使用VCO實(shí)現變容二極管直接調頻(圖)

摘 要：介紹了一種使用vco實(shí)現調頻的鎖相環(huán)電路并給出了關(guān)鍵技術(shù)，變容二極管直接調頻和鎖相，環(huán)路濾波器的設計及實(shí)驗結果。該電路不僅具有低相位噪聲、高穩定載波、很小的非線(xiàn)性失真，而且具有理想的音頻調制頻響。
關(guān)鍵詞：調頻；變容二極管；自動(dòng)相位控制

---調頻廣播具有抗干擾性能強、聲音清晰等優(yōu)點(diǎn)，獲得了快速的發(fā)展。調頻電臺的頻帶通常大約是200～250khz，其頻帶寬度是調幅電臺的數十倍，便于傳送高保真立體聲信號。由于調幅波受到頻帶寬度的限制，在接收機中存在著(zhù)通帶寬度與干擾的矛盾，因此音頻信號的頻率局限于30～8000hz的范圍內。在調頻時(shí)，可以將音頻信號的頻率范圍擴大至30～15000hz，使音頻信號的頻譜分量更為豐富，聲音質(zhì)量大為提高。
---許多中小功率的調頻發(fā)射機都采用變容二極管直接調頻技術(shù)，即在工作于發(fā)射載頻的lc振蕩回路上直接調頻，采用晶體振蕩器和鎖相環(huán)路來(lái)穩定中心頻率。較之中頻調制和倍頻方法，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)的頻率調制方案。 

變容二極管直接調頻原理
---二極管通過(guò)改變外加反向電壓可以改變空間電荷區的寬度，從而改變勢壘電容的大小。變容二極管是就是利用這種特性制成的特殊的pn結二極管，是一種電抗可變的非線(xiàn)性電路元件，一般使用的材料為硅或砷化鎵。圖1是變容二極管的特性曲線(xiàn)，圖2是變容二極管直接調頻示意圖。

---變容二極管在反向偏置時(shí)，結電容可用下式來(lái)表示：，其中，vd為pn結內建電位差，cj0為外加反向電壓u=0時(shí)的結電容，n為電容變化指數。n取決于變容二極管pn結的雜質(zhì)分布規律，對于緩變結n值等于1/3，突變結n值等于1/2，超突變結n值在1～5之間。
---變容二極管在反向偏置直接調頻電路中，不能工作于正向偏壓區。如圖2所示，為了保證變容二極管在調制電壓變化過(guò)程中保持反向偏壓，必須加上一個(gè)大于調制信號振幅的反向直流偏壓e0。所以在單音調制時(shí)，變容二極管上的電壓u=e0+uωcosωt，得到結電容變化規律為(見(jiàn)本期雜志）
---式中，稱(chēng)為電容調制度，
---為靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)的結電容。
---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)為泰勒級數，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制信號成正比的分量，而且含有調制信號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，選擇具有較大變容指數n的管子，減小電容調制度m，從而減小中心頻率的漂移，提高振蕩器的頻率穩定度，還要消除各次諧波失真分量，實(shí)現線(xiàn)性調頻。

鎖相穩頻技術(shù)
---對于變容二極管直接調頻電路來(lái)說(shuō)，由于調制器是由普通的lc自激振蕩器和并聯(lián)的變容二極管組成，所以有很多因素會(huì )引起振蕩頻率發(fā)生變化，這些因素包括變容二極管的非線(xiàn)性、電源電壓的變動(dòng)、負載的變化、溫度等環(huán)境條件的變化、電路元器件老化、機械振動(dòng)等。為了消除這些導致中心頻率不穩定的因素，除了注意電路和結構的設計外，還應當采用自動(dòng)相位控制電路使中心頻率穩定在規定范圍以?xún)取?BR>
---圖3是典型的鎖相穩頻電路的結構框圖。共包括四個(gè)部分：壓控振蕩器、鑒相器、基準晶體振蕩器和分頻器。放大的調制信號加入壓控振蕩器，對其進(jìn)行頻率調制，經(jīng)過(guò)調制的高頻信號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送入鑒相器中，與基準晶體振蕩器經(jīng)過(guò)分頻后得到的基準信號進(jìn)行比較，實(shí)現相位鎖定。鑒相器的輸出信號經(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，從而達到穩定頻率的目的。

---由于調頻的結果使壓控振蕩器輸出信號的瞬時(shí)頻率總是偏離其基準值，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，應該使調制信號的頻譜處于環(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)路只對引起壓控振蕩器平均中心頻率不穩定的那一部分起作用，也就是說(shuō)，已調信號在中心頻率附近很小的一個(gè)頻偏范圍內變化。

主要電路工作原理
---本電路實(shí)際上是一個(gè)小功率調頻發(fā)射機，其調制部分采用了變容二極管直接調頻技術(shù)，主要功能是實(shí)現87～108mhz頻段內以100khz為間隔的調頻激勵源；輸入調頻信號為音頻(30hz～15khz)，要求實(shí)現最大頻偏為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)現頻率調制與載波生成的關(guān)鍵性電路部分，其具體電路如圖5所示。

---4個(gè)性能一致的超突變結變容二極管mv209采取較為復雜的串并聯(lián)形式，通過(guò)電路的復雜性來(lái)?yè)Q取性能的改善，并采用部分接入法接入諧振回路，即將變容二極管c與容量較小的耦合電容c1串聯(lián)，再與一個(gè)電容c2并聯(lián)，構成回路總電容。這樣做不會(huì )改變變容二極管的調頻特性，雖然會(huì )在一定程度上減小調頻電路的最大頻偏，但是可以改善變容二極管結電容隨溫度變化而帶來(lái)的中心頻率漂移問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)調整耦合電容c1的大小，可以保證變容二極管工作在線(xiàn)性區，并控制頻偏大小。在保證最大頻偏的前提下，盡量消除非線(xiàn)性失真、降低輸出信號的相位噪聲。
---起振電路中選用具有低轉角頻率、低噪聲指數的雙極性晶體管2sc3356，以提高vco電路頻譜近端的頻譜質(zhì)量。在起振電路后附加一級射隨器，以減小負載電路對起振電路的影響，從而獲得良好的性能。已調信號通過(guò)射隨器后，分為兩路，一路反饋至mc145170的fin端口，以構成鎖相回路，另一路送入后端的放大電路，以滿(mǎn)足系統的輸出功率要求。

鎖相穩頻電路
---鑒相器是穩定頻率的核心部分，該部分由數字鑒相-鑒頻集成芯片mc145170和環(huán)路低通濾波器組成，如圖6所示。

標準晶體振蕩器選用morion公司的溫補晶振mv68系列(10mhz)，頻率偏差小于5