使用VCO實現變容二極管直接調頻(圖)

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

---調頻廣播具有抗干擾性能強、聲音清晰等優點，獲得了快速的發展。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，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，聲音質量大為提高。
---許多中小功率的調頻發射機都采用變容二極管直接調頻技術，即在工作于發射載頻的lc振蕩回路上直接調頻，采用晶體振蕩器和鎖相環路來穩定中心頻率。較之中頻調制和倍頻方法，這種方法的電路簡單、性能良好、副波少、維修方便，是一種較先進的頻率調制方案。 

變容二極管直接調頻原理
---二極管通過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，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，結電容可用下式來表示：，其中，vd為pn結內建電位差，cj0為外加反向電壓u=0時的結電容，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程中保持反向偏壓，必須加上一個大于調制信號振幅的反向直流偏壓e0。所以在單音調制時，變容二極管上的電壓u=e0+uωcosωt，得到結電容變化規律為(見本期雜志）
---式中，稱為電容調制度，
---為靜態工作點時的結電容。
---則振蕩回路的諧振角頻率為：(見本期雜志）
---式中，是未受調制時的振蕩角頻率，即載波角頻率。將式中作為變量，并在處展開為泰勒級數，得到：(見本期雜志）
---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，實現線性調頻。

鎖相穩頻技術
---對于變容二極管直接調頻電路來說，由于調制器是由普通的lc自激振蕩器和并聯的變容二極管組成，所以有很多因素會引起振蕩頻率發生變化，這些因素包括變容二極管的非線性、電源電壓的變動、負載的變化、溫度等環境條件的變化、電路元器件老化、機械振動等。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，還應當采用自動相位控制電路使中心頻率穩定在規定范圍以內。

---圖3是典型的鎖相穩頻電路的結構框圖。共包括四個部分：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，對其進行頻率調制，經過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過分頻后得到的基準信號進行比較，實現相位鎖定。鑒相器的輸出信號經過環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頻率總是偏離其基準值，而環路的功能就是要抑制這種頻偏，這就產生了一個矛盾。為了解決這個矛盾，應該使調制信號的頻譜處于環路通帶之外，也就是需要在鑒相器和壓控振蕩器之間加一個低通濾波器，將其濾除。環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，已調信號在中心頻率附近很小的一個頻偏范圍內變化。

主要電路工作原理
---本電路實際上是一個小功率調頻發射機，其調制部分采用了變容二極管直接調頻技術，主要功能是實現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)，要求實現最大頻偏為75khz，其框圖如圖4所示。

---下面簡單分析一下各主要部分的工作原理。
 ● vco電路
---vco電路是實現頻率調制與載波生成的關鍵性電路部分，其具體電路如圖5所示。

---4個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形式，通過電路的復雜性來換取性能的改善，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，再與一個電容c2并聯，構成回路總電容。這樣做不會改變變容二極管的調頻特性，雖然會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的中心頻率漂移問題，同時通過調整耦合電容c1的大小，可以保證變容二極管工作在線性區，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