基于壓控振蕩器的調頻信號發生器設計

米歡++付麥霞++廉飛宇++丁文龍++于玄

摘要：頻率調制技術是在調制過程中使已調信號的頻率隨調制信號變換，其在軍事通訊和生活中等各個方面有著至關重要的作用。本文以調頻技術的原理和應用為切入點，利用硬件電路仿真平臺Multisim 3.0對基于壓控振蕩器的調頻信號發生器進行了設計和仿真分析。為了得到好的調制效果，利用鎖相環路構成一種兩點調制的寬帶FM調制器，從而獲得質量較高的FM信號。本文的研究工作對于實現高穩定性和寬譜調頻信號發生器具有重要的現實指導意義。

關鍵詞：頻率調制；壓控振蕩器；Multisim3.0；兩點調制

中圖分類號：TJ768.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）16-0083-02

一、引言

在通信技術日益發展的今天，調頻廣播這一大眾傳媒正經歷著來自電視及互聯網等諸多領域的沖擊，但在一些移動工具（例如汽車內）及開闊環境，調頻廣播仍具有不可替代的地位。其中，頻率調制技術是一種適用于遠距離話音信號傳播的調制方式，其在軍事通訊方面至關重要。在生活中，頻率調制技術的應用也使我們的生活更加方便、有趣，比如家庭電臺、嬰兒監護器等。利用壓控振蕩器設計調頻信號發生器的方法多種多樣[1]，最常見的方法是直接將集成壓控振蕩器當作一個調頻信號發生器，這屬于傳統的施密特觸發器型集成壓控振蕩電路[2]。由于正反饋的滯后現象，施密特觸發器能有效的濾除一部分噪聲，是一種低頻寬帶通用壓控振蕩器。除此以外，還有電容交叉充電型和定時器型的集成壓控振蕩器[3]。交叉充電式壓控振蕩器由于其自身電路特性而不可避免具有延時缺點，另外，它對部分器件的要求過高。而定時器型壓控振蕩器所用模塊過多，使整體功耗增加。本文利用Multisim仿真平臺設計基于壓控振蕩器的調頻電路[4]，采用的壓控振蕩器是普通的正弦波型。利用壓控振蕩器針對高頻信號的獨特優勢，直接產生頻率調制信號，調頻信號的頻率跟隨輸入信號的變化而產生變化，從而獲得較寬的調頻帶寬和較好的特性。

二、設計原理及仿真分析

頻率調制技術（FM—Frequency Modulation）是一種模擬信號調制技術，其特點是頻率隨調制信號的頻率而變化，本質上是一種角度調制，在頻域對應頻譜的非線性變換。本文通過鎖相環路構成一種兩點調制的寬帶FM調制器。兩點調制技術是一路音頻去調變容二極管，另一路音頻去調參考晶振的調制技術，然后運用鎖相環調制器從而可以獲得質量較高的FM信號。用這種方式獲取FM信號時，需要相位比較器、環路濾波器和壓控振蕩器。相位比較器的功能是計算兩個輸入信號的相位差，這個功能利用模擬乘法器來實現。環路濾波器實際上是一個低通濾波器，通常由電阻、電容或電感等組成，有時也包含運算放大器。本文利用電阻R和電容C實現環路濾波的功能。壓控振蕩器的振蕩頻率受輸入信號控制，輸入與輸出之間呈線性關系。為了滿足鎖相環路的要求，其自由振蕩頻率應設定在最終鎖定頻率附近。結合本研究中的載波振蕩頻率為30KHz，因此設定自由振蕩頻率為30KHz。本文設計的壓控振蕩器包括LC振蕩電路、基本放大電路、鎖相環路[5]、高頻功放電路各個模塊的設計。其中，基本放大電路采用A類信號放大器在幅度上放大輸入信號，而保持頻率、形狀等其他信號特性不變。本設計利用三極管實現該單元功能，通過設計三極管的偏置電壓來使三極管工作在放大狀態。載波產生電路的目的是產生一個高頻正弦信號，采用LC振蕩電路利用電感和電容的諧振特性，將直流信號變為有一定幅度、一定頻率的交流信號。調頻波產生電路是整個電路的核心，本文通過構建鎖相環路構成兩點調制的寬帶FM調制器從而獲得質量更高的FM信號。倍頻放大電路的作用是整倍數放大信號的頻率，設計信號頻率使之工作在需要的頻段上。本文利用模擬乘法器實現倍頻器的作用，即保持信號形狀不變的情況下整倍數的放大頻率，提高其抗干擾能力，同時使其能夠滿足更遠距離的傳輸。本文用到的是硬件電路仿真平臺Multisim3.0。該仿真平臺可以通過元器件庫挑選所需要用到的元件，放置在上圖所示的工作區域，并通過連接各元件的接口繪制電路圖。操作簡單便捷，且仿真功能強大。同時該平臺配備有各種測量儀器，方便電路設計過程中各點數據的測量，使仿真過程更加簡易，操作性更強。

圖1是基于壓控振蕩器的調頻信號發生器整體Multisim仿真電路圖。基本放大電路中的Q1（三極管）是型號為2SC1815的PNP管。通過示波器的波形可以觀察到在放大的信號中有直流分量，所以在整體電路設計中，在此單元的輸出端添加濾波電路。載波產生電路中設定頻率為5MHz，調節L1的參數，可在小范圍內調節振蕩頻率。調整R1、R2、R3、R4的數值，使三極管Q1工作在放大狀態，適當增大基極和射極間的極間電壓，使其接近三極管Q1的偏置電壓可以使其工作特性相對穩定，減少波峰和波谷處的失真，使振蕩電路產生的波形更接近正弦形，但相應的放大倍數會減小。壓控振蕩器的振蕩頻率受輸入信號控制，輸入與輸出之間呈線性關系。為了滿足鎖相環路的要求，其自由振蕩頻率應設定在最終鎖定頻率30KHz。

三、結論

頻率調制（Frequency Modulation）技術是一種使信號更便于遠距離傳播的技術，其特點是在調制過程中，已調信號的頻率隨調制信號變換。本文以調頻技術的原理和應用為切入點，利用硬件電路仿真平臺Multisim 3.0對基于壓控振蕩器的調頻信號發生器進行了仿真分析。整個信號發生器由LC振蕩電路、基本放大電路、鎖相環路、高頻功放電路等模塊組成。為了得到好的調制效果，利用鎖相環路構成一種兩點調制的寬帶FM調制器，從而獲得質量較高的FM信號。本文的研究工作對于實現高穩定性和寬譜調頻信號發生器具有重要的現實指導意義。

參考文獻：

[1]孫德田，何泉，崔嵬，韓月秋.多功能調頻信號發生器的研制[J].現代電子技術，2002，（2）：48-51.

[2]穆辛，周新田，張慧慧，金銳，劉鉞楊，吳郁.一種施密特觸發器型壓控振蕩器的設計與仿真[J].電子科技，2014，（4）：58-63.

[3]唐長文.電容電感壓控振蕩器[D].復旦大學，2004.

[4]黃智偉.基于NI Multism的電子電路計算機仿真設計與分析[M].北京：電子工業出版社，2009.

[5]李峰，郭德淳.使用VCO實現變容二極管直接調頻[J].今日電子，2005，（3）：62-64.