LC直接调频 - 图文

1 系统总体设计方案

1.1振荡器概述

振荡器广泛应用于各行各业中，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压:在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热；某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制；电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。在通信系统电路中，压控振荡器(VCO)是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等电路中更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO压控振荡器几乎与电流源电路和运放电路具有同等重要的地位。

压控振荡器（VCO）的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。

电压控制LC振荡器在任何一种LC振荡器电路中都是将压控可变电抗元件插入振荡回路中，本设计中采用变容二极管作为压控可变点抗元件，这样就可形成LC压控振荡器。早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来大都使用了变容二极管。在微波频段，用反射极电压控制频率的反射速调管振荡器和用阳极电压控制频率的磁控管振荡器等也都属于压控振荡器的性质。

在通信技术、测量技术、计算机技术等各种领域中，常常要用到精度比较高，频率稳定度高且方便可调的信号源，电压控制振荡器是如今使用非常广泛的一类电子器件，为电—光转换电路、移动式手持设备等提供了很好的解决方案

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1.2 设计要求

已知条件：电源电压Vcc?12V。

主要技术指标：中心频率f0?10MHz，频率稳定度?f/f0?5?10?3/小时，输出电压UO?200mV，最大频偏?fm?50kHz，调制灵敏度SFM?10kHz/V。

1.3 LC调频荡器的设计方法

LC调频振荡器的设计，是根据LC调频振荡器的中心频率fo、频率稳定度

?f/fo、输出电压Uo、最大频偏?fm、调制灵敏度SFM等性能指标要求，正确地

确定出LC正弦波振荡器、变容二极管调频电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。

LC正弦波振荡器的确定

方案一：采用高稳定度适用于产生固定频率场合的克拉泼（Clapp）经典振荡电路。

方案二：采用高稳定度的西勒（Seiler）经典振荡电路，如图1—1所示。

图1-1西勒振荡电路

以上两种方案中，方案一采用克拉泼电路，该电路振荡频率较为稳定，但该振荡的频率覆盖范围较窄，。而且该振荡在一个较宽的波段内输出幅度不均匀，频率升高后不易起振。因此该方案不予采纳。而方案二采用西勒振荡电路，克服了克拉波振荡器的缺点在电感上并接一个可调电容调节振荡频率，电路较易起 振，振荡频率也较为稳定，故采纳方案二的设计。

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1.4调频电路的实现方法

调频电路的实现方法分为两大类：直接调频法和间接调频法。 1.4.1 直接调频法

用调制信号直接控制振荡器的振荡频率的方法称为直接调频法。如果受控振荡器是产生正弦波的 LC 振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。

可变电抗器件的种类很多，其中应用最广的是变容二极管。作为电压控制的可变电容元件，它有工作频率高、损耗小和使用方便等优点。具有铁氧体磁芯的电感线圈，可以作为电流控制的可变电感元件。此外，由场效应管或其它有源器件组成的电抗管电路，可以等效为可控电容或可控电感。

在直接调频法中振荡器和调制器合二为一。这种方法的优点是在实现线性调频的要求下，可以获得相对较大的频偏。它的主要缺点是会导致FM波的中心频率偏移，频率稳定度差，在许多场合对载频采取自动频率微调电路（AFC）来克服载频的偏移或者对晶体振荡器进行直接调频。 1.4.2 间接调频法

先将调制信号进行积分处理，然后用它控制载波的瞬时相位变化，从而实现间接控制载波的瞬时频率变化的方法，称为间接调频法。

根据前述调频与调相波之间的关系可知，调频波可看成将调制信号积分后的调相波。 这样，调相输出的信号相对积分后的调制信号而言是调相波，但对原调制信号而言则为调频波。这种实现调相的电路独立于高频载波振荡器以外，所以这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳定性可以做得较高，但可能得到的最大频偏较小。

间接调频实现的原理框图如图 1-2所示。

图 1-2借助于调相器得到调频波

无论是直接调频，还是间接调频，其主要技术要求是：频偏尽量大，并且与调制信号保持良好的线性关系；中心频率的稳定性尽量高；寄生调幅尽量小；调制灵敏度尽量高。其中频偏增大与调制线性度之间是矛盾的。

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根据题目要求，其频率稳定度?f/fo≤5?10?3/小时，最大频偏

?fm?50kHz，由上面分析知：直接调频可获得较大线性频偏，但载频稳定度

较差；间接调频方式载频稳定度较高，但获得的线性频偏较小。在这里我们采用直接调频法

1.5 电路原理

LC调频振荡器的工作流程如下：LC调频振荡器一般由LC正弦波振荡器与变容二极管调频电路两大部分组成。其中，LC正弦波振荡器用于产生一定频率的幅度和信号，无须外加输入信号的控制，就能自动将电能转换为所需要的交流能量输出，即自激振荡；而变容二极管电容的改变是由调制信号决定的，再将变容二极管通过电容Cc耦合接入LC振荡回路中，用于实现对LC正弦波振荡器频率的调制，即调频。

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2 单元电路设计

2.1 振荡器的设计

2.1.1振荡电路原理

本设计选用西勒振荡器作为振荡电路，对于一个振荡器，首先要判断它是

否能产生振荡，其振荡频率可根据选频网络的参数进行计算。要满足振荡电路自激振荡,则必须满足电路产生振荡的基本条件，即使电路中的反馈信号与输入信号大小相等，相位相同。正弦振荡电路由A放大电路和F反馈网络组成。满足下列条件电路起振。

1、振幅平衡条件

2、振荡电路产生自激振荡满足振幅平衡条件

式（2—1）

即放大倍数与反馈系数乘积的模为1，反馈信号与原输入信号的幅度相等。

3相位平衡条件

振荡电路产生自激振荡时满足相位平衡条件

式（2—2）

即放大电路的相移与反馈网络的相移之和为2nπ，引入的反馈为正反馈，反馈端信号与输入端信号同相。

经分析西勒振荡电路的振荡原理得出高静态工作点Q的谐振回路是电路起振的关键。Q的值不高就无法从丰富的频率中选出可以构成自激振荡的频率分量构成正反馈，振荡电路据无法正常起振。谐振回路的Q值是放映回路在谐振时的能量损耗。损耗越小，Q值越高。解决这个问题的方法是尽可能选择高Q值的L和C。一般情况下，电容的值较高，不会对电路的Q值构成影响。电感成为影响谐振回路的主要因素。理论上讲空心的电感线圈损耗较小，Q值较高，满足电感值较小无法回路的需要。经过反复实践，选频网络选用高频材料镍芯材料最为绕制电感的材料。 2.1.2西勒振荡电路

如上图2—1所示是西勒振荡器的原理图电路图。C4电容调整振荡器的频率，而C3用固定电容，在一般情况下，C1和C2电容都远大于C3，其振荡频率近似为 :

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fosc?12?L(C3?C4) 式（2-3）

式(2—3)是振荡频率计算式。调节C4电容改变振荡器频率，由于C3电容不变，所以谐振回路反映到晶体管输出端的等效负载变换很缓慢，故调节C4对放大器增益的影响不大，从而保证振荡幅度的稳定。

2.2 变容二极管调频电路

变容二极管调频电路由变容二极管DC及耦合电容CC组成,R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压VQ， 即VQ=[R2/(R1+R2)] VCC。电阻R3称为隔离电阻，常取R3》R2,R3》R1，以减小调制信号v??对VQ的影响。C5与高频扼流圈L2给v??提供通路，C6起高频滤波作用。

变容二极管DC通过耦合电容CC部分接入振荡回路，有利于主振频率fo的稳定性，减小调制失真。图1-4所示的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：

p?CcCc?CjCcCj?C1?Cc?Cj 式（2-4）

C? 式（2-5）

式中，Cj为变容二极管的结电容，它与外加电压的关系为：

式（2-6）

VD为变容管PN结内建电位差式中，Cj0为变容二极管加零偏压时的结电容；（硅

管VD=0.7V，锗管VD=0.3V）；γ变容二极管的电容变化指数，与频偏的大小有关（小频偏：选γ=1的变容二极管可近似实现线性调频，大频偏：必须选γ=2的超突变结变容二极管，才能实现较好的线性调频）；ν为变容管两端所加的反向电压，ν=VQ+v??=VQ+V?mcos?t 。变容二极管的Cj-v 特性曲线如图2-2示。设电路工作在线性调制状态，在静态工作点Q处，曲线的斜率为 ：

kC?ΔCΔV （2-7）

Cc L1 C1

Cj?Cj

图2-1 变容二极管部分接入的等效电路

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?

图2-2变容二极管的Cj-v特性曲线

2.3 调制信号

由式2-6可知，调制信号的改变也会引起变容二极管Cj大小的改变。调制电压确定了其调制灵敏度，调制灵敏度用SF表示，单位为kHZ/V,即

SF= /V?m ?fm (2-8)

V?m为调制信号的幅度；?fm为变容管的结电容变化?Cj时引起的最大频偏。 因为回路总电容的变化量为

?f?C??p?Cj1?C2 (2-9)

在频偏较小时,?fm与?C?的关系可采用下面近似公式，即

m???? (2-10) fo2CQ?∴ p↑- △f ↑ ，?Cj↑-△f↑ 调制灵敏度: SF=

fo2CQ???C?VΩm （2-11）

式中，?C?为回路总电容的变化量；CQ?为静态时谐振回路的总电容，

即

CQ??C1?CCCQCC?CQ （2-12）

∴ C1↓- SF↑ - △f↑

调制灵敏度SF可以由变容二极管Cj-v 特性曲线VQ上处的斜率kc及式(2-1）计算。SF越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。

3 参数计算及元件选择

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3.1 LC调频振荡器的选择及电路的确定

3.1.1 调频振荡器的选择

根据设计要求及技术指标，因为频率稳定度要求不是很高，故选用由晶体

管组成的电容三点式的改进型电路克拉泼电路，选用变容二极管作为调频电路。 3.1.2电路的确定

由实验原理和设计要求确定电路如图3-1所示。 * RB1 RB2

A RC C B T C1 C4 D Cc R3 ＋V* R1 VQ L2 C2 E L1 ＋ DC C5 v? C6 CB R2 RE C3 LC振荡器 图3-1 总电路原理图

调频电路

3.2 参数的计算

3.2.1 LC正弦波振荡器的选择 （1）设置静态工作点

取振荡器的静态工作点ICQ=2mA, VCEQ?6V，测得三极管的β≈67。 由式 V CC ? V CEQ

CQ RE?RCI?(3-1)

(3-2)

可得：

RE?RC?VCC?VCEQICQ?9V?4V2mA?3k?为提高电路的稳定性，RE的值可适当增大，取RE=1kΩ，则RC=2 kΩ。

VEQ?VBQ?VBE?ICQRE?2mA?1k? 8

(3-3)

=2V

取RB2的电流 IB2=10IBQ=10ICQ/β=（10×2）/67=0.29mA (3-4) 则 : RB2= VBQ/IB2= 取 RB2=9kΩ,得:

RRB2B1VBE?VEQIB2VBQVCC=(0.7V+2V)/0.29mA=9kΩ (3-5)

(3-6)

?RB2?即 ： RB1?RB2VCC/VBQ?1 (3-7) 则RB1可用27 kΩ电阻与50 kΩ电位器串联得到，以便调整静态工作点。 (2)计算主振回路元器件值

1由式（2-3）得 : (3-8) f?o 若取C1=100pF，则L1=2.5μH。（可适当调整L1的圈数或C1的值）.电容C2、C3的反馈系数F及电路条件C1《C2，C1《C3所决定，若取C2=1nF,由反馈系数F=C2/C3= 1/8～1/2,则取C3=5.1nF，取耦合电容Cb=0.01μF。 3.2.2 变容二极管调频电路的选择 （1）设置变容管静态工作点

已知条件给定的变容二极管的型号为2CC1D，取变容二极管反向偏压VQ=4V，由此知变容管的静态电容CQ=60pF。 (2)调频电路元器件值的确定

2πL1C1 根据 VQ=[R2/(R1+R2)] VCC和已知VQ=4V，VCC=12V，取R2=10kΩ,则

R1=30kΩ。（R1可用20kΩ电阻与47kΩ电位器串联，用以调整静态偏压VQ） 隔离电阻R3应远大于R1，R2，取R3= 200kΩ。

p?Cc(Cc?Cj)由式（2-2）, 得: (3-9) 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，然后再调试。当VQ=- 4V时，对应CQ=60pF， Cc?pCQ?1?p? 可得：Cc? 22pF

低频调制信号v??的耦合支路电容C5及电感L2应对v??提供通路，一般v??的频率为几十赫兹到几千赫兹，故取 C5=4.7μF，L2=47μH(固定电感)。高频旁路电容C6应对调制信号v??呈高阻，取C6=10nF。

3.2.3 调制信号的幅度及调制灵敏度的计算

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?fm的要求，可求得调制信号的幅度V 为达到最大频偏 ?m由式（1-12） 得 ?f1?C

静态时谐振回路的总电容CQ?

CQ??C1?CCCQCC?CQ?112pFmfo??2CQ???(3-10)

(3-11)

则回路总电容的变化量

?C??2?fmCQ?/f0?1.12pF

(3-12)

2?Cj=?C?/p≈28pF (3-13)

由Cj-v 曲线可得，若取?V=1, ?Cj=28pF,则变容管 2CC1C 在VQ=-4时，CQ=60pF，

VQ=-4V处的斜率

kC??Cj?V?10由式(2-9) 得调制信号的幅度:

V?m =ΔCj /kC =2.8V (3-14)

由式(2-8)得调制灵敏度SF 为: SF

? /V?m=18KHz/V (3-15) ?fm

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致谢

在此次课程设计中，非常感谢张松华老师的指导与同学之间的互助，张老师的指导犹如一盏明灯，在我们感到黑暗的时候给我们照亮了方向；同学之间的帮助让我明白了团队的重要，或许一个人的设计你会感到很艰难，但是有了队友的帮助，你会在不知不觉中就已经解决了你所认为困难的问题。

最后，再次诚挚的感谢张老师与各位同学，正是因为有了你们的帮助才会有此课程设计的成功，谢谢大家！

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参考文献

[1] 康华光.电子技术基础 模拟部分(第五版) [M].北京：高等教育出版社，2006 [2] 谢自美.电子线路设计·实验·测试(第三版) [M].武汉：华中科技大学出版社，2006

[3] 邱光源.电路(第五版) [M].北京：高等教育出版社，2011

[4] 胡宴如，耿苏燕.高频电子线路 [M].北京：高等教育出版社，2012

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附录A 原理图

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附录B PCB图

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附录C 实物图

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附录D 元器件清单

名称 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电容 电容 电容 电容 电容 电容 电容 电解电容 电位器 变容二极管 电感 电感 三极管

规格 27kΩ 9kΩ 2kΩ 1kΩ 200kΩ 20kΩ 10kΩ 10nF 560pF 4nF 100pF 22pF 10nF 62pF 4.7uF 50K 2.5uH 47uH 元件编号 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 CP1 RS1 RS2 D1 L1 L2 Q1 21

附录D 元器件清单

名称 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电容 电容 电容 电容 电容 电容 电容 电解电容 电位器 变容二极管 电感 电感 三极管

规格 27kΩ 9kΩ 2kΩ 1kΩ 200kΩ 20kΩ 10kΩ 10nF 560pF 4nF 100pF 22pF 10nF 62pF 4.7uF 50K 2.5uH 47uH 元件编号 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 CP1 RS1 RS2 D1 L1 L2 Q1 21

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/k0wx.html