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变容二极管调频振荡器实验报告变容二极管调频振荡器实验报告引言：调频振荡器是一种能够产生高频信号的电路，广泛应用于无线通信、广播电视等领域。
本实验旨在通过使用变容二极管构建调频振荡器电路，探究其工作原理和特性。
实验步骤：1. 实验准备：准备好所需的实验器材和元件，包括变容二极管、电容、电阻等。
2. 搭建电路：按照实验指导书上的电路图，将元件连接起来，确保连接正确无误。
3. 调节元件：根据实验要求，逐步调节电容、电阻的数值，观察振荡器的输出频率变化。
4. 测量数据：使用示波器等仪器测量振荡器的输出频率、幅度等参数，并记录下来。
5. 分析结果：根据实验数据，分析振荡器的工作特性和性能。
实验结果：在实验过程中，我们逐步调节了电容和电阻的数值，观察到振荡器的输出频率发生了变化。
通过测量和记录数据，我们得到了如下结果：1. 输出频率与电容的关系：我们发现，当电容的数值增大时，振荡器的输出频率也随之增大。
这是因为电容的变化会影响振荡电路的谐振频率，从而改变振荡器的输出频率。
2. 输出频率与电阻的关系：我们进一步调节了电阻的数值，发现振荡器的输出频率与电阻的变化关系不明显。
这是因为电阻主要影响振荡器的幅度稳定性，而不太会对输出频率产生明显影响。
3. 振荡器的稳定性：我们观察到，在一定范围内，振荡器的输出频率相对稳定，但当电容或电阻的数值超出一定范围时，振荡器的输出频率会发生明显的偏移或失去振荡。
这说明振荡器的稳定性受到电容和电阻的限制。
4. 输出信号的波形：通过示波器观察，我们发现振荡器的输出信号呈现正弦波形，且幅度相对稳定。
这是因为振荡器的电路结构决定了其输出信号为周期性的正弦波。
讨论与总结：通过本次实验，我们深入了解了变容二极管调频振荡器的工作原理和特性。
我们发现，电容和电阻的变化对振荡器的输出频率和稳定性有着重要影响。
在实际应用中，我们可以根据需求调节电容和电阻的数值，实现不同频率的振荡器。
同时，我们也了解到振荡器的稳定性是一个需要注意的问题，过大或过小的电容和电阻数值都可能导致振荡器无法正常工作。
前言在数字化，信息化的时代，数字集成电路应用的非常广泛。
随着微电子技术与工艺的发展，数字集成电路从电子管，晶体管，做成小规模集成电路。
在现在这个高科技的时代，数字技术越来越受到了人们的关注，越来越多的人开始使用数字技术。
数字技术不仅在计算机、通信、雷达、卫星电视、测量仪表、宇航、医学及生物工程等学科领域获得普遍应用，而且遍及人们日常生活中的各个方面，如交通自动控制、程控电话全电子交换系统、可视电话、家庭炊具自动控制等。
我们所学的《高频电子线路》课程是理工科电子、电气和通信类本科专业的一门主干专业基础课程，它涵盖了通信和电子线路的主要内容，在这些专业中占有基础性的地位，同时也是一门工程性和实践性很强的专业基础课程，随着现代通信技术和无线电技术的发展，《高频电子线路》的教学内容不断充实、教学体系不断更新。
目前高频电子线路理论仍在不断充实与发展，越来越多的应用到其它学科领域。
本课程是电子、信息、通信类等专业重要的技术基础课，主要讲述模拟通信功能电路的基本原理及实现方法。
各个功能电路虽然经历了电子管、晶体管、场效应、集成电路及大规模集成系统等不同的实现过程，但是各个功能电路输入信号与输出信号的频谱变换关系是没有变化的，即基本原理不变。
《高频电子线路》是研究模拟通信功能电路的工作原理与分析方法。
培养我们能在电子信息科学与技术、计算机科学与技术及相关领域从事科学研究、教学、科技开发、产品设计工作的能力。
主要内容包括:高频小信号谐振放大器、高频功率放大器、正弦波振荡器、频谱的线性搬移电路、振幅调制、解调与混频、频率调制与解调、锁相环路和数字调制与解调等。
其中变容二极管是利用PN结的电容随外加偏压而变化这一特性制成的非线性电容元件，被广泛地用于参量放大器，电子调谐及倍频器等微波电路中，变容二极管主要是通过结构设计及工艺等一系列途径来突出电容与电压的非线性关系，并提高Q值以适合应用。
许多中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振荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。
中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题目：压控振荡器设计学习中心：重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心年级专业：0409级电气工程及自动化学生姓名：王海龙学号：0451480351 指导教师：韩亚军职称：讲师导师单位：重庆信息工程专修学院中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间：年月日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员王海龙1．设计(论文)题目：压控震荡器的设计2．学生完成设计(论文)期限：年月日至年月日3．设计(论文)课题要求：（1）在开放的ISM和短距离装置(SRD)频段上工作的发射器和接收器都需要高性能的压控振荡器(VCO)。
（2）将MOS晶体管的漏，源和衬底短接便可成为一个简单的MOS电容，其电容值随栅极与衬底之间的电压VBG变化而变化。
（3）压控振荡器(VCO)的频率随着作用在其调谐端口的电压而改变，在锁相环内(PLL)，VCO为超外差接收机内部的频率转换提供稳定的本振(LO)信号。
4．实验（上机、调研）部分要求内容：（1）根据任务书的设计要求，收集、检索相关资料。
（2）整理资料、撰写开题报告，提交指导老师进行修改。
开始撰写论文的初稿，做相关实验并获取相关数据。
（3）与指导老师再次进行对所撰写的论文进行讨论，并做修订，再次核对实验数据，进行论文格式的规范，交稿、打印、装订。
5．文献查阅要求：[1] 王志功.光纤通信集成电路设计［M］. 高等教育出版社，2003[2] 稻叶保.振荡电路的设计与应用. 西安：西安交通大学出版社，2004年9月[3] 拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M] .西安：西安交通大学出版社，2003年9月6．发出日期：年月日7．学员完成日期：年月日指导教师签名：学生签名：摘要当控制电压由0.75V变到2V时，振荡频率变为4.77GHz，相位噪声变为 -135dB/Hz，降低了7dB。
这是由两个方面的原因引起的，首先是由于LC振荡回路总的电容减小，振荡频率增加，这就减小了要维持振荡所需的负跨导，但因为两个NMOS晶体管提供的负跨导几乎不变，所以就使得稳定振荡幅度增加，相位噪声减小。
![[课程设计]变容二极管](https://img.taocdn.com/s1/m/467f2a66783e0912a2162a5d.png)
摘要 (2)1 设计方案与电路 (2)1.1 电路设计原理 (2)1.2 电路的设计方案与主要技术要求 (3)1.3 电路设计 (3)1.4 主振电路设计原理分析 (4)1.5 变容二极管直接调频电路 (4)1.6 FM调制原 (5)1.7 变容二极管频率调制的原理 (6)2 电路工作分析 (8)2.1 谐振回路总电容 (8)2.2 回路总电容变化量 (8)2.3 调制灵敏度 (8)3 电路元器件参数设置 (9)3.1 LC震荡电路直流参数设置 (9)3.2 变容管调频电路参数设置 (9)3.3 放大电路参数设置 (10)3.4 调制信号的幅度计算 (10)4 课程答辩 (10)4.1 图1.1中的振荡器为何种类型的振荡器? (10)4.2 图1.1中LC振荡器产生的主振频率为多少? (10)4.3 图1.1中变容管和C3之间的节点对地的点位为多少? (10)5 课程设计体会 (11)致谢 (11)参考文献 (11)随着电子与通信技术的不断进步，各种新兴电子产品的开发速度越来越快。
现代计算机技术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出现了二个分支。
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的数十倍，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，在接收机中存在着通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，应用最广泛的是采用变容二极管直接调频技术，即利用二极管反偏工作的PN 结呈现的势垒电容，它与回路中的电感共同构成振荡器的振荡回路，从而作为振荡频率直接调频电路。
课程名称通信电子线路实验项目变容二极管调频振荡器成绩学院信息专业通信工程学号姓名李越实验时间 2016.06.04实验室 3501 指导教师谢汝生1.实验目的1.熟悉变容二极管调频振荡器电路原理及构成。
2.了解调频器调制特性及测量方法。
2.实验设备1.双踪示波器（RIGOL DS5062CA数字存储示波器）2.频率计（AT-F1000-C数字频率计）3.万用表（DT9205数字万用表）4.清华科教TPE-GP2型高频电路实验箱及G4实验板3.实验电路及基本原理分析实验原理：在调制中，载波信号的频率或相位随调制信号而变，称为调频（FM）或调相（PM)，在这两种调制过程中，载波信号的幅度都保持不变，而频率或相位的变化都表现为相角的变化，故二者统称为角度调制或调角。
调频就是用调制信号电压去控制载波的频率，可分为直接调频和间接调频两种。
直接调频就是用调制电压直接去控制载波振荡器的频率，产生调频信号。
间接调频就是保持振荡器的频率不变，而用调制电压去改变载波输出的相位，即调相。
变容二级管是利用半导体PN结的结电容随外加反向电压而变化的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，在其PN结上反偏压越大，则结电容越小。
若将变容二极管接在谐振电路两端作为回路振荡电容，使其反向偏压受调制信号的控制，则其容值随调制信号电压的变化而变化，整个振荡器的回路的振荡频率将随着调制信号的变化而变化，从而得变容二极管调频振荡器。
本实验所用电路如图所示，为变容二极管部分接入振荡回路的直接调频电路。
变容二极管全部接入作为回路的总电容时，其最大的优点是调制信号对振荡频率的调变能力强，即调制灵敏度高，较小的调制度就能产生较大的相对频偏，但同时因温度等外界因素变化引起的载波频率不稳定也必然相对增加。
为了克服上述缺点，采用变容二极管部分接入振荡回路的直接调频电路，此时由于变容二极管仅是回路总电容的一部分，因而调制信号对振荡频率的调变能力将比变容二极管全部接入时小，但因温度等变化引起的载波频率不稳定的情况却有较大改善，载波频率稳定度有较大提高。
实验九：压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator）**一、实验目的：1.了解变容二极管的基本原理与压控振荡器的设计方法。
2.利用实验模组的实际测量使学生了解压控振荡器的特性。
3.学会使用微波软件对压控振荡器进行设计和仿真，并分析结果。
二、预习内容：1．熟悉VCO的原理的理论知识。
2．熟悉VCO的设计的有关的理论知识。
三、实验设备：四．理论分析：变容二极管理论分析：一个射频压控振荡器电路大致上与振荡器相同，唯有谐振电路稍有不同。
设计上是利用变容二极管（Varator）的电特性来完成利用电压控制振荡器输出频率的设计要求。
振荡器的基本理论与设计方法已于实验八陈述，故本实验仅就变容二极管的电特性与振荡器谐振电路的不同之处加以说明。
（一）变容二极管（Varator）的电特性常见的变容二极管可分成三类：线性缓变结（Graded Junction）、突变结（Abrupt Junction）、超突变结（Hyper Abrupt Junction）。
其间的主要差异在于个别的N型（N-type）中杂质（Donor）浓度分布曲线不同而造成其电容指数值（Characteristic Exponent，r）的不同，导致其容值-电压对数曲线图（C-V Curve）的差异。
其中线性缓变结的变容二极管以其电容变率较小而最不常被采用；而突变结具有相当高的Q值，得使VCO具有较低的相位噪声（Phase Noise）特性，且其调整电压（Tuning V oltage）的范围也比较宽，大约在0~60V之间。
至于超突变结以其较线性的电压－电容特性，可以提供比突变结更佳的调整电压线性度，故此类型的变容二极管是宽频段VCO的最佳选择。
一般应用上，可以使VCO的输出频率在变化一倍频的情况下，其调整电压变化范围可以控制在20V以下。
然而，因为此类型变容二极管的Q值较突变结为低，所以使得应用此类型变容二极管设计的VCO的相位噪声特性较突变结的高些。
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变容二极管压控振荡器
摘要
振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。
根据所产生的波形的不同，可将振荡器分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。
压控振荡器（VCO）是利用电抗元件的等效电抗值能随外加电压变化特点，将其接入正弦振荡器中，使振荡频率随外加控制电压而变化，VCO在频率调制，频率合成，锁相环电路，电视解调器，频谱分析仪等方面有广发应用。
变容二极管振荡器是利用变容二极管制成的VCO。
本课题主要是运用变容二极管PN结电容随外加电压变化而变化制成的VCO。
关键词：压控，变容二极管，调频
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目录
1 课题描述 (3)
2 设计原理 (3)
3 设计过程 (4)
3.1压控振荡器介绍 (4)
3.2设计内容 (5)
3.3设计步骤 (6)
4 设计结果及分析 (8)
总结 (9)
参考文献 (10)
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1 课题描述
在电子设备中，压控振荡器的应用极为广泛，如彩色电视接收机高频头中的本机振荡电路、各种自动频率控制(AFC)系统中的振荡电路、锁相环路(PLL)中所用的振荡电路等均为压控振荡器以及用于各种发射机载波源、扩频通讯载波源或作为混频器本振源。
振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。
本课题主要是运用变容二极管PN 结电容随外加电压变化而变化制成的VCO 。
2 设计原理
利用变容管结电容j C 随反向偏置电压VT 变化而变化的特点(VT=0V 时j C 是最大值，一般变容管VT 落在2V-8V 压间，j C 呈线性变化，VT 在8-10V 则一般为非线性变化，如图1所示，VT 在10-20V 时，非线性十分明显），结合低噪声振荡电路设计制作成为振荡器，当改变变容管的控制电压，振荡器振荡频率随之改变，这样的振荡器称作压控振荡器（VCO ）。
压控振荡器的调谐电压VT 要针对所要求的产品类别及典型应用环境(例如用户提供调谐要求，在锁相环使用中泵源提供的输出控制电压范围等)来选择或设计，不同的压控振荡器，对调谐电压VT 有不同的要求，一般而言，对调谐线性有较高要求者，VT 选在1-10V ，对宽频带调谐时，VT 则多选择1-20V 或1-24V 。
图1为变容二极管的V －C 特性曲线。
Cj(PF)
T (V)
线形段
非线段
8
10
图2.1变容二极管的V －C 特性曲线
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3 设计过程
3.1压控振荡器介绍
3.1.1 压控振荡器的基本参数
1． 工作频率：规定调谐电压范围内的频率范围称作工作频率，通常单位为“MHz ”或“GHz ”。
2 输出功率：在工作频段内输出功率标称值，用Po 表示。
通常单位为“mw dB ”。
3 输出功率平稳度：指在输出振荡频率范围内，功率波动最大值，用△P 表示，通常单位为“mw dB ”。
4 调谐灵敏度：定义为调谐电压每变化1V 时，引起振荡频率的变化量，用MHz/ △VT 表示，在线性区，灵敏度最高，在非线性区灵敏度降低。
5 谐波抑制：定义在测试频点，二次谐波抑制=10Log(P 基波/P 谐波)( mw dB )
6 推频系数：定义为供电电压每变化1V 时，引起的测试频点振荡频率的变化量，用MHz/V 表示。
7 相位噪声：可以表述为，由于寄生寄相引起的杂散噪声频谱，在偏移主振0f 为m f 的带内，各杂散能量的总和按fin 平均值+15f0点频谱能量之比，单位为C dB /Hz ；相位噪声特点是频谱能量集中在0f 附近，因此fm 越小，相噪测量值就越大，目前测量相噪选定的m f 有离0f 1KHz 、10KHz 和100KHz 几种，根据产品特性作相应规定。
产生相噪的因素主要是寄生寄相，但影响寄生寄相的因素较多，较为复杂，不同VCO 产品在提高相噪指标方面都会采取相应设计思路和工艺措施。
8 3dB 调制带宽：是指特定用途的VCO 在作调频使用时，调制信号(视频)为1V P －P 时，产生的调频频带宽度，主要由双端压控作调频时用户的要求作出设计。
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3.1.2压控振荡器特点
输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路,常以符号(VCO)(Voltage Controlled Oscillator)。
其特性用输出角频率与 输入控制电压c U 之间的关系曲线(图1)来表示。
图1中,c U 为零时的角频率0ω,0称为自由振荡角频率；曲线在0ω,0处的斜率0k 称为控制灵敏度。
使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。
在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。
人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。
在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。
图3.1压控震荡器的控制特性
在电子设备中，压控振荡器的应用极为广泛，如彩色电视接收机高频头中的本机振荡电路、各种自动频率控制(AFC)系统中的振荡电路、锁相环路(PLL)中所用的振荡电路等均为压控振荡器。
振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。
3.2 设计内容
设计采用变容二极管实现U-C 控制的压控振荡器（VCO ），其为调频电路，中心载波c f =360MHZ ，其相应的高频振荡器为电容三点式。
并设置完善的变容二极管直流偏置电路与基带信号对载波的控制电路。
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3.3 设计步骤
静态电容n B Q j j U U C C )1()
0(÷+= （3.1）
结电容调制度为m U m Ω=()Q B
U U
+<1 （3.2）
回路频率Q LC f επ2(1
0=) （3.3）
设计电路图如下：
图3.2变容二极管压控振荡器
通过改变滑动变阻器5R 控制ΩU 大小，以改变变容二极管的电压从而改变其电阻，由Q LC f επ2(1
0=)可知当C 变化时，
f 将随其发生变化。
其中1C , 2C 与变容二极管组成电容三点式高频振荡回路。
3C ，4C ，5C 起隔直流通交流，去除高频分量的作用。
高扼圈其隔高频，通直流，通音频的作用。
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3.4 单元分块电路介绍
由电路图得到等效电路变容二极管直流偏置电路图：
图3.3晶体管偏置电路
由于变容二极管的反向电阻很大，因而可以将和它串联的小电阻做近似短路处理。
并将与变容二极管有关的电容开路，电感短路。
低频控制回路等效电路图：
图3.4低频控制回路
4.设计结果及分析
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谐振回路总等效电容由三个电容串联而成，所以静态时总电容为
Q C ∑ =1/(1/C 1+1/ C 2+1/ C j Q )≈0.3279pF （4.1）
又因为中心振荡频率为
f 0=1/[2π(L Q C ∑)-2]=360MHz （4.2）
所以
L=1/(2πf 0)2 Q C ∑≈0.596μH （4.3）
又
J C =IQ C /[1+U Ωm /t Cos U U Q B Ω+]n （4.4）
所以
max i C ≈32.74pF m in j C ≈13.10pF
m ax ∑C =1/(1/ C 1+1/ C 2+1/ max i C ) ≈0.330pF （4.5）
min ∑C =1/(1/ C 1+1/ C 2+1/ m in j C ) ≈0.325pF （4.6）
所以
F 0min =1/[2π(L Q C ∑)-2] ≈358.87MHz F 0max =1/[2π(L Q C ∑)-2] ≈361.62MHz
另外角频偏部分有
△w(t)=nxw c /2= n μΩw c /2（Q b U U +） （4.7）
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总结
通过该课程设计，我掌握了变容二极管压控振荡器的设计原理以及设计步骤，电路中对各个元件的选取和各元件的在电路中所起的作用，对理论知识与实际当中的运用有了更深刻的认识。
在本次课程设计，我有很大的收获，这不仅仅是理论知识上的完善，而且实践能力和动手能力有了质的飞跃!设计中，我自感知识的缺陷，不断的上网查阅资料，翻阅各类相关书籍，自己动手，自己设计，让我的思维逻辑更加清晰。
在上机操作中，靠这次设计我熟练掌握了VCO设计，基本工作原理，将理论变为实际开了一个好头。
通过对VCO的设计明白了其性能和在实际当中的关键作用，让我明白电路设计是极富乐趣的事情。
同时在这次课程设计过程中，我发现了自己对知识综合应用能力的欠缺，以及对理论知识不够深刻了解，在以后的学习中，我会努力扎实基本功，同时重视实践，二者结合，更有效地学习这门课程。
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参考文献
[1] 沈伟慈，等.通信电路.2版.西安：电子科技大学出版社，2000
[2] 杨素行，等.模拟电子技术基础简明教程. 3版.北京：高等教育出版社，2009
[3] 沈伟慈，等.高频电路.4版.西安：电子科技大学出版社，2009
[4] 康华光，等.模拟电路.3版.北京：高等教育出版社，2009
[5] 吴大正，等.信号与系统分析.4版.北京：高等教育出版社，2009。
