基于压控振荡器的调频信号发生器设计

米欢++付麦霞++廉飞宇++丁文龙++于玄

摘要：頻率调制技术是在调制过程中使已调信号的频率随调制信号变换，其在军事通讯和生活中等各个方面有着至关重要的作用。本文以调频技术的原理和应用为切入点，利用硬件电路仿真平台Multisim 3.0对基于压控振荡器的调频信号发生器进行了设计和仿真分析。为了得到好的调制效果，利用锁相环路构成一种两点调制的宽带FM调制器，从而获得质量较高的FM信号。本文的研究工作对于实现高稳定性和宽谱调频信号发生器具有重要的现实指导意义。

关键词：频率调制；压控振荡器；Multisim3.0；两点调制

中图分类号：TJ768.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）16-0083-02

一、引言

在通信技术日益发展的今天，调频广播这一大众传媒正经历着来自电视及互联网等诸多领域的冲击，但在一些移动工具（例如汽车内）及开阔环境，调频广播仍具有不可替代的地位。其中，频率调制技术是一种适用于远距离话音信号传播的调制方式，其在军事通讯方面至关重要。在生活中，频率调制技术的应用也使我们的生活更加方便、有趣，比如家庭电台、婴儿监护器等。利用压控振荡器设计调频信号发生器的方法多种多样[1]，最常见的方法是直接将集成压控振荡器当作一个调频信号发生器，这属于传统的施密特触发器型集成压控振荡电路[2]。由于正反馈的滞后现象，施密特触发器能有效的滤除一部分噪声，是一种低频宽带通用压控振荡器。除此以外，还有电容交叉充电型和定时器型的集成压控振荡器[3]。交叉充电式压控振荡器由于其自身电路特性而不可避免具有延时缺点，另外，它对部分器件的要求过高。而定时器型压控振荡器所用模块过多，使整体功耗增加。本文利用Multisim仿真平台设计基于压控振荡器的调频电路[4]，采用的压控振荡器是普通的正弦波型。利用压控振荡器针对高频信号的独特优势，直接产生频率调制信号，调频信号的频率跟随输入信号的变化而产生变化，从而获得较宽的调频带宽和较好的特性。

二、设计原理及仿真分析

频率调制技术（FM—Frequency Modulation）是一种模拟信号调制技术，其特点是频率随调制信号的频率而变化，本质上是一种角度调制，在频域对应频谱的非线性变换。本文通过锁相环路构成一种两点调制的宽带FM调制器。两点调制技术是一路音频去调变容二极管，另一路音频去调参考晶振的调制技术，然后运用锁相环调制器从而可以获得质量较高的FM信号。用这种方式获取FM信号时，需要相位比较器、环路滤波器和压控振荡器。相位比较器的功能是计算两个输入信号的相位差，这个功能利用模拟乘法器来实现。环路滤波器实际上是一个低通滤波器，通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器。本文利用电阻R和电容C实现环路滤波的功能。压控振荡器的振荡频率受输入信号控制，输入与输出之间呈线性关系。为了满足锁相环路的要求，其自由振荡频率应设定在最终锁定频率附近。结合本研究中的载波振荡频率为30KHz，因此设定自由振荡频率为30KHz。本文设计的压控振荡器包括LC振荡电路、基本放大电路、锁相环路[5]、高频功放电路各个模块的设计。其中，基本放大电路采用A类信号放大器在幅度上放大输入信号，而保持频率、形状等其他信号特性不变。本设计利用三极管实现该单元功能，通过设计三极管的偏置电压来使三极管工作在放大状态。载波产生电路的目的是产生一个高频正弦信号，采用LC振荡电路利用电感和电容的谐振特性，将直流信号变为有一定幅度、一定频率的交流信号。调频波产生电路是整个电路的核心，本文通过构建锁相环路构成两点调制的宽带FM调制器从而获得质量更高的FM信号。倍频放大电路的作用是整倍数放大信号的频率，设计信号频率使之工作在需要的频段上。本文利用模拟乘法器实现倍频器的作用，即保持信号形状不变的情况下整倍数的放大频率，提高其抗干扰能力，同时使其能够满足更远距离的传输。本文用到的是硬件电路仿真平台Multisim3.0。该仿真平台可以通过元器件库挑选所需要用到的元件，放置在上图所示的工作区域，并通过连接各元件的接口绘制电路图。操作简单便捷，且仿真功能强大。同时该平台配备有各种测量仪器，方便电路设计过程中各点数据的测量，使仿真过程更加简易，操作性更强。

图1是基于压控振荡器的调频信号发生器整体Multisim仿真电路图。基本放大电路中的Q1（三极管）是型号为2SC1815的PNP管。通过示波器的波形可以观察到在放大的信号中有直流分量，所以在整体电路设计中，在此单元的输出端添加滤波电路。载波产生电路中设定频率为5MHz，调节L1的参数，可在小范围内调节振荡频率。调整R1、R2、R3、R4的数值，使三极管Q1工作在放大状态，适当增大基极和射极间的极间电压，使其接近三极管Q1的偏置电压可以使其工作特性相对稳定，减少波峰和波谷处的失真，使振荡电路产生的波形更接近正弦形，但相应的放大倍数会减小。压控振荡器的振荡频率受输入信号控制，输入与输出之间呈线性关系。为了满足锁相环路的要求，其自由振荡频率应设定在最终锁定频率30KHz。

三、结论

频率调制（Frequency Modulation）技术是一种使信号更便于远距离传播的技术，其特点是在调制过程中，已调信号的频率随调制信号变换。本文以调频技术的原理和应用为切入点，利用硬件电路仿真平台Multisim 3.0对基于压控振荡器的调频信号发生器进行了仿真分析。整个信号发生器由LC振荡电路、基本放大电路、锁相环路、高频功放电路等模块组成。为了得到好的调制效果，利用锁相环路构成一种两点调制的宽带FM调制器，从而获得质量较高的FM信号。本文的研究工作对于实现高稳定性和宽谱调频信号发生器具有重要的现实指导意义。

参考文献：

[1]孙德田，何泉，崔嵬，韩月秋.多功能调频信号发生器的研制[J].现代电子技术，2002，（2）：48-51.

[2]穆辛，周新田，张慧慧，金锐，刘钺杨，吴郁.一种施密特触发器型压控振荡器的设计与仿真[J].电子科技，2014，（4）：58-63.

[3]唐长文.电容电感压控振荡器[D].复旦大学，2004.

[4]黄智伟.基于NI Multism的电子电路计算机仿真设计与分析[M].北京：电子工业出版社，2009.

[5]李峰，郭德淳.使用VCO实现变容二极管直接调频[J].今日电子，2005，（3）：62-64.