目录
摘要 ..................................................................................................................1
1 设计方案与电路 ..........................................................................................2
1.1 电路形式的设计 ............................................................................ 2
1.1.1 设计原理 ............................................................................... 2
1.1.2 电路设计方案 ....................................................................... 2
1.1.3 电路设计 ............................................................................... 3
1.2 主振电路设计原理分析 ................................................................ 3
1.3 调频电路设计原理分析 ................................................................ 4
1.3.1 FM调制原理 .......................................................................... 5
1.3.2 三极管的参数 ....................................................................... 6
1.3.3 变容二极管频率调制的原理 . .............................................. 6
2 电路工作分析 ..............................................................................................8
2.1调制 ................................................................................................... 8
2.1.1谐振回路总电容 .................................................................... 8
2.1.2 回路总电容变化量 ............................................................... 8
2.1.3 调制灵敏度 ........................................................................... 8
2.2 增加稳定度的措施........................................................................ 9
2.2.1 选用合适的负温度系数的电容器 ..................................... 9
2.2.2 LC选材、工作环境恰当 . ..................................................... 9
2.2.3 使负载轻且稳定 ............................................................... 10
2.2.4 加缓冲级 ........................................................................... 10
2.2.5有源器件采用稳压电源 ...................................................... 10
3 电路元器件参数设置 ................................................................................10
3.1 LC震荡电路直流参数设置 . .......................................................... 10
3.2 主频电路参数设置 ......................................................................... 11
3.3 调频电路的直流参数设置 ............................................................ 12
3.4 调制信号的幅度计算 .................................................................... 13
4 课程设计心得 ............................................................................................14
参考文献 ........................................................................................................15
附录1 电路图 ...............................................................................................16
附录2 元件清单 ...........................................................................................17
摘要
随着电子与通信技术的不断进步，各种电子新产品的开发速度越来越快。现代计算机和微电子技术的进一步结合和发展，使得电子电路和通信线路的设计出现了两个分支。一个是朝着更高集成度的集成电路发展；而另一个是利用分立元件和硬件描述语言对新型器件进行专门设计。 调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。调频电台的频带通常大约是200～250kHz ，其频带宽度是调幅电台数十倍，便于传送高保真立体声信号。由于调幅波受到频带宽度的限制，在接收机中存在着频带宽度与干扰的矛盾，因此音频信号的频率局限于30～8000Hz 的范围内。在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至30～15000Hz ，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。目前，许多小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频的LC 震荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的调制调频方案。
关键词：信号 频率 调频 调制 变容二极管 LC振荡电路
1 设计方案与电路
1.1 电路形式的设计
1.1.1 设计原理
变容二极管是根据PN 结的结电容随反向电压大小而变化的原理设计的一种二极管。它的极间结构、伏安特性与一般检波二极管没有多大差别。不同的是在加反向偏压时，变容二管呈现较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会随调制信号电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。
由于抗干扰能力强、功率利用率高、信息传输保真度高等优点，频率调制广泛应用于各种通信系统和电子设备中。实现调频的方法有直接调频法和间接调频法两类，
所谓调频，就是把要传送的信息（例如语言、音乐）作为调制信号去控制载波（高频振荡信号）的瞬时频率，使其按调制信号的规律变化。
1.1.2 电路设计方案
变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），线路简单，并且几乎不需要调制功率，其主要缺点是中心频率的稳定度低。在满足设计的各项参数的基础上尽量简化电路。因此本次
课程设计采用2CC1C 变容二极管进行直接调频电路设计。
1.1.3 电路设计
变容二极管调频电路是有主频电路和调频电路构成，电路如图1.1所示。
图1.1 变容二极管调频电路
1.2 主振电路设计原理分析
图1.1中，T 为振荡管，C1、C2、C3、L1为主振回路，D 为变容二极管。为了减少晶体管结电容对回路振荡频率的影响，C2、C3取值较大，若选C1
f o 1
2πL 1C 1
本电路采用常见的电容三点式震荡电路实现LC 振荡，简便易行，变容二极管电容作为组成LC 振荡电路的一部分，电容值会随加在其两端的电压的变化而变化，从而达到了变频的目的。
Rc ，Re ，RB1，RB2设置LC 震荡电路的静态工作点，L1，C1构成LC 震荡电路，CC,DC 接入LC 振荡电路改变振荡频率构成调频电路。R1、R2、R3提供变容二极管工作所需的直流偏置。信号V Ω从C5接入，电感L2是一低通线圈，可以过滤掉信号的高频部分。图1.2为调频电路的交流等效电路。
图1.2 三点式振荡电路
1.3 调频电路设计原理分析
图1.1中，调频电路由变容二极管D 、耦合电容Cc 、偏置电阻R1、R2和隔离电阻R3构成，L3为高频扼流圈，C4为高频滤波电容。变容二p =
极管采用部分接入，接入系数C c C c +C j ，其中等效电路图如图1.3所示。图中C1为变容二极管结电容，与变容二极管两端反压呈非线性关系。在静态工作点附近小信号范围内可认为是线性的，实现线性调频。无调制时，谐振回路的总电容为：
C Q ∑=C 1+
C C C Q C C +C Q
式中C Q ，为静态工作点是所对应的变容二极管结电容。
图1.3 变容二极管部分接入等效图
1.3.1 FM调制原理
FM 调制是靠调频使信号频率发生变化，振幅可保持不变，所以噪声易消除。
设载波Vc =Vcm cos w c t , 调制波Vs =Vsm cos w s t 。
则w m =w c +∆w cos w s t 或f m =f c +∆f cos 2πf s t ，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V m =V cm sin θm , V m 随Vs 的变化而变化。 θm =⎰w m dt =w c t +(∆w /w s ) sin w s t 0t
V m =V cm sin θm
=V cm sin[w c t +(∆w /w s ) sin w s t ]
=V cm sin(w c t +m sin w s t )
m =∆w ∆f =w s f s 为调制系数
1.3.2 三极管的参数
NPN 型高频小功率三极管3DG100(3DG6)参数（如图1.4）
图1.4 高频三极管的参数
1.3.3 变容二极管频率调制的原理
变容二极管是利用半导体PN 结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种半导体二极管，它是一种电压控制可变电抗元件，它的结电容Cj 与反向电压V R 存在如下关系：
C j 0C j =(1+R ) γ
V D
式中，VD 为PN 结的势垒电压（内建电势差），Cj0为V R 为0时的结电容，
γ为系数，它的值随半导体的掺杂浓度和PN 结的结构不同而异：对于缓变结，γ=1/3；突变结：γ=1/2;对于超突变结，γ=1/4，最大可达6以上。
变容二极管的Cj-v 特性曲线如图1.5所示。
图1.5 变容二极管的Cj-v 特性曲线
加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压V0和调制信号电压V Ω(t)=VΩcos Ωt ，即v R (t ) =V 0+V Ωcos Ωt 。
结电容在vR(t)的控制下随时间的变化而变化。把受到调制信号控制的变容二级管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡回路的频率已收到调制信号的控制。适当选择调频二极管的特性和工作状态，这样就实现了调频。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 k C =ΔC ΔV 。
2 电路工作分析
2.1调制
2.1.1谐振回路总电容
2.1.2 回路总电容变化量
∆C ∑=p 2∆C j
2.1.3 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Sf 表示，单位为 kHz/V，即
Sf = △f m / VΩm
V Ωm 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。
在频偏较小时，△fm 与△C ∑的关系可采用下面近似公式，即
∆f m 1∆C ≈-⋅∑
f o 2C Q ∑
调制灵敏度
S =f f o ∆C ∑⋅2C Q ∑V Ωm
调制灵敏度Sf 可以由变容二极管Cj-v 特性曲线上V Q 处的斜率kc 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。 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。
2.2 增加稳定度的措施
2.2.1 选用合适的负温度系数的电容器
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 值很高时，则振荡频率可以近似的用回路的固有频率f 0来表示。
f ≈f 0=1
2πLC
由于外界因素的影响，LC 产生微小的变量△L 、△C ，因而引起振荡频率的变化为
∆f =1⎛∆L ∆C ⎫∂f 0∂f +⎪∆L +0∆C ≈-f 0 2L C ⎝⎭ ∂L ∂C
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。
2.2.2 LC选材、工作环境恰当 f ≈f 0=1
2πLC 知，若LC 有变化，则震荡频率必然变化，而影由
响LC 飞变化的因素有：
元件的机械变形 周围温度的变化 适度，气压的变化
因此为了维持LC 的数值不变，首先就应选取标准性高的，不易发生机械变形的元件；其次，应尽量维持振荡器的环境温度的恒定，因为当温度变化时，不仅会使LC 的数值发生变化，而且会引起电子器件的参数变化，因此高稳定度的振荡器可以封闭在恒温箱内，LC 采用温度系数低的材料制成。
2.2.3 使负载轻且稳定
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，
2.2.4 加缓冲级
为了减弱后级电路对主振器的影响，可在主振器后面加入缓冲级。
2.2.5有源器件采用稳压电源
晶体管为有源器件时，若他的工作状态（电源电压或周围温度等）
有所改变，则晶体管的h 参数会发生变化，即引起振荡频率的改变。为了维持晶体管的参数不变，应该采用稳压电源，和恒温措施。
3 电路元器件参数设置
3.1 LC震荡电路直流参数设置
ICQ 一般为1～4mA 。若ICQ 偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，
频率稳定性变差。
取ICQ=2mA。取VCEQ=（1/2）VCC=6V。可以求出Rc+Re=3KΩ，取Rc=2KΩ，Re=1KΩ；β=60，IBQ=β×IBQ ，为使减小IBQ 对偏执电阻的电位偏执效果的影响，取RB1和RB2上流过的电流IB>>IBQ，取RB1=28KΩ，RB2=8.2KΩ。
3.2 主频电路参数设置
f o ≈
由LC 震荡频率的计算公式可求出则L1≈10μH 。
实验中可适当调整L1的圈数或C1的值。
电容C2、C3由反馈系数 F 及电路条件C1
本题给定变容二极管的型号为2CC1C ，已测量出其Cj-v 曲线如图3.1所示。
1
2πL 1C 1
，若取C1=100pF，
图3.1变容二极管Cj-V 曲线
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3.2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 =
C c C c +C j
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VQ=－4V 时，对应CQ=75pF，则CC ≈ 18.8 pf 。取标称值20pF 。
图3.2 主频等效电路图
3.3 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Cj-v 特性曲线（如图3.1），取变容二极管的正常工作的反向偏置电压为4V ，R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压VQ ，电阻R3称为隔离电阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以减小调制信号V Ω对V Q 的影响。已知 VQ =4V，若取 R2=10kΩ ，
隔离电阻R3=150kΩ。则R1=20KΩ
3.4 调制信号的幅度计算
为达到最大频偏△fm 的要求，调制信号的幅度V Ωm ，可由下列关系式求出。
∆f m =-
1∆C ∑
f o
2C Q ∑
由Cj-v 曲线得变容管 2CC1C 在VQ= – 4V 处的斜率
k C =∆C j ∆V =12. 5
PF/V,得调制信号的幅度
V Ωm =ΔCj / kc= 0.92V。 调制灵敏度:
Sf 为
S f =∆f m Ωm =10. 9
KHz/V
4 课程设计心得
通过本周的课程设计，我认识到课本上的知识的实际应用，激发了学习兴趣，增强了思考和解决实际问题的能力。课程设计，使我学会了充分利用图书馆资源和网络资源进行自主学习研究。使自己对高频电子线路这门课程有了一崭新的认识。这让我明白了阅读查找文献的重要性，平时多积累知识，真正到了用的时候，做题才会得心应手。
此次课程设计运用了二极管，电阻，电容，线圈等器件，使我进一步加深了对这些元件的理解和认识，以及它们的应用方法和注意事项，为以后分析这些元件的工作特性打好了基础。
此次课程设计我学会了不同的元件来组成电路实现相同的功能，从中比较分析而确定最优的设计组合。在课程设计过程中我练习用了Protel 软件绘制电路原理图，更加熟悉了该软件。并且提高了自己发现问题、分析问题、解决问题的能力。
当然在这一星期里，学会的最重要的一点就是和同学互相协助共同进步。在实习中常遇到一些自己不明白的问题，通过和同学的交流和向其他人请教来解决。另外，在和别人交流的同时我们可以获得不同的想法，不断地完善自己的设计。
通过一周的课程设计，自己掌握了丰富的科学文化知识，提高了自己的思考能力。
参考文献
1: 李银华 电子线路设计指导 北京航天航空大学出版社 2005.6
2: 谢自美 电子线路设计·实验·测试 华中科技大学出版 社2003.10
3: 张肃文 高频电子线路 高等教育出版社 2004.11 4：罗伟雄 通信原理与电路 北京理工大学出版社 1999 5：阎石 数字电子技术基础 北京高等教育出版社 2001 6：张凤言 7：阳昌汉
电子电路基础 高等教育出版社
1995
高频电子线路学习与解题指导 哈尔滨工程大
学出版 2004
8：李新平 实用电子仿真技术 北京机械工业出版社 2003
附录1 电路图
附图 变容二极管调频电路
附录2 元件清单