使用VCO實(shí)現(xiàn)變?nèi)荻O管直接調(diào)頻(圖)

Direct Frequency Modulation Based on Varactor
摘 要：介紹了一種使用VCO實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的鎖相環(huán)電路并給出了關(guān)鍵技術(shù)，變?nèi)荻O管直接調(diào)頻和鎖相，環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該電路不僅具有低相位噪聲、高穩(wěn)定載波、很小的非線性失真，而且具有理想的音頻調(diào)制頻響。
關(guān)鍵詞：調(diào)頻；變?nèi)荻O管；自動(dòng)相位控制
---調(diào)頻廣播具有抗干擾性能強(qiáng)、聲音清晰等優(yōu)點(diǎn)，獲得了快速的發(fā)展。調(diào)頻電臺(tái)的頻帶通常大約是200～250kHz，其頻帶寬度是調(diào)幅電臺(tái)的數(shù)十倍，便于傳送高保真立體聲信號(hào)。由于調(diào)幅波受到頻帶寬度的限制，在接收機(jī)中存在著通帶寬度與干擾的矛盾，因此音頻信號(hào)的頻率局限于30～8000Hz的范圍內(nèi)。在調(diào)頻時(shí)，可以將音頻信號(hào)的頻率范圍擴(kuò)大至30～15000Hz，使音頻信號(hào)的頻譜分量更為豐富，聲音質(zhì)量大為提高。
---許多中小功率的調(diào)頻發(fā)射機(jī)都采用變?nèi)荻O管直接調(diào)頻技術(shù)，即在工作于發(fā)射載頻的LC振蕩回路上直接調(diào)頻，采用晶體振蕩器和鎖相環(huán)路來(lái)穩(wěn)定中心頻率。較之中頻調(diào)制和倍頻方法，這種方法的電路簡(jiǎn)單、性能良好、副波少、維修方便，是一種較先進(jìn)的頻率調(diào)制方案。
變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理
---二極管通過(guò)改變外加反向電壓可以改變空間電荷區(qū)的寬度，從而改變勢(shì)壘電容的大小。變?nèi)荻O管是就是利用這種特性制成的特殊的PN結(jié)二極管，是一種電抗可變的非線性電路元件，一般使用的材料為硅或砷化鎵。圖1是變?nèi)荻O管的特性曲線，圖2是變?nèi)荻O管直接調(diào)頻示意圖。


---變?nèi)荻O管在反向偏置時(shí)，結(jié)電容可用下式來(lái)表示：，其中，VD為PN結(jié)內(nèi)建電位差，Cj0為外加反向電壓u=0時(shí)的結(jié)電容，n為電容變化指數(shù)。n取決于變?nèi)荻O管PN結(jié)的雜質(zhì)分布規(guī)律，對(duì)于緩變結(jié)n值等于1/3，突變結(jié)n值等于1/2，超突變結(jié)n值在1～5之間。
---變?nèi)荻O管在反向偏置直接調(diào)頻電路中，不能工作于正向偏壓區(qū)。如圖2所示，為了保證變?nèi)荻O管在調(diào)制電壓變化過(guò)程中保持反向偏壓，必須加上一個(gè)大于調(diào)制信號(hào)振幅的反向直流偏壓E0。所以在單音調(diào)制時(shí)，變?nèi)荻O管上的電壓u=E0+UΩcosΩt，得到結(jié)電容變化規(guī)律為(見(jiàn)本期雜志）
---式中，稱為電容調(diào)制度，
---為靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)的結(jié)電容。
---則振蕩回路的諧振角頻率為：(見(jiàn)本期雜志）
---式中，是未受調(diào)制時(shí)的振蕩角頻率，即載波角頻率。將式中作為變量，并在處展開(kāi)為泰勒級(jí)數(shù)，得到：(見(jiàn)本期雜志）
---從上式可以看出，振蕩器的頻率變化量中不僅包含有與調(diào)制信號(hào)成正比的分量，而且含有調(diào)制信號(hào)的二次諧波及更高次諧波分量，同時(shí)還有中心頻率的漂移。一般總是在保證最大角頻偏的前提下，選擇具有較大變?nèi)葜笖?shù)n的管子，減小電容調(diào)制度m，從而減小中心頻率的漂移，提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，還要消除各次諧波失真分量，實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻。
鎖相穩(wěn)頻技術(shù)
---對(duì)于變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路來(lái)說(shuō)，由于調(diào)制器是由普通的LC自激振蕩器和并聯(lián)的變?nèi)荻O管組成，所以有很多因素會(huì)引起振蕩頻率發(fā)生變化，這些因素包括變?nèi)荻O管的非線性、電源電壓的變動(dòng)、負(fù)載的變化、溫度等環(huán)境條件的變化、電路元器件老化、機(jī)械振動(dòng)等。為了消除這些導(dǎo)致中心頻率不穩(wěn)定的因素，除了注意電路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)外，還應(yīng)當(dāng)采用自動(dòng)相位控制電路使中心頻率穩(wěn)定在規(guī)定范圍以內(nèi)。

---圖3是典型的鎖相穩(wěn)頻電路的結(jié)構(gòu)框圖。共包括四個(gè)部分：壓控振蕩器、鑒相器、基準(zhǔn)晶體振蕩器和分頻器。放大的調(diào)制信號(hào)加入壓控振蕩器，對(duì)其進(jìn)行頻率調(diào)制，經(jīng)過(guò)調(diào)制的高頻信號(hào)一路送至后面的放大電路，另一部分送入分頻器進(jìn)行分頻。分頻器輸出的方波信號(hào)送入鑒相器中，與基準(zhǔn)晶體振蕩器經(jīng)過(guò)分頻后得到的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)相位鎖定。鑒相器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器送入壓控振蕩器中，控制壓控振蕩器的振蕩頻率，從而達(dá)到穩(wěn)定頻率的目的。


---由于調(diào)頻的結(jié)果使壓控振蕩器輸出信號(hào)的瞬時(shí)頻率總是偏離其基準(zhǔn)值，而環(huán)路的功能就是要抑制這種頻偏，這就產(chǎn)生了一個(gè)矛盾。為了解決這個(gè)矛盾，應(yīng)該使調(diào)制信號(hào)的頻譜處于環(huán)路通帶之外，也就是需要在鑒相器和壓控振蕩器之間加一個(gè)低通濾波器，將其濾除。環(huán)路只對(duì)引起壓控振蕩器平均中心頻率不穩(wěn)定的那一部分起作用，也就是說(shuō)，已調(diào)信號(hào)在中心頻率附近很小的一個(gè)頻偏范圍內(nèi)變化。

主要電路工作原理
---本電路實(shí)際上是一個(gè)小功率調(diào)頻發(fā)射機(jī)，其調(diào)制部分采用了變?nèi)荻O管直接調(diào)頻技術(shù)，主要功能是實(shí)現(xiàn)87～108MHz頻段內(nèi)以100kHz為間隔的調(diào)頻激勵(lì)源；輸入調(diào)頻信號(hào)為音頻(30Hz～15kHz)，要求實(shí)現(xiàn)最大頻偏為75kHz，其框圖如圖4所示。


---下面簡(jiǎn)單分析一下各主要部分的工作原理。
● VCO電路
---VCO電路是實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制與載波生成的關(guān)鍵性電路部分，其具體電路如圖5所示。

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