第7章角度调制电路

1、第第 七章七章 角度调制电路角度调制电路第一节第一节 概述概述第二节第二节 调角波的基本性质（调角信号的分析）调角波的基本性质（调角信号的分析） 第三节第三节 调频方法的概述调频方法的概述 第六节第六节 调相电路调相电路 第五节第五节 石英晶体振荡器直接调频电路石英晶体振荡器直接调频电路第四节第四节 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路 高频振荡正弦波信号：高频振荡正弦波信号： tCOSUtCOSUtuccmm )()(如果利用如果利用调制信号调制信号 )(tu 去控制三个参量中的某个，去控制三个参量中的某个， 可产生调制的作用可产生调制的作用:amphitude modulation

2、 AM: )()(tukUtUacmm frequency modulation FM :)()(tuktfc phase modulation PM: )()(tukttpc 角度调制角度调制 AM调制方式中调制方式中 AM DSB 属于频谱属于频谱线性搬移电路线性搬移电路,调制信号寄生于已调调制信号寄生于已调信号的振幅变化中信号的振幅变化中FMPM 调制方式中：调制方式中：属于频谱的非线性搬移电路属于频谱的非线性搬移电路,已调波为等幅波已调波为等幅波,调调制信息寄生于已调波的频率和相位变化中制信息寄生于已调波的频率和相位变化中 SSB 第一节第一节 概概 述述)()(tuktfc )()(

3、tukttpc 角度调制角度调制 频率调制频率调制 FM :相位调制相位调制 PM :一、角度调制的定义一、角度调制的定义频率调制的定义是高频振荡信号的振幅频率调制的定义是高频振荡信号的振幅不变，不变，瞬时频率随调制信号线性变化瞬时频率随调制信号线性变化。常用。常用FM表示。表示。相位调制的定义是高频振荡信号的振幅不相位调制的定义是高频振荡信号的振幅不变，变，瞬时相位随调制信号线性变化瞬时相位随调制信号线性变化。常用。常用PM表示。表示。相位调制和频率调制统称为角度调制。相位调制和频率调制统称为角度调制。二、角度调制的优点和用途二、角度调制的优点和用途 相对振幅调制而言，抗干扰能力更强。因相对

4、振幅调制而言，抗干扰能力更强。因为其有用信息包含在频率中而不是振幅中。为其有用信息包含在频率中而不是振幅中。tUtuccmccos)(设载波为瞬时角频率与瞬时相位关系：瞬时角频率与瞬时相位关系：tttcc)()(瞬时相位：则瞬时角频率：dttdtdttt)()()()(0关系：关系： 优点：优点： 抗干扰能力强、较高的载波功率利用系数抗干扰能力强、较高的载波功率利用系数 缺点：缺点： 占有更宽的传送频带。占有更宽的传送频带。 调频主要应用于调频广播、广播电视、通信及遥调频主要应用于调频广播、广播电视、通信及遥测遥控等；测遥控等； 调相主要用于数字通信系统中的移相键控。调相主要用于数字通信系统中

5、的移相键控。调频波的指标主要有以下几个：调频波的指标主要有以下几个：1)1)频谱宽度频谱宽度2) 2) 寄生调幅寄生调幅3) 3) 抗干扰能力抗干扰能力FM，PM从已调波中检取出原调制信号的过程称为解调从已调波中检取出原调制信号的过程称为解调(AM)振幅解调振幅解调检波检波 (FM)频率解调频率解调鉴频鉴频 detection (frequency discrimination)(PM)相位解调相位解调鉴相鉴相(phase detection) vAM一、调角波的数学表示式、瞬时频率和瞬时相位：一、调角波的数学表示式、瞬时频率和瞬时相位：（一）调相波的表达式：（一）调相波的表达式：)(,cos

6、)(tutUtuccmc调制信号为设载波为)(cos)(tUtum为设调相波的一般表达式由调相波的定义有：由调相波的定义有：dttdukdttdttukttUUpcpccmm)()()()()(,瞬时频率：瞬时相位：振幅不变：)(cos)(cos)(tuktUtUtupccmm第二节第二节 调角波的基本性质（调角信号的分析）调角波的基本性质（调角信号的分析） dttdukdttdtpc)()()( 瞬时频率瞬时频率 瞬时相位瞬时相位 调相波说明：调相波说明：瞬时相位与调制信号成线性关系瞬时相位与调制信号成线性关系)()(tukttpc 调相时，振幅不变，即：调相时，振幅不变，即：Um=Ucm

7、PM波的表达式为：波的表达式为： )(costuktUupccmPM 其中：其中： tc ：为：为载波的相位角载波的相位角。 pk：调相灵敏度调相灵敏度， )()(tutkp ，单位调制信号振幅引起的相位偏移单位调制信号振幅引起的相位偏移. )()(tuktp ：瞬时相位偏移瞬时相位偏移，即，即 )(t 相对于相对于 tc 的偏移量。的偏移量。（二）调频波的表达式：（二）调频波的表达式：)(,cos)(tutUtuccmc调制信号为设载波为)(cos)(tUtum为设调相波的一般表达式由调频波的定义有：由调频波的定义有：dttuktdttttuktUUtfctfccmm00)()()()()(

8、,瞬时相位：瞬时频率：振幅不变：)(cos)(cos)(0dttuktUtUtutfccmm瞬时角频率与调制信号成线性关系瞬时角频率与调制信号成线性关系瞬时角频率瞬时角频率 瞬时相位瞬时相位 调频波说明：调频波说明：调频时，振幅不变，即：调频时，振幅不变，即：Um=Ucm )()(tuktfc tttfcfcdttuktdttukdttt000)()()()( 其中：其中：: 载波角频率，载波角频率，FM波的中心频率波的中心频率. c ： 调频灵敏度，调频灵敏度， fk单位调制信号振幅引起的频率偏移单位调制信号振幅引起的频率偏移 .)()(tuktF ,瞬时频率偏移瞬时频率偏移（简称（简称频偏

9、频偏）,寄载了调制信息，表示瞬时频率相对于载波频率的偏移寄载了调制信息，表示瞬时频率相对于载波频率的偏移 .)()(tutkf tfccmFMdttuktUtu0)(cos)( 调频波的调频波的表达式表达式 二、调角波的基本性质二、调角波的基本性质)(cos0dttuktUtfccm)(costuktUpccm调频波与调相波的比较：表调频波与调相波的比较：表7-1dttukttfc0)()(tuktpc)(tukfcdttdukpc)(max0)( dttuktfmax)(tukpmax)(tukfmax)(dttdukp调频波调频波调相波调相波数学表示式数学表示式瞬时相位瞬时相位瞬时频率瞬时

10、频率最大相移最大相移最大频移最大频移（一）调制指数的定义：（一）调制指数的定义：定义：调角波的最大相移称为调制指数。定义：调角波的最大相移称为调制指数。调频指数调频指数：max0)( dttukmtff调相指数调相指数：max)(tukmpptUtumcos)(调频指数：调频指数：mffUkm则调相指数则调相指数：mppUkm设调制信号为设调制信号为：（二）最大频移与调制指数的关系：（二）最大频移与调制指数的关系：调相波的最大频移：调相波的最大频移：mpppmUkdttdukmax)(pm调频波的最大频移：调频波的最大频移：mfffmUktukmax)(fm故调角波的最大频移：故调角波的最大频

11、移：mm（三）调频波与调相波的表达式：（三）调频波与调相波的表达式：tUtumcos)(调制信号为调制信号为：tUtuccmccos)(设载波信号为：设载波信号为：则调相波表达式：则调相波表达式：)(cos)(tuktUtupccmcoscostUktUmpccmcoscostmtUpccm则调频波表达式：则调频波表达式：)(cos)(0dttuktUtutpccmsincostUktUmpccmsincostmtUfccm例：例：tUtumcos)(调制信号为调制信号为tUtuccmcsin)(设载波信号为设载波信号为写出调相波和调频波的表达式写出调相波和调频波的表达式cossin)(tmt

12、Utupccmpsinsin)(tmtUtufccmf解：解：mffUkm,mppUkm（四）调频波与调相波的波形：（四）调频波与调相波的波形：图图(a)为调制信号为调制信号,为三角波为三角波图图(b)为调频波的瞬时频移：为调频波的瞬时频移：)()(tuktfdttduktp)()(图图(c)为调相波的瞬时频移：为调相波的瞬时频移：图图(e)为调相波的波形：为调相波的波形：图图(d)为调频波的波形：为调频波的波形：特点：瞬时频移最大点对应特点：瞬时频移最大点对应波形最密，最小点对应波形波形最密，最小点对应波形最稀。最稀。最大最大最密最密最小最小最稀最稀例：tUtumsin)(调制信号为调制信号

13、为tUtuccmccos)(设载波信号为设载波信号为画出调相波和调频波的波形画出调相波和调频波的波形)(tut)(tFMt)(tPMt)(tuPMt)(tuFMt（五）讨论（五）讨论coscos)(sincos)(tmtUtutmtUtuccmPMccmFM mp mmmf FM波：波： Ukfm Ukmff PM波：波： Ukpm Ukmpp可以看出调相制的信号带宽随调制信号频率的升高而增加，而调可以看出调相制的信号带宽随调制信号频率的升高而增加，而调 频波则不变，有时把频波则不变，有时把调频制叫做恒定带宽调制调频制叫做恒定带宽调制。（2 2）调频波的波形）调频波的波形（1 1）一般调角信号

14、的表达式：）一般调角信号的表达式：调频波是波调频波是波形疏密变化形疏密变化的等幅波的等幅波调频波调频波调相波调相波调频与调相的关系调频与调相的关系总结总结 载波信号：载波信号：1. 调制指数调制指数(最大相移最大相移)mfffUkm调频时调频时调相时调相时mppUkm 2. 最大频率偏移最大频率偏移频偏频偏mffUkmpppUkm与调制信号振幅成正与调制信号振幅成正比，频率成反比。比，频率成反比。与调制信号频率无关。与调制信号频率无关。与调制信号的幅度成正比，与调制信号的幅度成正比，与其频率无关与其频率无关FMPM与调制信号频率成正比与调制信号频率成正比3. FM与与PM的共同点的共同点频偏（

15、即最大频率偏移）频偏（即最大频率偏移） m 与调制指数与调制指数m 之间都满足：之间都满足： m = m fm = mF mm Ffmm m：调制指数，是一个无因次量：调制指数，是一个无因次量(没有单位的物理量没有单位的物理量)如果设载波：如果设载波： tUtuccmc cos)( 调制信号：调制信号： tUtu cos)( FM波波 PM波波(1) 瞬时频率：瞬时频率： )()(tuktfc dttduktpc)()( 调频信号与调相信号的比较调频信号与调相信号的比较(2)瞬时相位：瞬时相位： tfcdttuktt0)()( )()(tukttpc (3)最大频偏最大频偏 mffmUktuk

16、 max| )(| mppmUkdttdukmax|)(| (4)最大相位：最大相位： mftfmfUkdttukmmax0|)(| mppmpUktukm max| )(| (5) 表达式表达式: sincos)(cos)(0tmtUdttuktUtufccmtfcmFMcoscos)(cos)(tmtUtuktUtupccmpcmPM 调相波和调频波的频谱相同，以调频波为例：调相波和调频波的频谱相同，以调频波为例：（一）调频波的展开式：（一）调频波的展开式：三、三、调角信号的频谱与带宽调角信号的频谱与带宽 )sinsin(sin)sincos(cos)sincos()(tmtUtmtUtm

17、tUtufccmfccmfccmFMtUtumcos)(调制信号调制信号tUtuccmccos)(设载波信号设载波信号tnmJmJtmnfnff2cos)(2)()sincos(120tnmJtmnfnf) 12sin()(2)sinsin(012利用三角公式：利用三角公式： sinsincoscos)cos(sincos)(tmtUtufccm则调频波表示式：则调频波表示式： 式中：式中： )(mJn称为第一类称为第一类Bessel function，当，当m，n一定时，一定时， )(mJn为定系数，其值可以由曲线和函数表查出。所以：为定系数，其值可以由曲线和函数表查出。所以： 又利用三角函

18、数积化和差公式：又利用三角函数积化和差公式： )cos(21)cos(21sinsin)cos(21)cos(21coscos 所以上式最终可表示为：所以上式最终可表示为： tmJUtmJUtmJUtmJUtmJUtmJUtmJUtmJUtmJUtnmJUtucfcmcfcmcfcmcfcmcfcmcfcmcfcmcfcmcfcmncncm)4cos()()4cos()()3cos()()3cos()()2cos()()2cos()()cos()()cos()(cos)()cos()()(443322110 载波载波第一边频第一边频第二边频第二边频第三边频第三边频第四边频第四边频01212si

19、n) 12sin()(2cos2cos)(2)()(ncncmcnnocmFMttnmJUttnmJmJUtuc- -FM / PM的频谱的频谱c+cc+2c+3c+4c- -2c- -3c- -4 FM/PM 信号的频谱由载频信号的频谱由载频 c 和无限对上，下边频分量和无限对上，下边频分量 )( nc 组成组成. 其中：其中： c 分量分量： cmoUmJ)(，其大小决定于，其大小决定于m : 上上, ,下边频分量下边频分量 )( nc cmnUmJ)(,与与m和和n的大小有关。的大小有关。c调制信号调制信号u载波载波uo2、由第一类、由第一类Bessel function的性质：的性质：

20、 )()1()(mJmJnnn 所以有所以有 : 为为奇奇数数为为偶偶数数nmJmJnmJmJnnnn),()(),()( 各边频分量与载频分量之间的频率间距为各边频分量与载频分量之间的频率间距为n ，且当，且当n为偶数时，上下边频为偶数时，上下边频分量符号相同，而当分量符号相同，而当n=奇数时，上下边频分量符号相反。奇数时，上下边频分量符号相反。 （二）调频波频谱的特点：（二）调频波频谱的特点：1、以载频为中心，由无数对边频分量组成，它不是调制信号的简单搬移。、以载频为中心，由无数对边频分量组成，它不是调制信号的简单搬移。3、各边频分量的振幅取决于、各边频分量的振幅取决于Jn(mf) ，而，

21、而 Jn(mf)与与mf有关。有关。（三）调角波的频谱宽度：（三）调角波的频谱宽度： 1，理论上，调角波的频谱包含无数对边频，频谱宽，理论上，调角波的频谱包含无数对边频，频谱宽度为无限大。度为无限大。 2，实际应用中，实际应用中,当当mf一定时一定时, Jn(mf)随着随着n的增大而减的增大而减小小.如图如图7-1和表和表7-2所示所示.若忽略振幅小的边频分量若忽略振幅小的边频分量,则带则带宽为有限值。宽为有限值。0123456789101112 0.4 0.200.20.40.60.81.0Jn(mf)J0J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10mf图图71 第一类贝塞尔函数曲线第一类贝塞

22、尔函数曲线 图图7-1可说明：当可说明：当mf一定时一定时,虽然虽然Jn(mf)是起伏的，是起伏的，但总体趋势是但总体趋势是J0(mf) J1(mf) J2(mf) J3(mf) .图 7-3 第一类贝塞尔函数曲线mf相同时，随着贝塞尔函数阶数升高，其值变化不一定越小。相同时，随着贝塞尔函数阶数升高，其值变化不一定越小。这意味着，调频波的频谱幅度不是线性递减的。这意味着，调频波的频谱幅度不是线性递减的。表表7-2有规律有规律：当：当nm+1时时,当当Jn(mf) 1% 大频偏大频偏 1% 小频偏小频偏cmff)/(VHzufKf 1、调制线性特性、调制线性特性2、调制灵敏度、调制灵敏度：单位调

23、制电压：单位调制电压变化所产生的频率偏移变化所产生的频率偏移 (要大要大)间接调频：对调制信号先积分后调相， fC较稳定，但是频偏小 。调调频电路直接调频：对振荡器直接进行频率调制, 可获大频偏，但fC不稳定。直接调频调频方法调频方法:)(cos)(0dttuktUtutfccmFM一、直接调频和调相原理一、直接调频和调相原理( )( )cftk ut)(tu 调调频频器器( )FMutdirectF M直接调频：直接调频： 调制信号直接控制载波振荡器的频率调制信号直接控制载波振荡器的频率)(cos)(0tfcFMdttuktUtu)(cos)(tuktUtupcPM)(tu 调调相相器器)(

24、costuktUupcPMPM,direct直接调相直接调相 正弦振荡型直接调频电路模型正弦振荡型直接调频电路模型 在实际应用中，是用调制信号去控制决定振荡器振荡频率在实际应用中，是用调制信号去控制决定振荡器振荡频率的振荡回路的可变电抗值，从而使载波振荡器的瞬时频率按的振荡回路的可变电抗值，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变化。调制信号变化规律线性地变化。 VCO的特点：的特点：瞬时频率随外加控制信号的变化而变化瞬时频率随外加控制信号的变化而变化。 )(tu VCO)(cos)(dttuktUtufcFM 式中：式中：U为振荡信号的振幅，为振荡信号的振幅， c :当当 0)(

25、 tu时的振荡频率，时的振荡频率，k f为为:VCO控制灵敏度。控制灵敏度。 用调制信号电压控制振荡回路的参数，如回路电容用调制信号电压控制振荡回路的参数，如回路电容C或回路电感或回路电感L，并使振荡频率并使振荡频率正比于所加调制信号电压，即可实现调频。正比于所加调制信号电压，即可实现调频。 在直接调频法中常采用压控振荡器（在直接调频法中常采用压控振荡器（Voltage Control Oscillator）作）作为频率调制器来产生调频信号。为频率调制器来产生调频信号。VCO中最常用的压控元件：中最常用的压控元件：变容二极管变容二极管 由晶体管和场效应管组成的由晶体管和场效应管组成的电抗电路电

26、抗电路。 压控振荡器直接调频压控振荡器直接调频：优点：可获得较大频偏。缺点：中心频率稳定：优点：可获得较大频偏。缺点：中心频率稳定性差，常采用自动频率微调（性差，常采用自动频率微调（automatic frequency control ，AFC）电路来克服载频偏移。电路来克服载频偏移。通常有：通常有： ，压控振荡器的输出信号即为调频信号。压控振荡器的输出信号即为调频信号。)()(ftuktc(2) 把把 )(tu 先微分后再调频，可以得间接调相（先微分后再调频，可以得间接调相（indirect PM） 微微分分调调频频(1)如果把如果把 )(tu 先积分后，再经过调相器，也可得到对先积分后，

27、再经过调相器，也可得到对 )(tu 而言的调频波，也称为间接调频。（而言的调频波，也称为间接调频。（indirect frequency modulation）)(tu tdttu0)(积积分分调调相相tpcFMdttuktUu0)(cos )(tu )(costuktUupcPM )(tudtd 二、间接调频和调相原理二、间接调频和调相原理瞬时频率瞬时频率)(t瞬时相位瞬时相位)(ttttd )(0 )(ttdd tttkt0fd)()(u d)(cos)(0pttktUtutccm u 积分电路积分电路RC电路电路RC调制信号调制信号控制变容元件的控制变容元件的信号信号（调制信号调制信号被

28、积分被积分）CR1其中其中第四节第四节 变容二极管直接调频变容二极管直接调频一、变容二极管的特性一、变容二极管的特性(1)符号：符号：或或（Varactor diode direct FM）)1 (DrjoUuCCj（2 2）变容二极管的特性）变容二极管的特性扩散电容扩散电容(diffusion capacitance)正向偏置正向偏置，电容效应比较小。，电容效应比较小。 势垒电容势垒电容(barrier capacitance)反向偏置反向偏置 ，势垒区呈现的电容效应。，势垒区呈现的电容效应。 所以所以为利用为利用PN结的电容，结的电容，PN结应工作在反向偏置状态结应工作在反向偏置状态. P

29、N结反向偏置时，结电容会随外加反向偏压而变化，而专用的变容二结反向偏置时，结电容会随外加反向偏压而变化，而专用的变容二极管，是经过特殊工艺处理（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布）使势极管，是经过特殊工艺处理（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布）使势垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变化而呈现较大变化的压控变容元件。垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变化而呈现较大变化的压控变容元件。结电容结电容C j与反偏电压与反偏电压ur的关系：的关系：式中式中Cj0： 0ru时的电容值（零偏置电容）时的电容值（零偏置电容）:ru反向偏置电压，反向偏置电压，UD：PN结势垒电位差。结势垒电位差。 V3 .0:GeV7

30、.0:Si ：结电容变化指数，通常：结电容变化指数，通常=1/21/3，经特殊工艺制成的超突变结电容，经特殊工艺制成的超突变结电容 =15PN结具有电容效应结具有电容效应 可以看出可以看出C j与与ur之间是之间是非线性关系，即非线性关系，即变容二极管变容二极管属于非线性电容，这种非线属于非线性电容，这种非线性电容基本上不消耗能量，性电容基本上不消耗能量，产生的噪声量级也较小，是产生的噪声量级也较小，是较理想的高效率，低噪声非较理想的高效率，低噪声非线性电容。线性电容。)1 (DrjoUuCCj结电容结电容C j与反偏电压与反偏电压ur的关系：的关系：urCjCj00注意：变容二极管必须在反偏

31、压状态工作注意：变容二极管必须在反偏压状态工作变容管的变容管的Cj ur曲线曲线二、基本原理二、基本原理 虚线左边是互感耦虚线左边是互感耦合振荡器。合振荡器。1.电路特点电路特点 虚线右边是变容虚线右边是变容二极管和它的偏置二极管和它的偏置电路。变容二极管电路。变容二极管的电容值影响振荡的电容值影响振荡器的频率。器的频率。)(1)(11jcjcCCCCCLt+-ru)()(tuVtuVVuQBCCr因为扼流线圈因为扼流线圈ZL对直流和低频电压短路对直流和低频电压短路,所以：所以： Cc c是变容管与是变容管与LlC1回路之间的耦合电容，同时起到隔直流回路之间的耦合电容，同时起到隔直流的作用；的

32、作用；C为对直流电压的旁路电容；为对直流电压的旁路电容； L2是高频扼流圈，但是高频扼流圈，但让调制信号通过。它的作用都是将振荡回路和变容管的控制电让调制信号通过。它的作用都是将振荡回路和变容管的控制电路隔离防止它们之间的相互影响。路隔离防止它们之间的相互影响。 因此，等效的振荡回路可画成因此，等效的振荡回路可画成右图，主体是右图，主体是LC互感耦合正弦振荡互感耦合正弦振荡电路。电路。 下图中的振荡器为电容三点式振荡器。为了下图中的振荡器为电容三点式振荡器。为了突出调频性能的分突出调频性能的分析，下图只画出了它的高频交流等效电路，没有画出直流馈电电路，析，下图只画出了它的高频交流等效电路，没有

33、画出直流馈电电路， 图中；图中；C3为高频偶合电容，为高频偶合电容，C4为偶合隔直电容，为偶合隔直电容，LD为高频扼流为高频扼流圈，阻止高频电流经过调制信号源被旁路，右图为振荡器交流等效圈，阻止高频电流经过调制信号源被旁路，右图为振荡器交流等效电路，电路，C j与振荡器回路并联，与振荡器回路并联，R1，R2为为C j的偏置电路，为的偏置电路，为C j提供静提供静态直流偏压态直流偏压 221RRRVVCCQ，而二极管的反偏电压为：，而二极管的反偏电压为： )(tuVuQR +uR-LCjC1C2VTLCjC1C2VTLDC3C4VCCR2+u- -R1+VQ- -2.调频原理调频原理)(tuVu

34、Qr)1 (0DrjjUuCC的关系：与下面研究则实现线性调频若满足变化随故振荡频率变化随从而变化随可见)()(.),()(,)()(,)(,)(tuttukttuttuCtuupcjr)(1)(11jcjcCCCCCLt三、电路分析三、电路分析(一一) 变容二极管的电容值变容二极管的电容值Cj：变容二极管结电容表达式：变容二极管结电容表达式：)(1 (0DrjjUtuCC,)(QrVtu)1 (0DQjjQUVCC，载波状态时0)(tu1,载波状态时变容二极管的结电容载波状态时变容二极管的结电容CjQ在变容二极管上加一个静态工作电压在变容二极管上加一个静态工作电压VQ和一个单频调制信号和一个

35、单频调制信号 tUtum cos)(tUVtuVtumQQrcos)()(2,调制状态时变容二极管的结电容调制状态时变容二极管的结电容Cj时，设tUtumcos)(tUVtumQrcos)()cos1 (0DmQjjUtUVCC)cos1 (0QDmDQDjVUtUUVUC)cos1 (tmCjQ为电容调制度其中)/(QDmVUUm)1(0DQjjQUVCC为静态工作点的结电容。为静态工作点的结电容。 CjurVQurtC jtCjQ（二）变容二极管作为振荡回路的总电容（二）变容二极管作为振荡回路的总电容 当当C1没接入没接入, 且且Cc较大时，回路总电容仅仅是变容二较大时，回路总电容仅仅是变

36、容二极管的结电容极管的结电容Cj时，振荡回路的等效电路如下图：时，振荡回路的等效电路如下图：1,瞬时振荡频率为瞬时振荡频率为)cos1 (11)(11tmCLCLtjQj2)cos1 (tmc22,实现线性调制的条件：实现线性调制的条件：tmtcccos)(此时此时最大频偏最大频偏ccmmtmax)(tmmtmtmtmtmtcccccc2cos) 12(8) 12(8cos2cos) 12(2! 21cos21 cos1 )(22222当当m很小可忽略三次方以上的高次项，则瞬时频率为：很小可忽略三次方以上的高次项，则瞬时频率为：3, 会产生什么影响：会产生什么影响：2.)cos)(22)(12

37、(2! 31)cos)(12(2! 21cos21)cos1 (322tmtmtmtm中心角频率偏移项中心角频率偏移项二次谐波失真项二次谐波失真项可见可见 会导致如下影响：会导致如下影响：2线性调频所需项线性调频所需项1)中心频率会产生偏移，其偏移量为：中心频率会产生偏移，其偏移量为：ccm2) 12(82)调频波会产生非线性失真调频波会产生非线性失真, 二次谐波失真最大偏移为二次谐波失真最大偏移为cm22) 12(82)cos1 ()(tmtc调制特性2 ) 1 (tmtcc cos)( 线性调制线性调制cmm此时调频波获得最大角频偏)(coscos)(tuVUtUtmtQDcmc 2 )2

38、(中心频率偏移中心频率偏移基波分量基波分量两次谐波分量两次谐波分量.2cos) 12(81cos2) 12(811 22tmtmmc.cos! 31)22)(12(2cos! 21) 12(2cos21 )(3322tmtmtmtc小结小结最大角频偏最大角频偏cmm2mcmmfUmfUfk 2 :调制灵敏度cccm 2) 12(81:的数值中心角频率偏离2) 12(81:mcc值中心角频率的相对偏离cccmm和但同时也增大了可增大频偏一定，增大当,增大增大m会增加最大角频偏会增加最大角频偏, 但也但也增加非线性失真增加非线性失真和和减小载频稳定度减小载频稳定度, 所以所以, 最大角频偏受最大角

39、频偏受m的限制。的限制。 tmmtmtcccc2cos) 12(8) 12(8cos2)(22结论：结论：1、相对频偏较小的情况下，如广播电视、相对频偏较小的情况下，如广播电视发射机中，发射机中，m较小，二次谐波失真、中心较小，二次谐波失真、中心频偏也不大，对值的要求不严格；频偏也不大，对值的要求不严格；2、相对频偏较大的情况下，如微波调频、相对频偏较大的情况下，如微波调频多路通信系统中，多路通信系统中，m较大，较大， 2时时，会产会产生较大的非线性失真和中心频偏，应采生较大的非线性失真和中心频偏，应采用用 2的变容二极管。的变容二极管。（三）变容二极管部分接入振荡回路（三）变容二极管部分接入

40、振荡回路jQcjQcjQcjQcjcjcCtmCCCCtmCCtmCCCCCCCCC)cos1 ()cos1 ()cos1 (111部分接入时振荡回路的等效电路如下图：部分接入时振荡回路的等效电路如下图： 变容二极管作为总电容实现调频时变容二极管作为总电容实现调频时,由于温度或偏置由于温度或偏置电压的不稳会导致变容二极管结电容发生变化电压的不稳会导致变容二极管结电容发生变化,因此其因此其中心频率的稳定度差中心频率的稳定度差.采用部分接入方式可改善此性能采用部分接入方式可改善此性能.)cos1 (11)(111jQcjQcCtmCCCCLCLt将将 看成变容二极管，看成变容二极管， 不仅与不仅与

41、 有关，还与有关，还与 有关。有关。CCjCcCC 和1振荡频率为振荡频率为2111/jQ2jQ21)cos()(CtmCCCCLLCt 将上式在工作点将上式在工作点VQ处展开，可得处展开，可得tmAtmAmAtmAtmAt2cos2cos2 )coscos1 ()(c22c1c22c2221cjQ2jQ2cCCCCCL11 式中式中pA2112222112) 1(4183ppppA最大频偏最大频偏)1)(1 (2211ppppp2CCpjQ1jQ12CCp 它是全接入时它是全接入时fm的的1/p。调频灵敏度也下降为全接入时的。调频灵敏度也下降为全接入时的1/p，这是因为此时这是因为此时Cj比

42、全接入时影响小，比全接入时影响小，fm必然下降。必然下降。C1愈大，愈大，C2愈小，即愈小，即p加大，加大，Cj对频率的变化影响就愈小，故对频率的变化影响就愈小，故C1值要选取适值要选取适当，一般取当，一般取C1=(10%30%)2。变容管部分接入回路方式适用于要求频偏较小的情况。而且变容管部分接入回路方式适用于要求频偏较小的情况。而且由于由于Cj影响小，影响小，CjQ 随温度及电源电压变化的影响也小，有利于随温度及电源电压变化的影响也小，有利于提高中心频率的稳定度。提高中心频率的稳定度。cc1m2mfpmfAftmAtmAmAt2cos2cos2)(c22c1c22c 从上式的从上式的振荡频

43、率展开式振荡频率展开式可以看出，当可以看出，当Cj部分接入时，其最部分接入时，其最大大频偏为频偏为例：例：求：其中容已知变容二极管的结电路的交流等效电路如图变容二极管直接调频电.33.10,15,10,102cos2)(, 2,40,)(1 ,213HLHLVUVttupFCUVtuCCDQjQDQjQj.,)2(.) 1 (minmaxBWfffm有效频带宽度调频波的最大频偏和和最小瞬时频率大调频波的载波频率及最jCLLtf)(21)() 1 (21调频波的瞬时频率为：解：)102cos2 . 01 ()(2102cos2 . 01)(21)(102cos2 . 01 10102cos21

44、)(1 3213212323tfCLLtCLLtfpFtCtCUVtuCCcjQjjQjQDQjQjMHzCLLfjQc035. 5104010)33.1015(21)(2112621载波频率MHzffMHzffcc028. 4)2 . 01 (042. 6)2 . 01 (minmax最小瞬时频率最大瞬时频率MHzfffm007. 12028. 4042. 62)2(minmaxMHzFfFFfFmBWmmf016. 210210007. 1222) 1(2) 1(236举例举例1 8MHz变容二极管调频振荡电路变容二极管调频振荡电路 8MHz变容二极管调频振荡电路变容二极管调频振荡电路四、

45、实际变容管二极调频电路举例四、实际变容管二极调频电路举例 图图 变容二极管直接调频电路举例变容二极管直接调频电路举例(a) 实际电路实际电路; (b) 等效电路等效电路举例举例2 下图是某通信机中的变容管调频器的实际电路。下图是某通信机中的变容管调频器的实际电路。高频扼流高频扼流圈圈高频滤波高频滤波电容电容改变变容管偏置及调节电感改变变容管偏置及调节电感L可使该电路的中心频率在可使该电路的中心频率在50100 MHz范围内变化范围内变化jQ2jQ21j2j21)cos(CtmCCCCCCCCCC 1 将上图将上图 (b)的振荡回路简化为下右图，这就是变容管部分接入回的振荡回路简化为下右图，这就

46、是变容管部分接入回路的情况。这样，回路的总电容为路的情况。这样，回路的总电容为图 部分接入的振荡回路振荡频率为振荡频率为2111/jQ2jQ21)cos()(CtmCCCCLLCt 图 部分接入的振荡回路电路分析：电路分析：（1 1）晶体管晶体管直流偏置直流偏置（2 2）变容管变容管 直流偏置直流偏置（3 3）高频交流）高频交流通路图通路图旁路电容旁路电容短路短路扼流圈扼流圈开路开路直流电源是交流地直流电源是交流地举例举例355323222CCCCCCCCCjjLCosc1回路总电容：回路总电容：载频：载频：举例举例4 90MHz直接调频电路及其高频通路直接调频电路及其高频通路（1）L1，C1

47、、C2串联，串联，C3和反和反向串联的两个变容二极管，三个向串联的两个变容二极管，三个支路并联组成支路并联组成电容反馈三点式振电容反馈三点式振荡电路。荡电路。 (2) 直流偏置电压直流偏置电压-UQ同时加同时加在两个变容二极管的正极，调在两个变容二极管的正极，调制信号制信号 经经L4扼流圈加在二扼流圈加在二极管负极上，二个二极管的动极管负极上，二个二极管的动态偏置为态偏置为： )(tu )()(tuUtuQd （3）两个变容二极管串联后的总电容）两个变容二极管串联后的总电容 2CCjj C j与与C3串联后接入振荡回路，对振荡回路来说是部串联后接入振荡回路，对振荡回路来说是部分接入，与单二极管

48、直接接入比较，在分接入，与单二极管直接接入比较，在 相同的相同的情况下，情况下，m值降低。值降低。 mf （4）两变容二极管反向串联，对高频信号而言，加到）两变容二极管反向串联，对高频信号而言，加到 两管的高频电压降低一半，可减弱高频电压对结电压两管的高频电压降低一半，可减弱高频电压对结电压 的影响，另外在高频电压的任一半周内，一个变容管的影响，另外在高频电压的任一半周内，一个变容管 寄生电容增大，而另一个减少，使结电容的变化不对寄生电容增大，而另一个减少，使结电容的变化不对 称性相互抵消，从而消弱寄生调制。称性相互抵消，从而消弱寄生调制。 C1C2L1C3Cj1Cj2C1C3Cj1Cj2uR

49、1R2LeReC2L1CbC4C5C6C7L2L3+- -VT- -UQECL4ud举例举例5第四节第四节 石英晶体振荡器直接调频石英晶体振荡器直接调频一，采用石英晶体振荡器直接调频的目的是要提高调一，采用石英晶体振荡器直接调频的目的是要提高调频振荡的载波频率稳定度。频振荡的载波频率稳定度。二，晶体振荡器直接调频的主要形式二，晶体振荡器直接调频的主要形式 晶体振荡器采用变容二极管实现调频的形式有两种，一是变容晶体振荡器采用变容二极管实现调频的形式有两种，一是变容二极管与二极管与并联型并联型晶体振荡器的晶体相晶体振荡器的晶体相串联串联，二是变容二极管与，二是变容二极管与并并联型联型晶体振荡器的晶

50、体相晶体振荡器的晶体相并联并联。 在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采用直接对晶体振荡器调频的方法。用直接对晶体振荡器调频的方法。 1）晶体振荡器直接调频原理）晶体振荡器直接调频原理右图为并联型右图为并联型Pierce Oscillator，其振荡频率为：其振荡频率为： )(210oLgqCCCff 式中：式中：Cg为晶体的动态电容，为晶体的动态电容，C o：晶体的静态电容，：晶体的静态电容， jLCCCC111121， f q：晶体的串联谐振频率：晶体的串联谐振频率。在电路中，当在电路中，当Cj变化时，变化时，CL变

51、化，从而使晶体振荡器的振荡频率也发生变变化，从而使晶体振荡器的振荡频率也发生变化，如果压控元件化，如果压控元件Cj受调制电压受调制电压 控制，则控制，则Pierce Oscillator就成为一就成为一个个晶体调频振荡器。晶体调频振荡器。)(tu 注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，故只能工作于晶体的串联谐振故只能工作于晶体的串联谐振频率频率f q与并联谐振频率与并联谐振频率f p之间之间，而，而f q与与 f p之间的频率变化范围只有之间的频率变化范围只有431010 oqpfff量级，再加上量级，再加上Cj的串联，晶体的的串联，晶体的可调振荡频率更窄

52、可调振荡频率更窄。 C2ClCjJT例如载频为例如载频为40MHz的晶体调频振荡器，能获得最大频偏只有的晶体调频振荡器，能获得最大频偏只有7.5kHz，所以，所以采用晶体调频振荡器虽然可以获得较高的频率稳定度，但采用晶体调频振荡器虽然可以获得较高的频率稳定度，但缺点是最大频偏很缺点是最大频偏很小小，实际中需要采用扩大频偏的措施。，实际中需要采用扩大频偏的措施。扩大频偏的方法有两种：扩大频偏的方法有两种：晶体支路中串接小电感；晶体支路中串接小电感； 利用利用型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感 性的工作频率范围。性的工作频率范围。 2）晶体调频振荡器的实际电路）晶

53、体调频振荡器的实际电路 对晶体振荡对晶体振荡器进行直接器进行直接调频时，因调频时，因为振荡回路为振荡回路中引入了变中引入了变容二极管，容二极管，所以调频振所以调频振荡器的频率荡器的频率稳定度相对稳定度相对于不调频的于不调频的晶体振荡器晶体振荡器是有所下降。是有所下降。 下图为下图为晶体调频振荡器直接调频电路，其中变容二极管与晶体调频振荡器直接调频电路，其中变容二极管与晶体串联联接，晶体串联联接，C4、C5、C6、C7对高频短路，对高频短路，ZL为高频扼流为高频扼流圈。右图为高频等效短路，为典型的电容三点式振荡电路。圈。右图为高频等效短路，为典型的电容三点式振荡电路。应用举例：应用举例：调调制制

54、信信号号Pierce 型振荡器型振荡器调制信号放大调制信号放大采用采用串接小电感串接小电感来扩大调频的频偏来扩大调频的频偏晶体调频振荡器的实际电路晶体调频振荡器的实际电路 C1C2CjLJT 采用串接小电感采用串接小电感L的方法来扩大调频的频偏，变容二极管的反的方法来扩大调频的频偏，变容二极管的反向偏压由向偏压由EC经稳压管经稳压管VDZ稳压后经稳压后经RZ2=2.4k和和W1=47k电位器分压后，电位器分压后，经经R=10K电阻加至变容管正极。改变电阻加至变容管正极。改变47K电位器电位器W1的活动端可以调的活动端可以调整变容管的整变容管的Uo从而改变从而改变Cj ，把调频器的中心频率调至规

55、定值。调制，把调频器的中心频率调至规定值。调制信号信号 经电位器经电位器W2加于变容管加于变容管VD，改变，改变4.7K电位器电位器W2的活的活动头，可以调整加在变容二极管上的调制信号电压幅值，从而获得动头，可以调整加在变容二极管上的调制信号电压幅值，从而获得要求的频偏。要求的频偏。)(tu -Uo+C5u(t)W1W2VDJTCLRb1Rb2C1C2ReC3ECRz2Rz1VDzRC4+- -1. 间接调频法间接调频法 高稳定度高稳定度载 波 振 荡载 波 振 荡器器 相位相位调制器调制器积分积分 电路电路多级倍频多级倍频和混频器和混频器宽带宽带 )(tuFM)(tu dttu)( 窄带窄带

56、)(tuFM第六节第六节 间接调频电路间接调频电路 但最大频偏小的缺点可以通过多级倍频器后获得符合要求的调频频偏，但最大频偏小的缺点可以通过多级倍频器后获得符合要求的调频频偏，另外采用混频器变换频率可以得到符合要求的调频波工作范围。另外采用混频器变换频率可以得到符合要求的调频波工作范围。 采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信号进采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得中心频率稳定度高的调频信号。行调相，这样一来就可得中心频率稳定度高的调频信号。在间接调频时，要获得线性调频必需以线性调相为基础。在间接调频时，要获得线性调频必需

57、以线性调相为基础。但在实现线性但在实现线性调相时，要求最大瞬时相位偏移调相时，要求最大瞬时相位偏移 om30 ，因而线性调相的范围很窄，因而线性调相的范围很窄，因此转换成的调频波的最大频偏因此转换成的调频波的最大频偏 mf 很小，即：很小，即：m f1，这是间接调频，这是间接调频法的主要缺点法的主要缺点.间接调频法就是利用调相方法来实现调频。间接调频法就是利用调相方法来实现调频。 间接调频的关键电路是间接调频的关键电路是调相器调相器第三类是矢量合成法调相第三类是矢量合成法调相实现调相的方法通常有三类：实现调相的方法通常有三类：一类是可变一类是可变移相法移相法调相调相第二类是可变第二类是可变时延

58、法时延法调相调相R1R2R3R4C1C2C3C4CjL载波输入载波输入 )(tu高稳定度高稳定度 振荡器振荡器 调相器调相器 积分器积分器)(tu )(tuFM )(tu一、可变移相一、可变移相调相电路调相电路 如果忽略二次方以上各项，可得回如果忽略二次方以上各项，可得回路的谐振频率为路的谐振频率为 ： 将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。管调相电路。 CjLUQ=9V载波输入载波输入调相波调相波 输出输出coscos)(c2cjtmtmLCt 2111 回路的频率偏移为：回路的频率偏移为： tmtt co

59、s2)()(cc 在高在高Q值及谐振回路失谐不大的情况下，并联值及谐振回路失谐不大的情况下，并联LC谐谐振回路电压和电流间的相位关系为：振回路电压和电流间的相位关系为：)(arctan)(c tQt 2Oo幅频特性幅频特性2 2 /6 -/6 当当 /6（或（或30o）时，）时，tan c)()( tQt 2可得可得:tmQt cos)( 表明表明: :单级单级LC谐振回路在满足谐振回路在满足 /6（30o）的条件下，回路输出电压的相移是与输入调制的条件下，回路输出电压的相移是与输入调制电压电压u(t)成线性关系的。成线性关系的。 如果将调制电压如果将调制电压u(t)先积分后再加在变容二先积分

60、后再加在变容二极管上，则单级极管上，则单级LC谐振回路输出电压的瞬时谐振回路输出电压的瞬时频率频率(t)就与输入调制电压就与输入调制电压u(t)成线性关系，成线性关系，即可实现对调制电压即可实现对调制电压u(t)的间接调频。的间接调频。调相波调相波 输出输出载波输入载波输入高频等效电路高频等效电路调相电路：调相电路： 频率为频率为 的载波信号通过单调谐回路，只有在调谐回路的载波信号通过单调谐回路，只有在调谐回路的谐振频率等于的谐振频率等于 时，不产生附加相移，通过谐振频率不等时，不产生附加相移，通过谐振频率不等于于 的调谐回路都会产生附加相移。因为谐振频率受调制信的调谐回路都会产生附加相移。因