由于調(diào)頻技術的諸多優(yōu)點，如調(diào)頻信號是恒包絡信號可以使用效率較高的C類功率放大器，抗干擾性能好，信噪比高等，在當前的移動通信系統(tǒng)中，調(diào)頻（FM）仍然是最普遍應用的模擬調(diào)制技術，各種調(diào)頻器仍有廣泛的應用前景。

本文針對這一問題，首先介紹了不同的調(diào)制技術，并對調(diào)頻技術做了細致討論；其次分析了三種不同的實現(xiàn)三角波調(diào)頻的方案，且就其中一種做了深入推導和討論，并設計出具體的電路；接著，在仿真軟件Multisim 10.0環(huán)境下，對所設計的三角波調(diào)頻電路進行了模擬并完成了各種數(shù)據(jù)和波形的測試；最后，對在電路設計和模擬過程中遇到的各種問題進行了總結(jié)。

各種仿波形及數(shù)據(jù)表明，該電路工作穩(wěn)定能實現(xiàn)三角波調(diào)頻，且輸出電壓穩(wěn)定、幅度較大，具有一定的應用前景。

1.1調(diào)制技術

調(diào)制技術就是把低頻分量豐富的不適合直接在信道中傳輸?shù)幕鶐盘栕儞Q成適合在信道中傳輸?shù)母哳l信號的技術?；鶐盘柺窃嫉碾娦盘?，在數(shù)字通信中則指相應的電脈沖。在無線遙測遙控系統(tǒng)和無線電技術中調(diào)制就是用基帶信號控制高頻載波的參數(shù)（振幅、頻率和相位），使這些參數(shù)隨基帶信號變化。用來控制高頻載波參數(shù)的基帶信號稱為調(diào)制信號。未調(diào)制的高頻電振蕩稱為載波（可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、脈沖序列等）。被調(diào)制信號調(diào)制過的高頻電振蕩稱為已調(diào)波或已調(diào)信號。已調(diào)信號通過信道傳送到接收端，在接收端經(jīng)解調(diào)后恢復成原始基帶信號。解調(diào)是調(diào)制的反變換。用基帶信號調(diào)制高頻載波，在無線電傳輸中可以減小天線尺寸，并便于遠距離傳輸。應用調(diào)制技術，還能提高信號的抗干擾能力。

調(diào)制方式按照調(diào)制信號的性質(zhì)分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩類；按照載波的形式分為連續(xù)波調(diào)制和脈沖調(diào)制兩類。模擬調(diào)制有調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)。數(shù)字調(diào)制有振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控(FSK)、移相鍵控(PSK)和差分移相鍵控(DPSK)等。脈沖調(diào)制有脈幅調(diào)制(PAM)、脈寬調(diào)制（PDM）、脈頻調(diào)制（PFM）、脈位調(diào)制(PPM)、脈碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制（ΔM）。

按照傳輸特性，調(diào)制方式又可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制。廣義的線性調(diào)制，是指已調(diào)波中被調(diào)參數(shù)隨調(diào)制信號成線性變化的調(diào)制過程。狹義的線性調(diào)制,是指把調(diào)制信號的頻譜搬移到載波頻率兩側(cè)而成為上、下邊帶的調(diào)制過程。此時只改變頻譜中各分量的頻率，但不改變各分量振幅的相對比例，使上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與調(diào)制信號的頻譜相同，下邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)則是調(diào)制信號頻譜的鏡像。狹義的線性調(diào)制有調(diào)幅(AM)、抑制載波的雙邊帶調(diào)制(DSB)和單邊帶調(diào)制(SSB)。

調(diào)制的實質(zhì)是頻譜的搬移，其作用和目的是：①將調(diào)制信號（基帶信號）轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號（頻帶信號）；②實現(xiàn)信道的多路復用，提高信道利用率；③減少干擾，提高系統(tǒng)抗干擾能力；④實現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。因此，調(diào)制對通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有很大影響。

模擬調(diào)制指調(diào)制信號和載波都是連續(xù)波的調(diào)制方式。它有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種基本形式。調(diào)幅(AM)：用調(diào)制信號控制載波的振幅，使載波的振幅隨著調(diào)制信號變化。已調(diào)波稱為調(diào)幅波。調(diào)幅波的頻率仍是載波頻率，調(diào)幅波包絡的形狀反映調(diào)制信號的波形。調(diào)幅系統(tǒng)實現(xiàn)簡單,但抗干擾性差,傳輸時信號容易失真。調(diào)頻(FM)：用調(diào)制信號控制載波的振蕩頻率，使載波的頻率隨著調(diào)制信號變化。已調(diào)波稱為調(diào)頻波。調(diào)頻波的振幅保持不變，調(diào)頻波的瞬時頻率偏離載波頻率的量與調(diào)制信號的瞬時值成比例。調(diào)頻系統(tǒng)實現(xiàn)稍復雜，占用的頻帶遠較調(diào)幅波為寬，但抗干擾性能好，傳輸時信號失真小，設備利用率也較高。調(diào)相(PM)：用調(diào)制信號控制載波的相位，使載波的相位隨著調(diào)制信號變化。已調(diào)波稱為調(diào)相波。調(diào)相波的振幅保持不變，調(diào)相波的瞬時相角偏離載波相角的量與調(diào)制信號的瞬時值成比例。在調(diào)頻時相角也有相應的變化，但這種相角變化并不與調(diào)制信號成比例。在調(diào)相時頻率也有相應的變化，但這種頻率變化并不與調(diào)制信號成比例。

在模擬調(diào)制過程中已調(diào)波的頻譜中除了載波分量外在載波頻率兩旁還各有一個頻帶，因調(diào)制而產(chǎn)生的各頻率分量就落在這兩個頻帶之內(nèi)。這兩個頻帶統(tǒng)稱為邊頻帶或邊帶。位于比載波頻率高的一側(cè)的邊頻帶，稱為上邊帶。位于比載波頻率低的一側(cè)的邊頻帶，稱為下邊帶。

本文中討論的三角波調(diào)頻電路就是將信息寄托在三角波的頻率中，使三角波的頻率隨調(diào)制信號變化而幅度保持恒定的一種模擬調(diào)頻方式。

1.2調(diào)頻波及調(diào)頻方法

在圖1.1中，正弦波為調(diào)制信號，三角波為調(diào)頻信號。當調(diào)制信號最大時，波形密集，當最小時，波形最稀疏，調(diào)頻波的瞬時頻率偏離載波頻率的量與調(diào)制信號的瞬時值成比例。因此調(diào)頻波是波形疏密變化的等幅波。調(diào)頻是將消息寄載在頻率上，也可以說調(diào)頻信號中消息是蘊藏于單位時間內(nèi)波形數(shù)目或者說零交叉點數(shù)目中。由于各種干擾足以主要表現(xiàn)在振幅上，而在調(diào)頻系統(tǒng)中，可以通過限幅器來消除這種干擾，因此FM波抗干擾能力較強。

圖1.1 調(diào)制信號與調(diào)頻信號波形對比

調(diào)頻方法分類

1. 直接調(diào)頻法

這種方法一般是用調(diào)制電壓直接控制振蕩器的振蕩頻率，使振蕩頻率按調(diào)制電壓的規(guī)律變化。若被控制的是LC振蕩器，則只需控制振蕩回路的某個原件（L或C），使其參數(shù)隨調(diào)制電壓變化，就可達到直接調(diào)頻的目的。若被控制的是張弛振蕩器，由于張弛振蕩器的振蕩頻率取決與電路中的充電或放電速度，因此，可以用調(diào)制信號去控制電容的充電或放電電流，從而控制張弛振蕩器的重復頻率。對張弛振蕩器調(diào)頻，產(chǎn)生的是非正弦波調(diào)頻信號，如三角波調(diào)頻信號、方波調(diào)頻信號等。

有各種不同的方法使LC振蕩回路的電容或電感隨輸入信號而變化，如駐極體話筒或電容式話筒。常用的方法是采用變?nèi)?a target="_blank">二極管，還可以采用電抗管（在變?nèi)荻O管問世前應用很廣泛，現(xiàn)在很少使用）等。用變?nèi)荻O管實現(xiàn)直接調(diào)頻，由于電路簡單、性能良好，已成為目前最廣泛才用的調(diào)頻電路之一。

在直接法調(diào)頻中，振蕩器與調(diào)制器合二為一。這種方法的主要優(yōu)點是在實現(xiàn)線性調(diào)頻的要求下，可以獲得較大的頻偏，其主要缺點是頻率穩(wěn)定度差，在許多場合需對載頻采取穩(wěn)頻措施或者對晶體振蕩器進行直接調(diào)頻。

2. 間接調(diào)頻法

這種方法是先將調(diào)制信號積分，然后對載波進行調(diào)相。這種方法也稱為阿姆斯特朗（Armstrong）法。

間接調(diào)頻的調(diào)制器與振蕩器分開，對振蕩器影響小，可以用高穩(wěn)定的振蕩器，產(chǎn)生的調(diào)頻波其頻率穩(wěn)定度高。但一般為了作到線性調(diào)相，最大相偏較小，因而產(chǎn)生的調(diào)頻波的最大頻偏不能做得很大。為了得到大的頻偏，通過倍頻的方法可以將頻偏擴大。因此，間接調(diào)頻的設備一般比較復雜。

按照上述分類方法，本文所要實現(xiàn)的三角波調(diào)頻電路調(diào)頻器與振蕩器合二為一，屬于直接調(diào)頻。

1.3調(diào)頻三角波的應用

1. 調(diào)頻三角波－調(diào)頻正弦波

可通過調(diào)頻三角波獲得調(diào)頻的正弦波。

圖1.1 調(diào)頻三角波各諧波分量的帶寬示意圖

2. 三角波調(diào)頻信號作為基本的調(diào)頻信號，仍可以用于各種通信系統(tǒng)中，如調(diào)頻廣播等。
3. 調(diào)頻三角波作為線性調(diào)頻的連續(xù)波，在線性調(diào)頻連續(xù)波雷達技術得到越來越多的關注。

第二章 三角波調(diào)頻電路的設計

由于張弛振蕩器的振蕩頻率取決于電路中RC的充電或放電速度，因此，可以用調(diào)制信號去控制電容的充電或放電電流，從而控制張弛振蕩器的重復頻率。對張弛振蕩器調(diào)頻，即可獲得三角波調(diào)頻信號、方波調(diào)頻信號。

本章討論了三種不同的實現(xiàn)三角波調(diào)頻的電路方案，發(fā)射極耦合多諧振蕩器構(gòu)成的VCO實現(xiàn)三角波調(diào)頻，積分－施密特觸發(fā)電路實現(xiàn)三角波調(diào)頻以及張弛振蕩器直接調(diào)頻電路實現(xiàn)三角波調(diào)頻，并對最后一種做了詳細說明并設計出具體電路。

2.1三角波調(diào)頻電路實現(xiàn)方案

2.1.1發(fā)射極耦合多諧振蕩器構(gòu)成的VCO實現(xiàn)三角波調(diào)頻

?圖2.1發(fā)射極耦合多諧振蕩器構(gòu)成的VCO實現(xiàn)三角波調(diào)頻原理圖

圖 2.2電容器上電壓變化

2.1.2 積分－施密特觸發(fā)電路實現(xiàn)三角波調(diào)頻

?

圖2.3 積分－施密特觸發(fā)電路實現(xiàn)三角波調(diào)頻原理圖

利用積分－施密特觸發(fā)電路實現(xiàn)三角波調(diào)頻，具有頻偏大、調(diào)頻線性好、電路便于集成等特點。

2.1.3張弛振蕩器直接調(diào)頻電路實現(xiàn)三角波調(diào)頻

圖2.4張弛振蕩器直接調(diào)頻電路實現(xiàn)三角波調(diào)頻原理方框圖

當外加調(diào)制電壓時，輸出三角波的頻率與調(diào)制電壓成線性關系，如此便可得到頻率隨調(diào)制電壓變化的三角波。

2.2 方案對比及選擇

方案一中 ：圖2.1所示為集成壓控振蕩器MC1658的內(nèi)部原理圖，雖然原理簡單，但由于還需較多的穩(wěn)頻和穩(wěn)幅的外圍電路才能使電路工作于一個較穩(wěn)定的狀態(tài)，且由獨立元器件實現(xiàn)的電路調(diào)試困難，由于缺少經(jīng)驗，采用此方案實現(xiàn)三角波調(diào)頻難度較大。

方案二中 ：且同方案一相似，需要穩(wěn)頻和穩(wěn)幅的電路才能使電路穩(wěn)定工作，調(diào)試，且調(diào)試困難，才用此方案難度較大。

方案三中: 極性轉(zhuǎn)換器、積分器、比較器都可以用集成電路來實現(xiàn)，這樣可以根據(jù)不同的需求選擇不同的放大器來實現(xiàn)電路，且輸出電路幅度可變且易于控制，這樣的電路靈活、易于控制、便于調(diào)試。

因此，綜合多方因素結(jié)合自身情況，我選擇方案三中來實現(xiàn)三角波調(diào)頻電路。

第三章 三角波調(diào)頻電路的具體實現(xiàn)

本章根據(jù)所選方案設計出了具體的三角波調(diào)頻電路，并按電路各個部分的主要功能將其分割成正負一倍放大器、反相積分器和遲滯比較器進行具體說明，使我們對電路的工作原理有清晰的認識，對電路的設計步驟和設計過程有了深刻體會。

3.1電路工作原理

實際電路如圖3.1所示，主要由三部分組成，以運算放大器U1為核心的極性轉(zhuǎn)換器，以運算放大器U2A為核心的反相積分器，以電壓比較器U3A為核心的正相遲滯比較器。

圖3.1 三角波調(diào)頻電路原理圖

圖3.2遲滯比較器輸入輸出波形

3.2具體電路的實現(xiàn)

整體的三角波調(diào)頻電路如圖3.1所示，電路主要由三部分組成，以U1為核心的極性轉(zhuǎn)換器，以U2A為核心的反相積分器，以U3A為核心的正相遲滯比較器。下面就三個核心模塊的實現(xiàn)及工作原理進行討論。3.2.1 極性轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)

壓控開關斷開是時，壓控開關等效電阻無窮小，放大器正相輸入端相當于接地，此時該電路相當于負一倍的放大器，如圖3.3所示。

壓控開導通開時，壓控開關等效電阻無窮大，運算放大器的同相輸入端直接串聯(lián)電阻R3，若運算放大器的輸入電流為零（實際上為幾納安數(shù)量級的電流）,則此時的電路相當于正一倍的放大器，如圖3.4所示。

極性轉(zhuǎn)換器的實際電路如圖3.5所示，開關是理想的壓控開關，在實際電路中用壓控開關通常用場效應管或者三極管來實現(xiàn)。

圖3.5 極性轉(zhuǎn)換器實際電路圖

**3.2.2 積分器的實現(xiàn) **

積分電路原理圖如圖3.6所示。

圖3.6 積分器原理圖

根據(jù)理想運算放大器線性區(qū)的兩個重要依據(jù)：①理想運算放大器的兩個輸入端無電流，通常稱為理想運算放大器的兩個輸入端之間開路；②線性工作時正相輸入端和反相輸入端時間差分電壓為零，通常稱為理想運算放大器的兩個輸入端“虛短路”。由于流入放大器的電流為零，所以流過電阻的電流和流過電容的電流相等，即i1=ic 。

圖3.7實際的積分器電路圖

3.2.3 正相遲滯比較器實現(xiàn)

圖3.8 正相遲滯比較器原理電路

?圖3.9 正相遲滯比較器的轉(zhuǎn)換特性曲線

圖3.10正相遲滯比較器電路

3.3本機元件選擇及參數(shù)設置

整機電路如圖3.1所示，極性轉(zhuǎn)換器、積分器和遲滯比較器的實現(xiàn)電路及元件的參數(shù)見3.2節(jié)。電路中元器件的參數(shù)設置將在第四章中結(jié)合仿真進行說明。

第四章 電路模擬與測試

上一章我們設計了具體的實現(xiàn)三角波調(diào)頻的電路，但未對元件參數(shù)設置做說明，在這一章中，我們在Multisim 10.0環(huán)境下對電路進行了模擬，根據(jù)理論并結(jié)合模擬的結(jié)果和經(jīng)驗討論各個元件的選擇和參數(shù)的設置問題，最后并測試電路在不同輸入、不同狀態(tài)下各點的輸出波形和相關數(shù)據(jù)。

4.1電路的模擬及參數(shù)設置

極性轉(zhuǎn)換器的參數(shù)設置

為了保證電路的工作頻率和工作狀態(tài)，必需選擇轉(zhuǎn)換速率SR和和電路工作頻率相匹配的運算放大器，為了保證輸出電壓的與輸入電壓的誤差較小，必需選擇失調(diào)電壓較小的放大器。

積分電路的參數(shù)設置

積分電路見圖3.9，積分電路的輸入輸出關系見式（3-7），可見積電路的時常數(shù)RC越小則積分越快，對與本電路，三角波的斜率越大，即三角波的頻率就越高。本電路中三角波頻率的理論計算公式(式（3-3）)也證明了RC越大三角波頻率越大，且RC越大調(diào)頻電路的最大頻偏也越大，但實際應用中太小的電容很難制造。

遲滯比較器的電路參數(shù)設置

總之，各個元件的參數(shù)設置并不能完全按照理論去設置，需要將理論和仿真結(jié)合來設置，因為理論計算時都是利用理想化的計算模型，與仿真模型有一定差距，與現(xiàn)實中的應用更有差距。當然理論值是電路模擬時參數(shù)設置的和應用于實際電路中元件選擇重要參考，需要將理論和仿真結(jié)合來設置元件的參數(shù)，且由于電路存在反饋控制，整個電路輸入與輸出聯(lián)系緊密，調(diào)整其中一個參數(shù)就有可能對其它部分的輸入或輸出產(chǎn)生影響，進而對其它原件的參數(shù)設置產(chǎn)生影響，因此，在選擇元器件參數(shù)時更要綜合整個電路來考慮，并且應結(jié)合仿真結(jié)果根據(jù)輸入輸出要求，在一定的誤差范圍內(nèi)來選擇原件的參數(shù)。

4.2載波信號測試

當輸入調(diào)制信號為零，輸入為一直流電壓時，積分電路輸出頻率和幅度都穩(wěn)定的三角波，即載波。

圖4.3積分器輸出的載波波形

圖4.4遲滯比較器經(jīng)過穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓后的輸出波形

當輸入電壓為一直流電壓加三角波時，電路的輸入與積分器輸出波形對比圖見圖4.5.輸入電壓越大三角波波形越密，輸入電壓越小三角波波形越疏，這也證明了式（3-3），即三角波的頻率和輸入電壓成正比。

圖4.5 輸入直流電壓加三角波時電路輸入與積分器輸出波形對比

4.3三角波調(diào)頻信號測試

4.3.1電路工作于調(diào)頻狀態(tài)時各點波形測試

圖4.6 調(diào)頻時極性轉(zhuǎn)換器輸出波形

極性轉(zhuǎn)換器輸入與輸出的對比如圖4.7，可見極性轉(zhuǎn)換器輸出波形的包絡與輸入相同。

圖4.7 極性轉(zhuǎn)換器輸入與輸出的對比圖

調(diào)制信號與三角波調(diào)頻信號對比如圖4.11所示，可見調(diào)制信號大的時候三角波頻率大，波形密集，調(diào)制信號小的時候三角波頻率小，波形稀疏。

比較器輸出波形如圖4.12所示，是調(diào)頻的方波，與理論分析一致。

4.3.2 三角波調(diào)頻信號參數(shù)測試

調(diào)頻波的信號帶寬

調(diào)頻波的另外一個重要指標是信號的頻帶寬度。從原理上說，信號帶寬應包括信號的所有頻率分量。由于調(diào)頻波有無窮多分量，這樣定義的帶寬顯然是無意義的。從實際應用出發(fā)，調(diào)頻信號的帶寬是將大于一定幅度的頻率分量包括在內(nèi)，這樣就可以是頻帶內(nèi)集中了信號的決大部分功率，也不至因忽略其它分量而帶來可察覺的失真。通常才用的準則是，信號的頻帶寬度應包括幅度大于未調(diào)載波1％以上的邊頻分量。

當輸入調(diào)制信號為零，積分器輸出的三角波（載波）頻譜圖如圖4.14，且可測得當頻率為104.113KHz時，幅度最大為3.846V。

按照上述準則，按照包括大于38.46mv的頻率分量測試，可由三角波調(diào)頻信號的頻譜圖中測得本當前三角波調(diào)頻信號的信號帶寬是。分布在之間。

4.4三角波調(diào)頻電路的調(diào)頻靈敏度測試

根據(jù)數(shù)據(jù)表4.1中的測試數(shù)據(jù)可繪的三角波調(diào)頻電路的調(diào)制靈敏度曲線如圖4.15，可見當輸入的調(diào)制信號在一定范圍內(nèi)時調(diào)制信號與頻偏是線性關系。