频率调制预习报告

（一）频率调制实验预习报告一、实验目的1、了解变容二极管调频电路的组成与基本工作原理；2、进一步掌握实现调频的方法及其电路组成；3、掌握调频电路的调整与测量方法。二、实验仪器低频信号发生器高频信号发生器数字频率计直流稳压电源数字万用表双踪示波器高频毫伏表三、实验原理1、频率调制（FM)的一般原理频率调制，就是用低频调制信号去控制高频载波的频率，是高频载波的振幅不变，而瞬时频率随调制信号线性变化。设调制信号：tVtvmcos载波振荡电压为：tVtvocmccos根据定义，调频时载波的瞬时频率t随t成线性变化，即ttVKtofocoscos瞬时相位)(t为：tVktdttttmfcsin)()(0则调频波的数字表达式如下：)sincos(sincosttVtVKtVtvmccmmfccm或tMtVtvfccmsincos式中：mfVk是调频波瞬时频率的最大角频偏，它与调制信号的振幅成正比。比例常数fk亦称调制灵敏度，代表单位调制电压所产生的频偏。式中：FfVkMmmff称为调频指数，是调频瞬时相位的最大偏移，它的大小反映了调制深度（Mf可以大于1，Mf越大抗噪声性能越好，但要占据更大的信号带宽）。由上公式可见，调频波是一等幅的疏密波，可以用示波器观察其波形。2、变容二极管直接调频电路变容二极管是单项导电器件。在反偏时，它的PN结呈现一个与反向偏压有关的结电容jC，利用其特性可使振荡频率随外加电压而变化，实现调频。jC与的关系曲线是非线性的，所以变容二极管电容jC属于非线性电容。jC受反向偏压控制的特性曲线，简称jC-曲线，如下图所示。变容二极管结电容与外加电压的关系可表示为：nBjojVvCC)1(。式中oCj为变容二极管在零偏时的电容值；BV是变容二极管的势垒电位差（硅管约为0.7V，锗管约为0.2~0.3V）；n位变容指数，通常6~31n；是变容二极管的外加偏压，包括静态工作电压QV和调制信号电压v，即)(vVvQ，且QVv。当]cos[)]([tVVtvvvmQQ时，njQnBQjjtmCVvVCC)cos1()1()0(（1）其中BQmnBQjjQVVVmVVCC;)1()0(。QCj为加在变容管两端的电压QVv时变容二极管的结电容，即静态工作点处的结电容；m为结电容调制深度的调制指数，称为电容调制度。当振荡器的振荡回路中仅包含一个电感L和一个变容二极管（等效电容为jC）时，若设调制信号tVtvcos)(m，振荡频率可表示为2)cos1()(nctmcftf（2）其中jQcLCf21，是当0v时的振荡频率，即调频电路中心频率（载波频率），其值由QV控制，)(tf称为瞬时角频率。公式（2）称为调频特性方程。只有当2n时，才能实现线性调频，此时角频偏为vvVVwtwQBc)(（3）在2n时，调频过程将产生非线性失真。不过，如果mV较小，且QV合适的话，调频非线性失真很小，此时有]cos)12(4cos211[)(22tmnntnmftfcosc（4）由上式可以得到调频波的线性角频偏为)(2cos)(2cos2)(QBcmQBccVVnftVVVnftnmtf（5）最大线性频偏2cmnmff（6）调频灵敏度)(2QBcmmfVVnfVfS（7）中心频率偏离量ccfmnnf2)12(8（8）为了提高直接调频中心频率的稳定性和调制线性，在直接调频的LC正弦振荡电路中，一般采用下图电路。jjCCCCCC221（9）由此可以得到单频率调制是，回路总电容随)(tv变化关系为jQnjQjQnjQCxCCCCCtmCCCCC)1)cos1221221（（（10）相应的调频特性方程为))1((11)(221jQnjQoscCxCCCCLLCx（11）当21CC、确定后，根据（11）可以求出变容二极管部分接入时直接调频电路提供的最大频偏为pmfnfcm2（12）式中)(21221jQjQcCCCCCLf)1)(1(2121ppppp21CCpjQ;jQCCp12调频灵敏度pVVnfVfSQBcmmf)(2（13）调频灵敏度和上式（7）相比减小了p倍。对调频电路的性能要求主要由调制线性、最大频偏、调制灵敏度及中心频率稳定度等决定。前3项可从静态频率调制特性vf曲线上估测出来。（3）变容二极管jC～特性的测量，jC～的特性可用替代法测量方法如下：1）先不加变容二极管电路（断开开关S1，S2，S3），测量此时的振荡频率为oscf。由图可知：LCf21osc式中，L即为L1，C=(C2,C3,C4总串联电容）+C5+C（分布）2）在回路电容C5两端并联一个已知电容Ck(将开关S1闭合，开关S2,S3断开），测量此时的振荡频率kf,则有)(21kkCCLf由以上两式得kkosckkkosckCfffCfffC)(22223）去掉Ck(断开开关S1），加上变容管（将开关S2闭合，S3断开）及其偏置电路，设相应于VQ的结电容为CjQ,测量此时的振荡频率fj,则有)(21jQjCCLf由以上两式得CfffCfffCjjoscjjoscjQ)(2222改变R8,测量出不同VQ时的fj,计算出相应的Cj,从而可得到变容二极管的jC～曲线。（4）调制灵敏度单位调制电压所引起的频偏称为调制灵敏度，以fS表示，单位为KHz/V，即mfufS式中，mu为调制信号的幅度（峰值）。f为变容管的结电容变化jC时引起的频率变化量CCffosc21若定义变容二极管在静态工作点VQ处jC～的特性曲线的斜率为VCcS,以调制信号电压幅度mV代替v,则mcVSC可得ckkoscfSCffS可见由测得的jC～曲线，求出VQ处的斜率Sc，即可计算出频率调制灵敏度Sf。(5)交流通路如下：四、实验内容（开关KJ在此实验中始终处于闭合状态）1、准备(1)熟悉电路中各元件的作用和在测试电路中的位置。断开开关k4、1/12/1，Pin处不加信号，用示波器和频率计测量out的波形及频率。(2)接通开关1/12/1，断开k4，Pin处不加信号，调整虚框内DW1，使电压VQ=4V(D点电压）左右；适当调整C5、虚框外DW1，使out处输出波形较好，振荡频率约为4MHz左右。2、测量Cj——v特性，静态频率调制特性和频率调制灵敏度(1)接通1/12/1，断开k4，Pin处不加信号，逐点改变虚框内DW1的大小，测量并记录电压VQ（D点）（用数字万用表测）及与VQ相对应的out处的频率fj，填入表格，绘制fj——VQ曲线，该曲线，即为静态频率调制特性。VQ（V）23456789fj(MHz)(2)断开1/12/1，断开k4，Pin处不加信号（即去掉变容二极管及其偏置电路），测量并记录此时out的振荡频率oscf(3)接通K4，断开1/12/1，Pin处不加信号（即在回路电容C5两端并联一已知电容C6），记录此时out的振荡频率kf(4)计算C、Cj，并填入表格，绘制变容二极管的Cj——v特性曲线。VQ（V）23456789jC/pF6222CfffCkosck=____________此处的CfffCCjjoscjQj222（fj对应于上表中）Cj---V特性曲线绘制图如下：(5)由Cj——v曲线计算VQ=4V时的斜率Sc，计算频率调制灵敏度Sf。vcsc=ckkoscfSCffS-3、观察调频信号波形（1）断开K4，闭合开关1/12/1，Pin处接入音频信号，调整虚框内DW1，使VQ=4V；调整虚框外DW1，使输出波形正常。（2）断开K4，闭合开关1/12/1，Pin处接入音频信号，并调整音频信号输出电压（峰峰值）Vpp2V，观察输出out的调频信号波形；适当调整调制信号幅度，观察调频信号波形的变化。音频电压Vpp/V21.510.50波形4、观察调制信号电压幅度对调频信号中心频率的影响（1）令mV=0，测量输出信号的振荡频率。（2）改变mV使其由小增大，观察输出信号频率的变化趋势。（3）说明调制信号电压幅度对调频信号中心频率的影响。音频电压Vpp/V00.511.52oscf（二）鉴频器实验预习报告一、实验内容乘积型相位鉴频器鉴频特性测试二、实验目的1.进一步理解鉴频的基本原理及实现方法；2.掌握乘积型相位鉴频器的工作原理、实现电路与测量方法；3.进一步掌握频率特性测量仪的使用方法。三、仪器与设备低频信号发生器高频信号发生器直流稳压电源数字万用表双踪示波器高频毫伏表频率特性测量仪三、实验原理1.鉴频器的实验原理能够完成对调频信号解调的电路称为鉴相器，它是从频率已调波中不失真地还原出原调制信号的过程，它们的任务是把载波频率的变化变换成电压的变化。其基本方法是将调频波进行特定的波形变换，使变换后的波形中包含有反映调频波瞬时频率变化规律的某种参量，如幅度、相位或平均分量，然后设法检测出这个参量，即得到原始调制信号。就其功能而言，尽管鉴频器的输出)(tvo是在输入信号)(tvi作用下产生的，但二者却是截然不同的两种信号，如图5.6.1(a)所示。显然，鉴频器将输入调频波的瞬时频率)(tf（或偏频)(tf)d的变化变换成了输出电压()ovt的变化，这种变化特性称为鉴频特性，它是鉴频器的主要特性。在线性解调的理想情况下，此曲线为直线，但实际上往往有弯曲，呈“S”型，简称S曲线，如图5.6.1（b）。鉴频器的主要指标有鉴频线性范围max2f和鉴频灵敏度dS。鉴频线性范围是指鉴频特性曲线中近似直线段的频率范围，用max2f表示，如图5.6.1（b)所示。表明鉴频器实现不失真的解调所允许的频率变化范围。因此要求max2f应大于输入调频波最大频偏的两倍，即max22mffmax2f也可以称为鉴频器的带宽。鉴频灵敏度dS是指在中心频率附近，单位频偏产生的解调输出电压的大小，即()cftf（()0ft）附近曲线的斜率，如图5.6.1（b)所示，即()codftfvSf显然，鉴频灵敏度越高，意味着鉴频特性曲线越陡峭，鉴频能力越强。乘积型相位鉴频器的实验框图如图所示FM信号ivvFM-PM信号2.乘积型相位鉴频器实验参考电路见电路图文件。低通滤波器相移网络图5.6.3（a)MC1496内部结构图5.6.3（b)MC1496引脚图3.实验电路分析晶体管BG1用作射随器（作为隔离级)；C2、C3、L构成并联谐振回路，用作移相网络；MC1496集成模拟乘法器及其输出电路构成乘积型相位鉴频器；R13、C10组成低通滤波器。MC149是双平衡四象限模拟乘法器。其内部电路图和引脚图如图5.6.4(a)(b)所示。引脚8与10接输入电压1v，1与4接另一输入电压2v，输出电压U从引脚6与12输出。引脚2与3外接电阻R，引脚4与8所对应的三极管构成对差分放大器产生串联电流负反馈，以扩展输入电压v的线性动态范围。引脚1与4为负电源端或接地端，引脚5外接电阻。用来调节偏置电流及镜像电流的值。四、实验步骤及内容1、用示波器测量（1）按照电路图连接电路，将开关K1闭合，K2接1端口。检查无误后接通电源。（2）适当调整调频波输出，使输入的调频信号()300ppVmV。仔细调整L,使移相网络谐振于FM信号中心频率。观察并记录波形。此时输出端ov点应得到较好的低频调制信号波形。（3）观察鉴频输出ov波形a.改变K3的位置（接入不同电阻，阻值分别为10KΩ、4.7KΩ、75KΩ），观察并记录鉴频输出变化情况。选定一较好的电阻值。b.改变输入调频波信号FMv的幅度()pp