二○○九～二○一○学年第二学期电子信息工程系
课程设计报告书
班级：
学号：
姓名：
课程名称：通信电子线路学时学分：1周1学分
指导教师：
二○一○年三月十五日
变容二极管频率调制电路设计
一、 课程设计目的
1、 复习正弦波振荡器有关知识
2、 复习LC 振荡器的工作原理
3、 复习静态工作点和动态信号对工作点的影响
4、 学会分析计算LC 振荡器的频率稳定度
二、 课程设计内容及要求
1、 已知条件
V
V CC 12+=+，高频三极管3DG100，变容二极管2CC1C 。
2、 性能指标 主振频率0f =10MHZ ，频率稳定度
/
105/4-?≤?o o f f 小时，主振级
的输出电压V
V O 1≥，最大频偏
kHz
f m 10=?。
3、 报告要求 给出详细的原理分析，计算步骤，电路图和结果分析。
三、 原理分析
3.1 FM 调制原理：
FM 调制是靠信号使频率发生变化，振幅可保持一定，所以噪声成分易消除。 设载波t w Vcm Vc c cos =,调制波t w Vsm Vs s cos =。
t w w w w s c m cos ?+=或t f f f f s c m π2cos ?+=，此时的频率偏移量△f 为最大频率偏移。
最后得到的被调制波m cm m V V θsin = , V m 随V s 的变化而变化。
??+==t
s s c m m t w w w t w dt w 0
sin )/(θ
)
sin sin(]sin )/(sin[sin t w m t w V t w w w t w V V V s c cm s s c cm m
cm m +=?+==θ
s
s f f
w w m ?=?=
为调制系数
3.2 变容二极管直接频率调制的原理：
变容二极管Cj 通过耦合电容C 1并接在LC N 回路的两端，形成振荡回路总容的一部分。
因而，振荡回路的总电容C 为：
j N C C C += （3-1） 振
荡频率为：
图3.1 变容二极管调频原理电路
)
(21
21j N C C L LC
f +=
=
ππ （3-2）
加在变容二极管上的反向偏压为：
()()()高频振荡，可忽略调制电压直流反偏O Q R V V υυ++=Ω
变容二极管利用PN 结的结电容制成，在反偏电压作用下呈现一定的结电容（势垒电容），而且这个结电容能灵敏地随着反偏电压在一定范围内变化，其关
系曲线称j C
～R υ曲线，如图3.2所示。
由图可见：未加调制电压时，直流反偏Q V
所
对应的结电容为Ωj C
。当调制信号为正半周时，变容二极管负极电位升高，即反偏增加时，变容
二极管的电容j C
减小；当调制信号为负半周时，
变容二极管负极电位降低，即反偏减小时，j C
增大，其变化具有一定的非线性，当调制电压较小
时，近似为工作在j C ～R υ曲线的线性段，j C
将
随调制电压线性变化，当调制电压较大时，曲线的非线性不可忽略，它将给调频带来一定的非线
性失真。
再回到图3.1，并设调制电压很小，工作在
Cj ～V R 曲线的线性段，暂不考虑高频电压对变容二极管作用。设
图3.2 用调制信号控制变容二极管结电容
t V V Q Q R Ω+=cos υ （3-3）
由图4.2可见：变容二极管的电容随υR 变化。
即： t C C C m jQ j Ω-=cos （3-4） 可得出此时振荡回路的总电容为
t C C C C C C m jQ N j N Ω-+=+='cos （3-5）
由此可得出振荡回路总电容的变化量为：
()
t C C C C C C m j jQ N Ω-=?=+-'=?cos （3-6）
由式可见：它随调制信号的变化规律而变化，式中m C
的是变容二极管结电容变化的最大幅值。我们知道：当回路电容有微量变化C ?时，振荡频率也会产生f ?的变化，其关系如下：
C C f f ??
≈?210 （3-7）
式中，是0f 未调制时的载波频率；0C 是调制信号为零时的回路总电容，显然
jQ N o C C C += （3-8）
由公式（3-2）可计算出中心频率0f ：
)
(21
0jQ N C C L f +=
π （3-9）
将（3-8）式代入（3-9）式，可得：
t f t C C f t f m Ω?=Ω=
?cos cos )/(21
)(00 （3-10）
频偏：
m C C f f )/(21
00=
? （3-11）
振荡频率：
()()t
f f t f f t f o o Ω?+=?+=cos （3-12）
由此可见：振荡频率随调制电压线性变化，从而实现了调频。其频偏f ?与回路的中心频率f 0成正比，与结电容变化的最大值Cm 成正比，与回路的总电容C 0成
反比。
3.3三极管的参数
3.4 调制灵敏度
单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度，以S f 表示，单位为 kHz/V ，即
m
Ωm V f S f ?=
V Ωm 为调制信号的幅度；△f m 为变容管的结电容变化△C j 时引起的最大频偏。∵回路总电容的变化量为
j 2C p C ?=?∑
在频偏较小时，△f m 与△C ∑的关系可采用下面近似公式，即
∑
∑??-≈?Q o m 21C C
f f ∴ p ↑→ △f ↑ ，△C j ↑→ △f ↑。
调制灵敏度 式中，△C ∑为回路总电容的变化
量；C Q ∑为静态时谐振回路的总电容， 即
∴ C1↓→S f ↑→ △f ↑
调制灵敏度S f 可以由变容二极管C j-v 特性曲线上V Q 处的斜率k c 计算。S f 越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。 改变C C 的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。
3.3 增加稳定度的措施：
1、 温度补偿法
使L 与C 的变化量与△L 与△C 的变化量相互抵消以维持恒定的震荡频率，其原理如下： 若回路的损耗电阻r 很小，即Q 值很高，则振荡频率可以近似的用回路的固有频率f 0来表示。
LC
f f π210=
≈
由于外界因素的影响，使LC 产生微小的变量△L 、△C ，因而引起振荡频率的变化为
C C
f L L f f ???+???=
?00???
???+?-≈C C L L f 021
若选用合适的负温度系数的电容器 （电感线圈的温度系数恒为正值）， 使得△C/C 与
△L/L 互相抵消，则△f 可减为零。这就是温度补偿法。 2、 回路电阻
r 的大小是由振荡器的负载决定的，负载重时，r 大，负载轻时r 小，当负载变化时，振荡频率也随之变化。为了减小r 的影响尽量使负载小且稳定，r 越小，回路的Q 值越高，频率的稳定度也越高，
3、 采用高稳定度LC 振荡电路
C 1>>C 3,C 2>>C 3,C b 为基极耦合电容，C 3为可变电容，他的作用是把L 与C 1，C 2分隔开，使
m
ΩQ o 2V C
C f S f ∑∑??=Q
C Q
C 1Q C C C C C C ++
=∑
反馈系数仅取决于C 1，C 2的比值，振荡频率基本上由L 和C 3决定。这样，C 3就减弱了晶体管与振荡电路之间的耦合，使折算到回路内的有源器件的参数减小，提高了频率的稳定度，另一方面，不稳定电容（如分布电容）则与C 1，C 2并联，基本上不影响震荡频率。C 3越小，则频率的稳定度越好，但起振也就越困难。因此C 3也不能无限制的减小。
四、 仪器设备
函数信号发生器/计数器EE1641B 调制度测量仪HP8901A 高频信号发生器HP8640B 超高频毫伏表DA-36A 双踪示波器COS5020
无感起子数字万用表UT2003 晶体管稳压电源 高频Q 表
环形铁氧体高频变压器
五、 各单元电路元器件参数设置：
5.1 LC 震荡电路直流参数设置：
I CQ 一般为(1~4)mA 。I CQ 偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。取I CQ =2mA 。取V CEQ =1/2VCC=6V 。可以求出Rc+Re=3K Ω，取Rc=2K Ω，Re=1K Ω；
β=60，I BQ =β×I BQ ，为使减小I BQ 对偏执电阻的电位偏执效果的影响，取R B1和R B2上流过的电流I B >>I BQ ，取R B1=28K Ω，R B2=8.2K Ω。
5.2 调频电路的直流参数设置
根据2CC1C 数据手册提供的变容二极管的C j -v 特性曲线，取变容二极管的正常工作的反向偏置电压为4V ，R 1与R 2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压V Q ，电阻R 3称为隔离电阻，常取R 3>>R 2，R 3>>R 1，以减小调制信号V Ω对V Q 的影响。已知 V Q =4V ，若取 R 2=10k Ω ，隔离电阻R 3=150k Ω。则R 1=20K Ω
5.3 交流电路参数设置：
由LC 震荡频率的计算公式可求出1
1o π21
C L f ≈
，若取C 1=100pF ，则L 1≈10μH 。
实验中可适当调整L1的圈数或C 1的值。
电容C 2、C 3由反馈系数 F 及电路条件C 1< 2/1~8/1/32==C C F ，则取 C 3=3000 pF ，取耦合电容 C b =0.01μF 。 本题给定变容二极管的型号为2CC1C ，已测量出其C j-v 曲线如图1所示。取变容管静态反向偏压V Q =－4V ，由特性曲线可得变容管的静态电容C Q =75pF 。2CC1C 属于突变结，γ=0.5，图4为变容二极管部分接入振荡回路的等效电路，接入系数p 及回路总电容C ∑分别为 j c c C C C p += 为减小振荡回路高频电压对变容管的影响， p 应取小，但p 过小又会使频偏达不到指标要求。可以先取p=0.2，然后在实验中调试。当V Q =－4V 时，对应C Q =75pF ，则C C ≈ 18.8 pf 。取标称值20pF 。 图5.1 交流等效电路图 六、 电路原理图 调频电路原理图6.1 整体电路原理图6.2 七、电路分析 为达到最大频偏△f m 的要求，调制信号的幅度V Ωm ，可由下列关系式求出。 ∑ ∑ ?- =?Q o m 21C C f f 由C j-v 曲线得变容管在V Q= – 4V 处的斜率 5.12j C =??=V C k PF/V ,得调制信号的幅度 V Ωm=ΔC j / k c= 0.92V 。 调制灵敏度S f 为9.10m m =?=ΩV f S f KHz/V 频率稳定度：△f 0/f 0≤5×10-4/小时。 ∵000f KA f =? j c c C C C p += C C p K 20 2 = 0 V V V m D += Ω γ=1/2时，22016 1)1(41m m A -=-= γγ ∴△f 0/f 0=KA 0≤5×10-4/小时 m ≤0.7可以达到要求。 七、 课程设计小结 这次课程设计让我进一步巩固了模拟电路和通信电子线路的有关知识，掌握了有关电路的设计方法、电路参数的测试方法等。同时也让我认识到了知识和实践的重要性。只有牢固掌握了所学的知识，才能有清晰的思路，知道每一步该怎样走。才能顺利的解决每一个问题。 经过这次课程设计，也让我对前面的路有了更多的信心，因为在这个过程中，我学到了不少实用的东西，对于一些专业基础课有了更深层次的掌握，并且提高了动手能力和独立分析解决问题的能力。 八、 参考文献 1．通信电子线路 于洪珍 编著 2. 通信电子线路实验与课程设计 赵淑范 张化勋 主编 3．电子线路设计指导 李银华 编著 4．电子线路设计·试验·测试 谢自美 编著 5．高频电子电路 张肃文 编著
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