shè)計原理及仿真分析

頻率調(diào)制技術(shù)（FM—Frequency Modulation）是一種模擬信號調(diào)制技術(shù)，其特點是頻率隨調(diào)制信號的頻率而變化，本質(zhì)上是一種角度調(diào)制，在頻域?qū)?yīng)頻譜的非線性變換。本文通過鎖相環(huán)路構(gòu)成一種兩點調(diào)制的寬帶FM調(diào)制器。兩點調(diào)制技術(shù)是一路音頻去調(diào)變?nèi)荻O管，另一路音頻去調(diào)參考晶振的調(diào)制技術(shù)，然后運用鎖相環(huán)調(diào)制器從而可以獲得質(zhì)量較高的FM信號。用這種方式獲取FM信號時，需要相位比較器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器。相位比較器的功能是計算兩個輸入信號的相位差，這個功能利用模擬乘法器來實現(xiàn)。環(huán)路濾波器實際上是一個低通濾波器，通常由電阻、電容或電感等組成，有時也包含運算放大器。本文利用電阻R和電容C實現(xiàn)環(huán)路濾波的功能。壓控振蕩器的振蕩頻率受輸入信號控制，輸入與輸出之間呈線性關(guān)系。為了滿足鎖相環(huán)路的要求，其自由振蕩頻率應(yīng)設(shè)定在最終鎖定頻率附近。結(jié)合本研究中的載波振蕩頻率為30KHz，因此設(shè)定自由振蕩頻率為30KHz。本文設(shè)計的壓控振蕩器包括LC振蕩電路、基本放大電路、鎖相環(huán)路[5]、高頻功放電路各個模塊的設(shè)計。其中，基本放大電路采用A類信號放大器在幅度上放大輸入信號，而保持頻率、形狀等其他信號特性不變。本設(shè)計利用三極管實現(xiàn)該單元功能，通過設(shè)計三極管的偏置電壓來使三極管工作在放大狀態(tài)。載波產(chǎn)生電路的目的是產(chǎn)生一個高頻正弦信號，采用LC振蕩電路利用電感和電容的諧振特性，將直流信號變?yōu)橛幸欢ǚ?、一定頻率的交流信號。調(diào)頻波產(chǎn)生電路是整個電路的核心，本文通過構(gòu)建鎖相環(huán)路構(gòu)成兩點調(diào)制的寬帶FM調(diào)制器從而獲得質(zhì)量更高的FM信號。倍頻放大電路的作用是整倍數(shù)放大信號的頻率，設(shè)計信號頻率使之工作在需要的頻段上。本文利用模擬乘法器實現(xiàn)倍頻器的作用，即保持信號形狀不變的情況下整倍數(shù)的放大頻率，提高其抗干擾能力，同時使其能夠滿足更遠(yuǎn)距離的傳輸。本文用到的是硬件電路仿真平臺Multisim3.0。該仿真平臺可以通過元器件庫挑選所需要用到的元件，放置在上圖所示的工作區(qū)域，并通過連接各元件的接口繪制電路圖。操作簡單便捷，且仿真功能強(qiáng)大。同時該平臺配備有各種測量儀器，方便電路設(shè)計過程中各點數(shù)據(jù)的測量，使仿真過程更加簡易，操作性更強(qiáng)。

圖1是基于壓控振蕩器的調(diào)頻信號發(fā)生器整體Multisim仿真電路圖?；痉糯箅娐分械腝1（三極管）是型號為2SC1815的PNP管。通過示波器的波形可以觀察到在放大的信號中有直流分量，所以在整體電路設(shè)計中，在此單元的輸出端添加濾波電路。載波產(chǎn)生電路中設(shè)定頻率為5MHz，調(diào)節(jié)L1的參數(shù)，可在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)振蕩頻率。調(diào)整R1、R2、R3、R4的數(shù)值，使三極管Q1工作在放大狀態(tài)，適當(dāng)增大基極和射極間的極間電壓，使其接近三極管Q1的偏置電壓可以使其工作特性相對穩(wěn)定，減少波峰和波谷處的失真，使振蕩電路產(chǎn)生的波形更接近正弦形，但相應(yīng)的放大倍數(shù)會減小。壓控振蕩器的振蕩頻率受輸入信號控制，輸入與輸出之間呈線性關(guān)系。為了滿足鎖相環(huán)路的要求，其自由振蕩頻率應(yīng)設(shè)定在最終鎖定頻率30KHz。

三、結(jié)論

頻率調(diào)制（Frequency Modulation）技術(shù)是一種使信號更便于遠(yuǎn)距離傳播的技術(shù)，其特點是在調(diào)制過程中，已調(diào)信號的頻率隨調(diào)制信號變換。本文以調(diào)頻技術(shù)的原理和應(yīng)用為切入點，利用硬件電路仿真平臺Multisim 3.0對基于壓控振蕩器的調(diào)頻信號發(fā)生器進(jìn)行了仿真分析。整個信號發(fā)生器由LC振蕩電路、基本放大電路、鎖相環(huán)路、高頻功放電路等模塊組成。為了得到好的調(diào)制效果，利用鎖相環(huán)路構(gòu)成一種兩點調(diào)制的寬帶FM調(diào)制器，從而獲得質(zhì)量較高的FM信號。本文的研究工作對于實現(xiàn)高穩(wěn)定性和寬譜調(diào)頻信號發(fā)生器具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

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[5]李峰，郭德淳.使用VCO實現(xiàn)變?nèi)荻O管直接調(diào)頻[J].今日電子，2005，（3）：62-64.