楊光義, 王雪迪, 金偉正, 王曉艷

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院, 湖北 武漢 430072)

變?nèi)荻O管調(diào)頻電路實驗的創(chuàng)新與改進

楊光義, 王雪迪, 金偉正, 王曉艷

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院, 湖北 武漢 430072)

以變?nèi)荻O管調(diào)頻實驗為核心,將LC振蕩、晶體振蕩、倍頻和選頻等實驗巧妙組合,設(shè)計了一套綜合振蕩和倍頻的變?nèi)荻O管調(diào)頻倍頻實驗電路。該實驗電路涉及的實驗內(nèi)容豐富,綜合性強,學(xué)生可以通過實驗全面理解和掌握相關(guān)知識。教學(xué)實踐表明,該實驗效果良好,適合在高等院校推廣應(yīng)用。

變?nèi)荻O管； 調(diào)頻電路； 倍頻； 選頻

高頻電子線路被列入各高校電子信息類學(xué)生的專業(yè)主干課程，高頻實驗課程的開設(shè)可以更好地促進學(xué)生對相關(guān)理論課程的學(xué)習(xí)和理解,已成為電子信息類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)知識和培養(yǎng)能力的一個重要環(huán)節(jié)[1-4]。調(diào)頻與倍頻是高頻電子線路實驗的重要組成部分,對于學(xué)生全面深刻地理解高頻知識具有不可替代的作用。傳統(tǒng)的變?nèi)荻O管調(diào)頻實驗電路包括振蕩電路、調(diào)頻電路以及相關(guān)的外圍電路,實驗過程中通過信號源產(chǎn)生調(diào)制信號,加載到電路所產(chǎn)生的高頻振蕩信號上實現(xiàn)調(diào)頻。該實驗電路雖然也可以達到實驗教學(xué)的目的,但是該電路僅僅可以使學(xué)生了解到調(diào)頻電路,并沒有與調(diào)頻相關(guān)的整個實驗過程,也沒有接觸到實際運用中的變?nèi)荻O管調(diào)頻技術(shù)。由于其沒有與其他相關(guān)的高頻實驗相結(jié)合，不能使學(xué)生通過該實驗將所學(xué)知識進行及時的融合與應(yīng)用,教學(xué)效果無法提升,學(xué)生也不能及時地通過實驗將所學(xué)到的高頻知識進行融會貫通。

針對這些情況,為了提高實驗教學(xué)效果、加深學(xué)生對于實驗整體思路的理解、掌握調(diào)頻及其相關(guān)高頻電路的結(jié)合與運用,本文對變?nèi)荻O管調(diào)頻、倍頻實驗電路進行了創(chuàng)新,其特點主要體現(xiàn)在以下方面:電路采用自帶振蕩源的方式,減小了電路對信號源的依賴,并且在振蕩回路部分增加了晶體振蕩,與LC所組成的振蕩回路形成對比；將受調(diào)制信號控制的變?nèi)荻O管接入載波振蕩器的振蕩回路,使振蕩頻率受調(diào)制信號的控制,從而實現(xiàn)調(diào)頻。同時,利用LC諧振回路的選頻特性對已調(diào)波進行特定頻率點的選頻,從而實現(xiàn)倍頻；對倍頻后的信號經(jīng)過二次選頻,最終得到了良好的調(diào)頻倍頻信號。

1 原理介紹

原理參照文獻[5]—[6]。

1.1 變?nèi)荻O管調(diào)頻原理

所謂調(diào)頻,就是把要傳送的信息作為調(diào)制信號去控制載波(高頻振蕩)的瞬時頻率。產(chǎn)生調(diào)頻信號的電路叫做調(diào)頻器。對調(diào)頻器的主要要求是:頻偏大且與調(diào)制信號保持線性關(guān)系、寄生調(diào)幅小、調(diào)制靈敏度高等。產(chǎn)生調(diào)頻信號的方法很多,主要有兩類:第1類是用調(diào)制信號直接控制載波的瞬時頻率——直接調(diào)頻。第2類是先將調(diào)制信號積分,然后對載波進行調(diào)相而得到調(diào)頻波——間接調(diào)頻[7]。

本文所設(shè)計的電路采用變?nèi)荻O管直接調(diào)頻。例如,被控電路為LC振蕩器,那么LC振蕩器的振蕩頻率主要由LC振蕩回路的電感L與電容C的數(shù)值決定。若在LC振蕩回路中加入可變電抗(電感或電容),用低頻調(diào)制信號去控制可變電抗的參數(shù),即可產(chǎn)生振蕩頻率隨調(diào)制信號變化的調(diào)頻波[8-10]。

在變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路中,變?nèi)荻O管作為壓控電容接入到諧振回路中。因此,當(dāng)變?nèi)荻O管的結(jié)電容隨加到變?nèi)荻O管上的電壓變化時,由變?nèi)荻O管的結(jié)電容和其他回路元件決定的諧振回路的諧振頻率也就隨之變化,若此時諧振回路的諧振頻率與加到變?nèi)荻O管上的調(diào)制信號呈線性關(guān)系,就完成了調(diào)頻的功能,這也是變?nèi)荻O管調(diào)頻的原理,其原理電路如圖1所示[11]。

圖1 變?nèi)荻O管調(diào)頻原理電路

1.2 倍頻原理

倍頻器是一種實現(xiàn)輸入信號頻率倍增功能的非線

性電路,是把輸入的信號頻率f0成整數(shù)倍增加到nf0的電路。比較常用的電路有2倍頻、3倍頻、5倍頻等倍頻電路形式,被廣泛應(yīng)用于通信、雷達、頻率合成器、測量等領(lǐng)域。

晶體管倍頻器有兩種主要形式:一種是利用丙類放大器電流脈沖中的諧波來獲得倍頻,叫做丙類倍頻器；另一種是利用晶體管的結(jié)電容隨電壓變化的非線性來獲得倍頻,這是半導(dǎo)體器件所特有的性質(zhì),可叫做參量倍頻器[12-13]。本文采用丙類倍頻器,其工作原理是利用晶體管的非線性電阻效應(yīng)，將正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)檎颐}沖波,正弦脈沖波含有豐富的諧波分量,然后用選頻回路將它的某次諧波選出,完成倍頻的功能。

2 通常采用的變?nèi)荻O管調(diào)頻電路

在高頻電子線路實驗中,通常所采用的變?nèi)荻O管調(diào)頻電路[14]如圖2所示。其中三極管BG2為振蕩管,設(shè)置為共基組態(tài),它與電容C5、C7、C11、變?nèi)荻O管VD1及電感L2組成電容三端式改進型電路——西勒電路。振蕩信號經(jīng)電容C4加在三極管BG1的基極,從BG1發(fā)射極輸出。改變電位器RW3,可以改變輸出信號V0(t)的大小。變?nèi)荻O管工作在反向偏置狀態(tài),電源電壓通過電阻R3及電位器RW2的分壓供給VD1反向偏置電壓,調(diào)節(jié)RW2可使得VD1的反偏電壓在0～10V之間變化；調(diào)制信號VΩ(t)經(jīng)電容C9及高頻扼流圈L1加在VD1兩端,變?nèi)荻O管的反偏電壓隨調(diào)制信號變化,從而實現(xiàn)變?nèi)荻O管的直接調(diào)頻。

圖2 變?nèi)荻O管調(diào)頻電路

振蕩信號f=10.2 MHz、VPP=150 mV；調(diào)制信號f=1 kHz、VPP=1 V時,得到的實驗波形如圖3所示。

3 改進電路設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

為了豐富實驗內(nèi)容,達到綜合訓(xùn)練的目的,在不增加電路復(fù)雜性的前提下,對圖2的電路進行創(chuàng)新和改進,融入倍頻和選頻網(wǎng)絡(luò),得到如圖4所示的設(shè)計框圖。

圖3 變?nèi)荻O管調(diào)頻實驗波形

圖4 變?nèi)荻O管調(diào)頻倍頻實驗框圖

由LC振蕩器組成的主振回路產(chǎn)生載波,并將受調(diào)制信號控制的變?nèi)荻O管接入載波振蕩器的振蕩回路,使振蕩頻率受調(diào)制信號的控制,從而實現(xiàn)調(diào)頻。改進后的變?nèi)荻O管調(diào)頻、倍頻電路見圖5。

圖5 改進后的變?nèi)荻O管調(diào)頻、倍頻電路

3.2 振蕩電路

采用三極管BG1作為振蕩管,控制開關(guān)(短路子)JP1選擇工作模式為晶體窄帶調(diào)頻和LC串聯(lián)振蕩調(diào)頻。LC串聯(lián)振蕩由圖5中的L3和C4組成,R8的作用是調(diào)整振蕩回路的品質(zhì)因素Q,防止自激。晶體窄帶調(diào)頻由10 MHz的晶振組成,同時采用加感的方式,R3的作用與R8相同。在實驗過程中,可以將兩種方式產(chǎn)生的振蕩信號進行比較,讓學(xué)生更加深刻地理解兩種振蕩方式各自的特點。

以LC串聯(lián)振蕩為例,接通電源后,將JP1連接到1、2端,在J1端可以檢測到如圖6所示的載波振蕩波形,其頻率約為10 MHz。

圖6 LC振蕩回路實驗結(jié)果

3.3 調(diào)頻電路

變?nèi)荻O管VD1兩種振蕩模式共用。通過調(diào)整電位器RW1控制變?nèi)荻O管的反向饋電電壓VD,可以改變變?nèi)荻O管PN結(jié)的等效電容量。實驗中,高頻載波信號由LC串聯(lián)回路振蕩產(chǎn)生,低頻調(diào)制信號經(jīng)C8耦合,通過調(diào)整電位器RW1中心抽頭位置來控制靜態(tài)控制電壓的高低。其中,電容C9的作用是穩(wěn)定加在變?nèi)荻O管兩端的電壓,電感L4為高頻扼流圈,起到隔離高頻信號和低頻信號的作用。電路起振后,由J2接入f=1 kHz、VPP=1 V的正弦波,在J1可以得到如圖7所示的調(diào)頻波。由于沒有經(jīng)過選頻,圖7中波形效果并不理想。

圖7 變?nèi)荻O管調(diào)頻實驗結(jié)果

3.4 倍頻電路

在集電極回路中串入LC并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò),并將LC回路的固有諧振頻率調(diào)整為振蕩信號的2次諧波頻率(20MHz),使其對20MHz處于諧振狀態(tài),而對20MHz以外的其他諧波分量,由于LC回路處于失諧狀態(tài),可以等效為交流短路,所以不會被LC諧振回路選出。因此倍頻器的輸出端只有振蕩信號的2次諧波頻率的信號輸出,從而完成對振蕩信號的2倍頻。

實驗時,調(diào)整電容C1的值,使集電極的并聯(lián)回路諧振在20 MHz,在J3可以觀察到如圖8所示的倍頻后的調(diào)頻波。

圖8 二倍頻實驗結(jié)果圖

3.5 選頻網(wǎng)絡(luò)

經(jīng)過一次倍頻后的調(diào)頻波,同時相當(dāng)于對其進行了一次選頻,所以波形相比于圖7更穩(wěn)定,效果更好,但仍然有較為明顯的調(diào)幅現(xiàn)象。為了使倍頻信號更加穩(wěn)定,采用二次選頻的方法,其原理和方法與倍頻電路相同。

調(diào)整電容C2的值,使集電極的并聯(lián)回路諧振于20 MHz,利用選頻網(wǎng)絡(luò)進行二次選頻,結(jié)果波形如圖9所示。對比圖8和圖9可見,二次選頻后的信號失真度更小,調(diào)幅現(xiàn)象明顯減弱。

圖9 選頻網(wǎng)絡(luò)實驗結(jié)果

4 結(jié)束語

本文創(chuàng)新的變?nèi)荻O管調(diào)頻倍頻實驗電路是基于原有的調(diào)頻電路設(shè)計的,具有實驗內(nèi)容豐富、電路綜合性強等特點。在不增加電路復(fù)雜性的情況下豐富了實驗內(nèi)容,增強了實驗的綜合性和趣味性,提高了學(xué)生參與實驗的積極性,同時也深化了學(xué)生對調(diào)頻技術(shù)的認識,收到了良好的實驗結(jié)果。

當(dāng)然,在實驗過程中,原有的變?nèi)荻O管調(diào)頻實驗電路和改進后的電路作為不同的難度要求和側(cè)重點,可以有機結(jié)合。學(xué)生在熟練掌握變?nèi)荻O管調(diào)頻實驗的原理和方法后,可以通過改進后的實驗電路快速完成調(diào)頻、倍頻和選頻實驗,通過分析實驗結(jié)果進行更深入的研究,從而達到兩種電路的有效補充。

References)

[1] 汪秋婷,周選昌,張翠.“高頻電子線路實驗”課程教學(xué)改革與探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2014,36(5):52-54.

[2] 劉翠響,王寶珠,賈志成.LabVIEW在高頻電子線路實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2006,28(6):89-91.

[3] 殷明,朱昌平.LC振蕩器設(shè)計與調(diào)試中三類常見問題[J].實驗室研究與探索,2009,28(6):64-67.

[4] 朱高中.基于Multisim仿真軟件在高頻實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(11):106-140.

[5] 張肅文.高頻電子線路[M].北京:高等教育出版社,2004.

[6] 董尚斌,代永紅,金偉正，等.電子線路II[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.

[7] 譚必思,覃亮.在收錄機中增加調(diào)頻發(fā)射功能的研究[J].中南民族大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2002,21(2):41-50.

[8] 任丹.基于Multisim的變?nèi)荻O管特性分析與仿真[J].遼東學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2013,20(1):44-47.

[9] 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):62-75.

[10] 崔曉.通信電子電路中二極管的頻率變換功能[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(23):113-115.

[11] 鐘恒,司雷,王勇.一種新型的寬帶壓控振蕩器的設(shè)計[J].儀器儀表用戶,2009,16(2)：112-113.

[12] 蔡朝國,楊國渝,唐密.80次倍頻電路的研究與設(shè)計[C]//中國電子學(xué)會第十三屆青年學(xué)術(shù)年會論文集.北京:電子工業(yè)出版社,2008:117-120.

[13] 龐佑兵,劉虹,劉登學(xué),等.一種5倍頻電路的設(shè)計[J].微電子學(xué),2013,43(2):218-220.

[14] 金偉正.高頻電子線路實驗指導(dǎo)書[M].武漢:武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,2013.

Varactor innovation and improvement of frequency modulation circuit experiment

Yang Guangyi, Wang Xuedi, Jin Weizheng, Wang Xiaoyan

(Electronical Information College, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

This paper takes the FM experiment with varactor as the core, connects the LC oscillator,crystal oscillator,frequency multiplication and frequency selection and other experiments, and designs a comprehensive set of harmonic oscillations and varactors FM and multiplication experimental circuit. Because of the experimental circuit involving rich and comprehensive experiments, students can fully understand and master the knowledge according to the experiment.The practice shows that the experiment works well,and is suitable for application in colleges and universities.

varactor； frequency modulation circuit; frequency multiplication； frequency selection

2015- 03- 19

武漢大學(xué)專業(yè)實驗室建設(shè)項目(610405115)

楊光義(1983—)，男，湖北孝感，在職博士研究生，實驗師，研究方向為高頻電子線路教學(xué)和軟件無線電等.

E-mail：ygy@whu.edu.cn

TN761.2;G642.423

A

1002-4956(2015)7- 0041- 05