调频方法的概述.ppt

§ 10.3 调频方法的概述因为频率调制不是频谱线性搬移过程，它的电路就不能采 用乘法器和线性滤波器来构成，而必须根据调频波的特 点，提出具体实现的方法对于调频电路的性能指标， 一般有以下几方面的要求：1．线性的调制特性即已调波的瞬时频率变化与调制 信号成线性关系2．具有较高的调制灵敏度即单位调制电压所产生的 振荡频率偏移要大3. 最大频率偏移与调制信号频率无关4. 未调制的载波频率（即已调波的中心频率）应具有 一定的频率稳定度5. 无寄生调幅或寄生调幅尽可能小实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类10.3.1 直接调频原理 直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡 器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律要 用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是 用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元 件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率 按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直 接调频 1．改变振荡回路的元件参数实现调频 在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振 荡回路的电感L和电容C在RC振荡器中，决定 振荡频率的主要元件是电阻和电容因而，根据 调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电 阻的数值就能实现调频。

调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电 抗管电路常用的可控电感元件是具有铁氧体磁 芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有 二极管和场效应管2．控制振荡器的工作状态实现调频在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振荡 器，其振荡频率受控于加在管子反射极上的反射 极电压因此，只需将调制信号加至反射极即可 实现调频 若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信 号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡 频率10.3.2 间接调频原理调频波的数学表示式，在调制信号为uΩ(t)时，为uFM(t)=Ucm cos[ωct+kf ] 可见调频波的相位偏移为kf ，与调制信号 uΩ(t)的积分成正比若将调制信号先通过积分器得 ，然后再通过 调相器进行调相，即可得到调制信号为 的 调相波，即u(t)=Ucm cos[ωct+kP ]因此，调频可以通过调相间接实现通常将这样的 调频方式称为间接调频，其原理方框图如图10-1 所示这样的调频方式采用频率稳定度很高的振 荡器(例如石英晶体振荡器)作为载波振荡器，然 后在它的后级进行调相，得到的调频波的中心频 率稳定度很高。

图10-1 间接调频原理方框图§ 10.4 变容二极管直接调频电路10.4.1. 变容二极管调频电路 1．变容二极管的特性 变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变 而变化的原理设计的在加反向偏压时，变容二 管呈现一个较大的结电容这个结电容的大小能 灵敏地随反向偏压而变化正是利用了变容二极 管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回 路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会明 显地随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达 到调频的目的变容二极管的反向电压与其结电容呈非线性关系 其结电容Cj 与反向偏置电压ur之间有如下关系：(10-19)式中，UD 为PN结的势垒电压，Cj0 为ur =0时的结 电容;γ为电容变化系数 2．调频基本原理图10-2 变容二极管调频电路图10-2是变容二极管调频器的原理电路图中虚线 左边是一个LC正弦波振荡器，右边是变容二极 管和它的偏置电路其中Cc是藕合电容，ZL为 高频扼流圈，它对高频信号可视为开路变容二 极管是振荡回路的一个组成部分，加在变容二极 管上的反向电压为 ur =VccVB+uΩ(t)=VQ+uΩ(t) (10-20)式中，VQ=VccVB是加在变容二极管上的直流偏置 电压；uΩ(t)为调制信号电压。

图10-3 结电容随调制电压变化关系 图10-3(a)是变容二极管的结电容与反向电压ur的关 系曲线由电路可知，加在变容二极管上的反向 电压为直流偏压VQ和调制电压uΩ(t)之和，若设 调制电压为单频余弦信号，即uΩ (t)=UΩmcosΩt则 反向电压为 ur (t)= VQ+UΩm cosΩt (10-21)如图10-3(b)所示在ur (t)的控制下，结电容将随时间发生 变化，如图10-3(c)所示结电容是振荡器振荡回路的一 部分，结电容随调制信号变化，回路总电容也随调制信 号变化，故振荡频率也将随调制信号变化只要适当选 取变容二极管的特性及工作状态，可以使振荡频率的变 化与调制信号近似成线性关系，从而实现调频3. 电路分析 设调制信号为uΩ(t)=UΩm cosΩt，加在二极管上的反向直流 偏压为 VQ，VQ的取值应保证在未加调制信号时振荡器 的振荡频率等于要求的载波频率，同时还应保证在调制 信号uΩ (t)的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工 作加在变容二极管上的控制电压为 ur (t)= VQ+UΩm cosΩt相应的变容二极管结电容变化规律为当调制信号电压uΩ(t)=0时，即为载波状态。

此时 ur(t)=VQ，对应的变容二极管结电容为CjQ当调制信号电压uΩ(t)=UΩm cosΩt时，(10-22)代入式(10-22),并令m= UΩm /(UD+VQ)为电容调制度 ，则可得(10-23)上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关 系而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电压 的关系由振荡回路决定由图10-2可得，振荡器 振荡回路的等效电路，如图10-4(a)所示图10-4 振荡回路等效电路1)变容二极管作为振荡回路的总电容 设C1未接入,Cc较大,即回路的总电容仅是变容二极 管的结电容,其等效回路如图10-4(b)所示加在 变容二极管上的高频电压很小,可忽略其对变容 二极管电容量变化的影响,则瞬时振荡角频率为(10-24) 因为未加调制信号时的载波频率 ,所以（10-25）根据调频的要求,当变容二极管的结电容作为回路 总电容时,实现线性调频的条件是容二极管的电 容变化系数γ=2若变容二极管的电容变化系数γ不等于2，设 uΩ(t)=UΩm cosΩt ，则 可以在 mcost=0 处展开成为泰勒级数，得 (10-26)通常m<1，上列级数是收敛的。

因此,可以忽略三 次方项以上的各项,则从上式可知,对于变容二极管调频器,若使用的变容 二极管的变容系数γ≠2,则输出调频波会产生非线 性失真和中心频率偏移其结果如下：(1). 调频波的最大角频率偏移(10-27)(2). 调频波会产生二次谐波失真,二次谐波失真的 最大角频率偏移(10-28) 调频波的二次谐波失真系数为(10-29)(3)．调频波会产生中心频率偏移，其偏离值为(10-30) 中心角频率的相对偏离值为(10-31) 综上所述，若要调频的频偏大，就需增大m，这样 中心频率偏移量和非线性失真量也增大在某些应用中，要求的相对频偏较小，而所需要的 m也就较小因此，这时即使γ不等于2，二次谐 波失真和中心频率偏移也不大由此可见，在相 对频偏较小的情况下，对变容二极管γ值的要求 并不严格2)变容二极管部分接入振荡回路变容二极管的结电容作为回路总电容的调频电路的 中心频率稳定度较差，这是因为中心频率fc决定 于变容二极管结电容的稳定性当温度变化或反 向偏压VQ不稳时，会引起结电容的变化,它又会 引起中心频率较大变化为了减小中心频率不稳 ,提高中心频率稳定度，通常采用部分接入的办 法来改善性能。

变容二极管部分接入振荡回路的等效电路如图10- 4(a)所示变容二极管和Cc串联，再和C1并联， 构成振荡回路总电容C∑(10-32)加调制信号uΩ(t)=UΩm cosΩt后，总回路电容C∑为(10-33)相应的调频特性方程为(10-34) 从上式知，调频特性取决于回路的总电容C∑，而 C∑可以看成一个等效的变容二极管，C∑随调制 电压uΩ(t)的变化规律不仅决定于变容二极管的结 电容Cj随调制电压uΩ(t)的变化规律，而且还与C1 和Cc的大小有关变容二极管部分接入振荡回路 ，中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但 最大频偏要减小。