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1、变容二极管调频实验和电容耦合相位鉴频器实验一实验目的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。4. 进一步学习掌握频率解调相关理论。5. 了解电容耦合回路相位鉴频器的工作原理。6. 了解鉴频特性（S形曲线的调试与测试方法）。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5. 电容耦合相位鉴频器实验板三、实验基本原理与电路（一）变容二极管调频电路A6-0808电路原理：晶体管T1构成了电容三点式振荡电路，其
2、中电容C6,C7是正反馈电容，反馈系数等于F 二土，晶体管的基极接了一个电容C9到地，因此晶体管构成共基极组态的放大 C +C 电路。其中电阻RW2, R3, R4是基极的直流偏置电阻，电阻R53决定晶体管的集电极电 压，电阻R6决定晶体管的射极静态的直流电流Ie。电容满足C6,C7 q，可变电容CV1和电感L相并联，改变可变电容CV1,可改变振 荡频率。电容C2也是一个小电容，当跳线J1连接上后，变容二极管D （型号为BB910） 就接入振荡电路中，滑动变阻器RW1和电阻R1构成分压电路，为变容二极管D提供直流 反偏电压，改变滑动变阻器RW1抽头位置可以改变变容二极管D的直流反偏电压。电阻R
3、2是隔离电阻，通常取R2R1，在实验中可以取300KQ以上。电容C3是已知电容值的 固定电阻，当跳线J2连接上，跳线J1断开时，振荡回路的振荡频率固定，电容C3是为测 量变容二极管的结电容提供帮助的。调制信号从IN1输入，电容C1是输入隔直电容。电容 C11是一个小电容，对高频振荡信号相当于短路，对低频调制信号相当于开路，从而保证低频调制信号可以加在变容二极管D的两端，而振荡回路中的高频信号不会反射到低频调制 信号输入端。振荡信号从晶体管的射极引出，后一级晶体管构成共射极电压放大，起到隔离和缓冲的 作用。（二）电容耦合相位鉴频器电路电容耦合相位鉴频A7 -0808本实验采用的是相位鉴频器。相位
4、鉴频器是利用回路的相位-频率特性来实现调频波变换为调幅调频波的。它是将调频信号的频率变化转换为两个电压之间的 相位变化，再将这相位变化转换为对应的幅度变化，然后利用幅度检波器检出幅度的变化。相位鉴频器由频相转换电路和鉴相器两部分组成。输入的调频信号经正、反向并联二 极管D1、D2限幅之后，加到放大器T的基极上。放大管的负载是频相转换电路，该电路是通过电容C4, C5耦合的双调谐回路。初级和次级都调谐在中心频率f0 = 10.7MHz上。初级回路电压U直接加到次级回路中的串联电容C4、C5的中心点上，作为鉴相器的参考 1电压；同时，U1又经电容C4, C5耦合到次级回路，作为鉴相器的输入电压，即
5、加在L2两 端用U2表示。由于电容C4, C5对于高频信号的容抗很小，可以近似看作短路，即电容C4, C5上没有压降，而假设CV2，CV3近似相等，则加在电容CV2两端的电压近似为U2/2， 所以加在二极管D3两端的电压为UD3 = UU2/2，加在二极管D4两端的电压为 UD4 = U1-U2/2，要注意的是，电压U，U2均为矢量，U2是初级回路通过电容耦合到次 级回路两端的电压，两者之间有相位差。当输入信号的频偏在初次回路和次级回路的通频带 之间时，可以近似的认为U1，U2的幅度不变，但是随着输入调频信号瞬时频率的变化，U1， U2之间的相位差在不断发生变化。（U2表达式的具体推导可参考高
6、频电路教材的电感耦合 相位鉴频器一章，P435-438）鉴相器采用两个并联二极管检波电路。假设二极管D3的检波电路和二极管D4的检波 电路完全对称，两个检波电路的电压传输系数完全相等，检波后的输出信号为两个检波电路 的输出电压差。即U0= ud3- ud4当瞬时频率f = f时，U比U滞后90 ，但|U | = | U |，这时，鉴频器输出为零。 021D 3D 4当f f时,U滞后于U的相角小于90 ，| U | U |，鉴频器的输出大于零。 021D 3D 4当f V f时，U滞后于U的相角大于90 ，| U | U |，鉴频器的输出小于零。 021D 3D 4相位鉴频器鉴频特性的线性较好
7、，鉴频灵敏度也较高。四、实验内容和数据分析处理（一）变容二极管调频1.变容二极管调频静态调制特性测试调整RW1，改变变容二极管两端的反向偏置电压VD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。V（V）1.52.53.54.555.5f(MHz)10.646310.646310.684410.759710.867510.8895VD (V)6.57.58.59.510.511.5f(MHz)10、 934510.970711.001511.026611.048111.0649根据上表中的数据利用matlab描点并拟合得到变容二极管调频静态调制特性曲线如下图（2）变容二
8、极管调频动态调制特性测试（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。调频波的时域波形是频率不断变化的正弦波，以看到示波器上的波形在水平方向上不 断震动，而调幅信号的时域波形是载波幅度按正弦规律变化的正弦波包络（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，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。可以看到频谱分析仪上的载波的边带在上下滚
9、动，表明输出的调频波信号频率在随时间不断变化，而调幅波的频谱是保持不变的，说明调幅波载频是固定不变的（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。当调制信号的幅度增加时，调频型号频谱的边带滚动变得更加剧烈，边带上移动的小 波幅度变得更大。因为变容二极管的结电窑随调制信号口。的幅度变化而变化，二极管的电君 由两部分组成，一部分I。，由反向直流偏戚偏决定，为固定值；另一部分是变化的电 容，由调制电压U。的幅度决定，可以表示为七cosOt，匕 是电容变化部分的幅度，它 的大小由调制电压7。的幅度决定。C = C。十 C cos Ot将C代入丁的公式，化简整理可得f =
10、f - - f - Cm COS O t = f + Af02 0 C00式中A = - f Cm cos Ot2 0 C0所以当调制信号的幅度增加时变容二极管的电容变化幅度变大，频偏A的幅度变大， 载波边带滚动变得剧烈（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。增加调制信号的频率调频信号频谱上的边带滚动变得更加密集滚动速度也变得更快。因为变容二极管电容的变化部分另一部分由调制电压决定，可以表CcosOt，m其中O为调制信号的频率。C是电容变化部分的幅度，又频祈=-1 f Cm cos Otm2 0 C0所以当调制信号的频率增加时频偏的变化频率变大分析：频偏 W
11、 = - 1 f0 Cm COSOt 乙 C 0当调制信号的幅度增加时，Cm变大，频偏$的幅度变大，当调制信号的频率增加时,o变大，频偏孑的变化频率变大(3) 变容二极管的Cj-u,特性曲线的测量测得 f =11.313MHzNf_2兀LC* N测得 f =10.3271MHzKf - 2兀 jL(C + C / C )N 23,f 2 ,C / C = C f -1)KC2=27pF ， C3=50pF,计算得C =385pFN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1.5V开始 增加到10.5V，每次增加0.5V，分别测量此时的振荡频率，记为fx。Vd 3
12、)1.522.533.5f(MHz)10.638410.658110.677110.704010.7541Vd(V)44.555.56f(MHz)10.794310.828010.859010.884210.9083Vd(V)6.577.588.5f(MHz)10.929310.950810.967310.982110.9964Vd(V)99.51010.5f(MHz)11.010411.022511.034211.0454fx = 2= 其中。必表示变容二极管在不同的直流反偏电压下的 N 2 jXf 2 _静态电容。可以计算得到：C2/Cjx = CN f1），最后计算出一组在不同的直流反偏
13、电J X压u下的C 。将对应的一组u和C 绘制成C -u曲线。如下图 rjXr jXj r（二）电容耦合相位鉴频1调频-鉴频过程观察1）.观察当在变容二极管调频器模块上增大调制信号幅度，则鉴频器输出信号幅度的变 化，并记录。Vin(V)2.533.544.55Vout(V)1.141.31.421.561.71.82化，并记录。f(kHz)123456V(V)1.140.8400.5920.4640.3840.3203）观察当在变容二极管调频器模块上增大调制信号频率，则鉴频器输出信号频率的变 化，并记录。f(kHz)123fout(kHz)123分析：鉴频器输出信号频率随调制信号的频率的变化而
14、变化，且鉴频器输出信号频率在变容 二极管调频器和鉴频器的工作范围内始终等于调制信号的频率2.鉴频特性（S形曲线）观察和测量用高频信号源产生一个高频载波，频率为10.7M，并微调其频率使得鉴频器输出直流电压幅 度为0，此时确定了 S形曲线的中心点。然后逐渐增加高频载波的频率，每次增加10KHZ， 鉴频器输出的直流电压的幅度会逐渐增加，记录此时的输出直流电压幅度V，然后逐渐降低 高频载波的频率，每次减少10KHZ，鉴频器输出的直流电压的幅度会逐渐减小，记录此时 的输出直流电压幅度V。调节使得在中心频率f0= 10.698MHz时输出电压为0Af(kHz)-210-200-190-180-170U(
15、v)-1.56-1.54-1.52-1.49-1.47A(kHz)-160-150-140-130-120U(v)-1.43-1.39-1.35-1.3-1.24Af(kHz)-110-100-90-80-70U(v)-1.18-1.11-1.04-0.955-0.867Af(kHz)-60-50-40-30-20U(v)-0.769-0.663-0.55-0.431-0.305Af(kHz)-100102030U(v)-0.16700.1590.340.5Af(kHz)4050607080U(v)0.6440.7920.9251.071.19Af(kHz)90100110120130U(v)1.281.371.441.491.53Af(kHz)140150160170180U(v)1.561.581.591.591.58Af(kHz)190200U(v)1.571.56根据以上测得的数据利用matlab描点、拟合、作图得到如下的鉴频曲线分析：由鉴频曲线可以发现当频偏在-100k到100k之间时输出电压和频偏的关系基本 是线性
