实验八  变容二极管调频实验

                             

一实验目的

1.      进一步学习掌握频率调制相关理论。

2.      掌握用变容二极管调频振荡器实现FM的电路原理和方法。

3.      理解变容二极管静态调制特性、动态调制特性概念并掌握测试方法。

二、实验使用仪器

1．变容二极管调频振荡电路实验板

2．100MH泰克双踪示波器

3. FLUKE万用表

4. 高频信号源

三、实验基本原理与电路

1. 变容二极管调频原理

变容二极管的调频原理可用图8-1说明。变容二极管的电容和电感组成振荡器的谐振电路，其谐振频率近似为 。在变容二极管上加一固定的反向直流偏压和调制电压（图ａ），则变容二极管的结电容将随调制信号的幅度变化而变化 ，通过二极管的变容特性（图ｂ）可以找出结电容随时间的变化曲线（图ｃ）。此电容由两部分组成，一部分是 ，由反向直流偏压决定，为固定值；另一部分是变化的电容，由调制电压的幅度决定，可以表示为，其中为调制信号的频率。是电容变化部分的幅度，则有

                ＝十                            

将代入的公式，化简整理可得

                                                        

式中         =                           

是时，由电感L和固定电容所决定的谐振频率，称为中心频率，。是频率的变化部分，而是频率变化部分的幅值，称为频偏。式中的负号表示当回路电容增加时，频率是减小的。我们还可通过图8-1（C）及图（D）（固定，与成反比曲线）找出频率和时间的关系。比较图（a）及图（e），可见频率是随调制电压的幅度变化而变化，从而实现了调频。

图8-1 变容二极管调频原理

3. 变容二极管调频实验电路

变容二极管调频实验电路如图8-2。

图8-2  变容二极管调频实验电路

四、实验内容

  1．变容二极管调频静态调制特性测试。

2．变容二极管调频动态调制特性测试。

3．变容二极管的Cj～V特性曲线的测量。

4. 用示波器观察调频信号的时域波形，并和幅度调制信号的时域波形相比较，分析异同和原因。

5. 频谱分析仪观察调频信号的频谱，并和幅度调制信号的频谱相比较，分析原因。

五、实验步骤及数据记录与分析

1．变容二极管调频静态调制特性测试

在实验箱主板上插上变容二极管调频实验电路模块。接通实验箱上电源开关，电源指标灯点亮。

断开J2，连接J1。调整电位器RW1，在测试点TP2测电压为+5V，即变容二极管的反向偏压为-5V。

连接J1，调整微调电容CV1，电位器RW2、RW3在TP3得到频率为10.7MHz的最大不失真正弦信号（频率由OUT端测试）。

调整RW1，改变变容二极管两端的反向偏置电压V_D，测量变容二极管调频实验电路的输出频率，得到变容二极管调频静态调制特性。

表8-1变容二极管调频静态调制特性

（2）变容二极管调频动态调制特性测试

用低频信号发生器作为音频调制信号源，输出频率f =1kHz、峰-峰值V_p-p=2V左右（用示波器监测）的正弦波。

（1） 把音频调制信号加入到变容二极管调频实验电路模块IN1 端， 在变容二极管调频实验电路模块OUT端上用示波器观察FM波的时域波形，并和调幅信号的时域波形相比较，观察之间的异同点。

FM波的时域波形：

     调频波在调制信号波峰呈现频率比较高，波谷处频率比较低，即反应在示波器上频率低处波形比较稀疏，频率高处波形比较密。但输出波形的幅度都是相等的。而调幅波则是频率相等但幅度不同的波形。

调幅波的时域波形：

 

（2） 在变容二极管调频实验电路模块OUT端上用频谱分析仪观察FM波的频谱，在频谱分析仪上首先找到载波，可以看到载波的边带在上下滚动，说明回路的振荡频率在随时间发生变化。并和调幅信号的频谱相比较，观察之间的异同点。

FM波频谱：

把光标对准载频的上边带时，可以发现，频谱会在光标左右移动。光标卡在频谱点时竖的光标上会出现一道横线来标定该处频谱的幅值，而因为边带频谱上下滚动，所以在示波器上能够看到光标上出现不止一道横线的情况，是因为频谱晃动使得对于光标产生相对移动而带来该处幅值快速来回变化造成的。

 

调幅波频谱：（抑制载波的调幅波频谱）

（3） 增加调制信号的幅度，在频谱分析仪上观察调频信号频谱的变化，思考其原因。

    增大调制信号幅度后，信号频谱的边带滚动得比之前剧烈。

    从一个光标上出现的两道横线间距变大可以反映出滚动范围变大，因而带来光标位置上幅值迅速变化的幅度也变大。

     继续进一步增大调制信号的幅度就能够出现边带频谱可以完全滚动到离光标一段距离再滚动回来。甚至不仅是边带滚动，载波也开始有些滚动。

(长线是光标，右侧是原本在光标上然后滚动出来的频谱)

产生这一现象的原因应该是由于结电容C的变化是由反偏电压决定的，偏压越大，则电容C的变化就越大，也即振荡频率的变化范围越大，即频偏f正比于输入信号幅度Ve。

（4）增加调制信号的频率，在频谱分析仪上观察调频信号频谱的变化，思考其原因。

增大调制信号频率之后看到的是边带频谱滚动的周期变化频率增大，即滚动的速度变快，而滚动的范围没有变。原因是由于=，调制信号频率的增加会增加输出调频信号变化的快慢，频率越高，变化得越快，因为变化的周期就是输入信号的周期。

（3）变容二极管的特性曲线的测量

变容二极管的特性参数及Q点处的斜率都可以通过曲线来测量。

变容二极管的结电容和反偏电压之间的关系曲线。

测量曲线的方法如下：首先将跳线J1断开，不接入变容二极管，跳线J2断开，不接入电容C3，用示波器测量此时的振荡频率，记为。此时，有：

，电容表示此时振荡回路的总电容。

然后接上跳线J2，把电容C3和振荡回路相连，用示波器测量此时的振荡频率，记为，有：   于是有：

其中电容C2和C3的数值是已知的，C2=27pF ，C3=50pF，根据上面的式子，我们可以计算出电容的大小。由于晶体管的板间存在分布电容，和振荡回路的参数电容数值加在一起，我们通过这种方法间接测量振荡回路的总电容可以降低测量误差。

接下来把跳线J1,连上，把跳线J2断开，调节滑动变阻器RW1，给变容二极管提供不同的直流反偏电压，让直流反偏电压从0.5V开始增加到4.5V，每次增加0.1V，分别测量此时的振荡频率，记为。则有：

  其中表示变容二极管在不同的直流反偏电压下的静态电容。可以计算得到：，最后计算出一组在不同的直流反偏电压下的。将对应的一组和绘制成曲线。

测得数据如下：

=11.390MHz，=11.404MHz

画出曲线：横轴为（V），纵轴为（pF）。

     所得曲线与理论图形基本吻合，即随着的增大， 逐渐减小。

六、实验小结及体会

1．增大调制信号幅度之后可以比较明显的看出边带频谱滚动的范围增大，即左右晃动得更远。而增大调制信号频率之后应该看到的是边带频谱滚动的周期变化频率增大，即滚动的速度变快，而滚动的范围没有变，但这个现象不细心的话并不容易发现，在观察频谱时一开始会发现没什么变化，要仔细观察，并且将调制信号频率增大得比较多，才比较容易发现现象，因为在没有直观数据反应的情况下，人眼对于幅度变化的辨别比较容易，但对于频率变化不太容易辨别。

2． 受限于示波器的分辨率，调频波只能观察比较局部的范围时才能看到明显的频率变化，如果多显示几个周期，就呈现一条紧密的蓝色的波带，看不出频率变化。

第二篇：变容二极管实验报告

变容二极管调频与鉴频实验

实验报告

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变容二极管调频与鉴频实验（模块3、5）

一、实验目的

    1）、了解变容二极管调频器的电路结构与电路工作原理。

    2）、掌握调频器的调制特性及其测量方法。

    3）、观察寄生调幅现象，了解其产生的原因及其消除方法。

二、实验原理

 调频即为载波的瞬时频率受调制信号的控制。其频率的变化量与调制信号成线性关系。常用变容二极管实现调频。

    变容二极管调频电路如下图所示。从J2处加入调制信号，使变容二极管的瞬时反向偏置电压在静态反向偏置电压的基础上按调制信号的规律变化，从而使振荡频率也随调制电压的规律变化，此时从J1处输出为调频波（FM）。C₁₅为变容二级管的高频通路，L₁为音频信号提供低频通路，L₁和C₂₃又可阻止高频振荡进入调制信号源。

鉴频器

（1）鉴频是调频的逆过程，广泛采用的鉴频电路是相位鉴频器。鉴频原理是：先将调频波经过一个线性移相网络变换成调频调相波，然后再与原调频波一起加到一个相位检波器进行鉴频。因此，实现鉴频的核心部件是相位检波器。

相位检波又分为叠加型相位检波和乘积型相位检波，利用模拟乘法器的相乘原理可实现乘积型相位检波，其基本原理是：在乘法器的一个输入端输入调频波，设其表达式为：

式中， 为调频系数，或，其中为调制信号产生的频偏。另一输入端输入经线性移相网络移相后的调频调相波，设其表达式为

式中，第一项为高频分量，可以被滤波器滤掉。第二项是所需要的频率分量，只要线性移相网络的相频特性在调频波的频率变化范围内是线性的，当 时，。因此鉴频器的输出电压的变化规律与调频波瞬时频率的变化规律相同，从而实现了相位鉴频。所以相位鉴频器的线性鉴频范围受到移相网络相频特性的线性范围的限制。

(2)鉴频特性

 相位鉴频器的输出电压V₀与调频波瞬时频率的关系称为鉴频特性，其特性曲线(或称S曲线)如下图所示。鉴频器的主要性能指标是鉴频灵敏度S_d 和线性鉴频范围2Δf_max 。S_d定义为鉴频器输入调频波单位频率变化所引起的输出电压的变化量，通常用鉴频特性曲线在中心频率 处的斜率来表示，即, 2Δf_max 定义为鉴频器不失真解调调频波时所允许的最大频率线性变化范围，2Δf_max可在鉴频特性曲线上求出。

(3)乘积型相位鉴频器

用MCl496构成的乘积型相位鉴频器实验电路如下图所示。其中C₁₃与并联谐振回路L₁C₁₈共同组成线性移相网络，将调频波的瞬时频率的变化转变成瞬时相位的变化。分析表明，该网络的传输函数的相频特性的表达式为

当 时，上式可近似表示为

 或

正交鉴频（乘积型相位鉴频）(4.5MHz)

式中为回路的谐振频率，与调频波的中心频率相等。

Q为回路品质因数。

△f为瞬时频率偏移。

三、   实验步骤

1、          静态调制特性测量

将电路接成压控振荡器（S1的1或2拨上，S2的1拨上2拨下），J2端不接音频信号，将频率计接于J1处，调节电位器W₁，记下变容二极管D₁、D₂两端电压（用万用表在TP3处测量）和对应输出频率，并记于下表中。

2、从J2处加入1K调制信号，此时从J1处输出为调频波（FM）

3、将峰峰值500mV，频率4.5MHz的调制信号，加到频率为1KHz的调制波上，从J4处输入，将S1的3拨上，从J2处观察调制信号。