2011 ~2012学年 第 2 学期
《 高频电子线路 》
课 程 设 计 报 告
题 目： 变容二极管直接调频电路的设计
专 业： 电子信息工程
班 级：
姓 名：
指导教师：
电气工程系
2012年12月17日
1、任务书
摘 要
调频电路具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。主要应用于调频广播、广播电视、通信及遥控。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。
变容二极管调频电路是一种常用的直接调频电路，广泛应用于移动通信和自动频率微调系统。其优点是工作频率高，固有损耗小且线路简单，能获得较大的频偏，其缺点是中心频率稳定度较低。较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。
本课题载波由LC电容反馈三端振荡器组成主振回路，振荡频率有电路电感和电容决定，当受调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡频率受调制信号的控制，从而实现调频。
关键字：变容二极管；直接调频；LC振荡电路。
目 录
第一章 设计思路 ............................................................................................ 1
第二章 滤波电路的基本理论 ........................................................................ 2
2.1滤波电路的定义 ............................................................................................................... 2
2.2滤波电路的工作原理 ....................................................................................................... 2
2.3滤波电路的种类 ............................................................................................................... 2
2.4滤波电路的主要参数 ....................................................................................................... 3
2.5无源滤波电路和有源滤波电路 ....................................................................................... 3
2.5.1无源滤波电路 ........................................................................................................ 3
2.5.2 有源滤波电路 ....................................................................................................... 4
2.5.3无源滤波器与有源滤波器的比较 ........................................................................ 4
第三章 高通滤波电路模块的设计 ................................................................ 6
3.1高通滤波电路与低通滤波电路的联系 ........................................................................... 6
3.2压控电压源高通滤波电路 ............................................................................................... 6
3.3无限增益多路反馈高通滤波电路 ................................................................................... 7
第四章 二阶高通滤波器电路仿真及系统误差分析 ................................... 9
4.1压控电压源二阶高通滤波电路 ....................................................................................... 9
4.2无限增益多路反馈二阶高通滤波电路 ......................................................................... 11
4.3 误差分析 ........................................................................................................................ 14
结论 ................................................................................................................ 15
附录一 LM324引脚图（管脚图） .......................................................... 16
附录二 参考文献 ........................................................................................ 17
第一章 设计思路
本设计要求分别用压控电压源和无限增益多路反馈两种方法设计一个二阶高通滤波电路并使其增益Au=5，截止频率fc=100Hz。即输入信号频率在100Hz以上的可以通过，而频率在截止频率以下的信号则会被衰弱。
而高通滤波电路与低通滤波电路具有对偶性，故设计从了解掌握滤波器的基础理论开始，了解其有关参数，工作原理等，进而了解低通滤波电路的工作原理和设计方法，最后设计出二阶高通滤波电路，达到设计目的。
第二章 滤波电路的基本理论
2.1滤波电路的定义
对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路，他对信号具有一定的选择、处理功能。它的功能是使特定频率范围内的信号通过，而阻止其他频率信号通过，让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。
2.2滤波电路的工作原理
以电感作为电抗原件为例，当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。
在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在RL>>ωL时才能获得较好的滤波效果。L愈大，滤波效果愈好。
2.3滤波电路的种类
通常，按照滤波电路的工作频带为其命名，分为低通滤波器（LPF）,高通滤波器（HPF），带通滤波器（BPF），带阻滤波器（BEF）和全通滤波器（APF）。
设截止频率为fc，频率低于fc的信号能够通过，高于fc的信号被衰减的滤波电路称为低通滤波电路；反之，频率高于fc的信号能通过，而频率低于fc的信号被衰减的滤波电路称为高通滤波电路。前者可以作为直流电源整流后的滤波电路，以便得到平滑的直流电压；后者可以作为交流放大电路的耦合电路，隔离直流成分，只放大频率高于fc的信号。
设低频段的截止频率为fc1，高频段的截止频率为fc2，频率为fc1到fc2之间的信号能够通过，低于fc1和高于fc2的信号被衰减的滤波电路称为带通滤波器；反之，频率低于fc1和高于fc2的信号能够通过，而频率为fc1到fc2之间的信号被衰弱的滤波电路称为阻带滤波器。前者常用于载波通讯或弱信号提取等场合，以提高信噪比，后者用于在已知干扰或噪声频率的情况下，阻止其通过。
全通滤波器对于频率从零到无穷大的信号具有相同的比例系数，但对于不同频率的信
号将产生不同的相移。
2.4滤波电路的主要参数
实际上，任何滤波器均不可能具备理想滤波电路的幅频特性，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。
理想滤波器的特性只需用截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，两截止频率之间的幅频特性也非常数，故需用更多参数来描述。
UP。称通带中输出电压与输入电压之比A UP为通带放大倍数。 通带放大倍数A
UP所对应的频率称为滤波器的截止频率。通带截止频率fc。幅频特性值等于0.707A以
UP为参考值，0.707A UP对应于-3dB点，即相对于A UP衰减3dB。若以信号的幅值平方表A
示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。
图2-1 滤波器的实际幅频特性曲线
u接近零的频段称为过渡带，是A u趋近于零的频段称为阻带。过渡带越窄，从fc到A
电路的选择性越好，滤波特性越理想。分析滤波电路就是求解电路的频率特性，对于
UP，fc和过渡带的斜率。 LPF,HPF,BPF,BEF,APF就是求解出A
2.5无源滤波电路和有源滤波电路
2.5.1无源滤波电路
无源滤波器，又称LC滤波器，是利用无源元件（电阻、电容、电感）的组合设计构
成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。
无源滤波器主要可以分为两大类：调谐滤波器和高通滤波器。
调谐滤波器包括单调谐滤波器和双调谐滤波器，可以滤除某一次(单调谐)或两次(双调谐)谐波，该谐波的频率称为调谐滤波器的谐振频率。
高通滤波器也称为减幅滤波器，主要包括一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和c型滤波器，用来大幅衰减高于某一频率的谐波，该频率称为高通滤波器的截止频率。
无源滤波电路的结构简单，成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大，易于设计，但它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，因而不适用于信号处理要求高的场合。无源滤波电路通常用在功率电路中，比如直流电源整流后的滤波，或者大电流负载时采用LC（电感、电容）电路滤波。
2.5.2 有源滤波电路
有源滤波电路，不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。
有源滤波电路一般是由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能起到滤波作用，与此同时还可以进行放大。组成电路时应选用带宽合适的集成运放。有源滤波电路不适用于高电压大电流的负载，，只适用于信号处理。通常，直流电源中整流后的滤波电路均采用无源电路，且在大电流负载时，应采用LC电感电容电路。 有源滤波器工作原理是：用电流互感器采集直流线路上的电流，经A/D采样，将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号，作为PWM的调制信号，与三角波相比，从而得到开关信号，用此开关信号去控制IGBT单相桥，根据PWM技术的原理，将上下桥臂的开关信号反接，就可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流，将线上的谐波电流抵消掉。这是前馈控制部分。再将有源滤波器接入点后的线上电流的谐波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差。
2.5.3无源滤波器与有源滤波器的比较
虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，在现阶段广泛用于配电网中，但由于滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素，随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器（Active PowerFliter，缩写为APF）。
APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电
流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比，有以下特点：
a．不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；
b．滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；
c．具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。
第三章 高通滤波电路模块的设计
3.1高通滤波电路与低通滤波电路的联系
高通滤波电路与低通滤波电路具有对偶性，如果将二阶低通滤波电路中的电容替换成电阻，电阻替换成电容，就可的各种高通滤波器。
区别于低通滤波电路，二阶高通滤波电路输入阻抗高，输出阻抗低，通向比例放大电压增益就是高通滤波器的通带电压增益。由RC无源网络和集成运算放大器组成的具有滤波功能且只允许高于截止频率的信号通过，而阻止低于截止频率的信号通过，必使其衰弱的放大电路称为高阶滤波电路。
3.2压控电压源高通滤波电路
电路如图3-1所示，电路的传递函数为
Au(s)=Aup(s)∙
通带增益为 upsRC+sRC21+3-A(sRC)2
up=1+Rf AR1
截止频率为
fp=
品质因数为
Q=1 2πRC1 3-Aup
图3-1 压控电压源高通滤波电路
增益
up=1+Rf=5 A
R1
∴假设Rf=1KΩ，则解得
R1=4KΩ
又
fp=
∴假设C=C1=C2=0.1μF,则解得
1
=100Hz 2πRC
R=R2=R3=16KΩ
故选择器件为Rf=1KΩ，R1=4KΩ，R=R2=R3=16KΩ，C=C1=C2=0.1μF。运算放大器选用LM324。
假设输入电压幅值为100mv（有效值约为70.7mv），因为增益为5，所以当输入信号频率足够高时即为2fp=141Hz时信号稳定输出，输出电压值基本保持不变，即U0=70.7⨯5=353.5。当f0=fp=100Hz时Aup=0.707Au，所以输出电压为U0=353.5⨯0.707≈249.9mv。
'
3.3无限增益多路反馈高通滤波电路
电路如图4-2所示，电路的传递函数，通带放大倍数，截止频率和品质因数分别为
Au(s)=Aup(s)∙
s2R1R2C3C2
R1+s3(C1+C2+C3)+sR1R2C2C3
C2C
up=-C1 A
C31
fp=
2πR1R2C2C3
Q=(C1+C2+C3)
由设计要求可知增益
R1
C2C3R2
up=-C1=5， A
C3
∴假设C1=50μF，则解得
C3=10μF
又
2πR1R2C2C3
假设C2=0.2μF,R1=10KΩ,则解得
fp=
1
=100Hz
R2=140KΩ
因增益 Au与截止频率fp均与R3无关，故假设R3=10KΩ。
故选择器材为C1=50μF，C2=0.2μF，C3=10μF，R1=10KΩ，R2=140KΩ，
R3=10KΩ，运算放大器选用LM324。
假设输入电压幅值为100mv（有效值约为70.7mv），因为增益为5，所以当输入信号频率足够高时即为2fp=141Hz时信号稳定输出，输出电压值基本保持不变，即U0=70.7⨯5=353.5mv。当f0=fp=100Hz时Aup=0.707Au，所以输出电压为U0=353.5⨯0.707≈249.9mv。
'
图3-2 无限增益多路反馈高通滤波电路
第四章 二阶高通滤波器电路仿真及系统误差分析
4.1压控电压源二阶高通滤波电路
up=1+RfR1,所以选 压控电压源二阶高通滤波器的参数设计，由增益Aup=5，A
R3=16KΩ的电阻，fp=100Hz,fp=1/2πRC，则选用C=0.1uf的电容，R4为16KΩ的电阻，R2为4KΩ的电阻。输入信号Ui=100mv（有效值为70.7mv），测量有效值为72mv。改变频率用万用表测输出电压有效值，并且在通频带时的频率要取得密集一些。二阶高通滤
波器电路的电路仿真。
图 4-1压控电压源二阶高通滤波电路
(a)输入波形 (b)输出波形
图 4-2输入频率为20Hz时压控电压源二阶高通滤器的输入输出波形
由示波器可以看出由示波器可以看出输入信号频率很小时，输入信号的最大值约为
100mv，输出信号的最大值约为32mv可以明显看出在低频时信号被衰减。
图4-3 输入频率为100Hz时压控电压源二阶高通滤器的输入输出波形
由示波器可以看出单输入信号频率为截止频率100Hz时，输入信号的最大值约为100mv，输出信号的最大值约为347mv,信号已经被放大，但仍未到达预定放大倍数。
图4-4 输入频率为1000Hz时压控电压源二阶高通滤器的输入输出波形
由示波器可以看出当输入信号频率为1000Hz时，输入信号的最大值约为100mv，输出信号的最大值约为497mv,信号放大倍数已达到预定值。
表一 压控高通滤波器的数据记录
在频率为高频时，U=（364+363+362+363）/4=363 mv 输入电压Ui=72mv，则Au=U/Ui=363/72=5.04 相对误差：s=（5.04-5）/5⨯100%=0.8%
当fp=100Hz时，U0理论=353.5⨯0.707≈249.9mv 实验测得U0=246mv
则相对误差为S=（246-249.9）/249.9⨯100%=-1.5%
图4-5 压控电压源二阶高通滤波器电路的幅频特性
4.2无限增益多路反馈二阶高通滤波电路
up=-C1C3，所以选 无限增益多路反馈二阶高通滤波器的参数设计，由增益Aup=5，A
则选用R1=10KΩ，R2=140KΩ，C1=50μF，C3=10μF，fp=100Hz，fp=2πR1R2C2C3，
，测量有效值为72mv。R3=10KΩ，C2=0.2μF。输入信号Ui=100mv（有效值为70.7mv）
改变频率用万用表测输出电压有效值，并且在通频带时的频率要取得密集一些。二阶高通滤波器电路的电路仿真：
图4-6 无限增益多路反馈高通滤波电路
(a)输入波形 (b)输出波形
图4-7 输入频率为20Hz时无限增益多路反馈高通滤波电路波形
由示波器可以看出输入信号频率很小时，输入信号的最大值约为100mv，输出信号的最大值约为24mv可以明显看出在低频时信号被衰减。
(a)输入波形 (b)输出波形
图 4-8 输入频率为100Hz时无限增益多路反馈高通滤波电路波形
由示波器可以看出单输入信号频率为截止频率100Hz时，输入信号的最大值约为100mv，输出信号的最大值约为340mv,信号已经被放大，但仍未到达预定放大倍数。
(a)输入波形 (b)输出波形
图4-9 输入频率为1000Hz时无限增益多路反馈高通滤波电路波形
由示波器可以看出当输入信号频率为1000Hz时，输入信号的最大值约为100mv，输出信号的最大值约为500mv,信号放大倍数已达到预定值。
图4-10 无限增益二阶高通滤波器电路的幅频特性
表二 无限增益二阶高通滤波器电路的数据记录
在频率为高频时，U=（364+363+362+363）/4=363 mv 输入电压Ui=72mv，则Au=U/Ui=363/72=5.04 相对误差：s=（5.04-5）/5⨯100%=0.8%
当fp=100Hz时，U0理论=353.5⨯0.707≈249.9mv 实验测得U0=239mv
则相对误差为S=（239-249.9）/249.9⨯100%≈-0.04%
4.3 误差分析
产生该实验误差的主要原因有：
1、输入信号不稳定会导致实验误差。
2、实际所使用的电阻、电容与理论值的误差。 3、函数发生器的输出误差，示波器的量化误差。 4、在参数设计时也会引入误差。 5、在计算过程中会引入计算误差。
结论
1结论结论与心得
（1）由实验可知，当频率f为通带截止频率fp时，输出电压U0约为最大输出电压的0、
up︱。 u︱≈0.707︱A707倍，即︱A
（2）、由实验可知，高通滤波器削弱低频信号，只放大频率高于fp的信号，我们可把高通滤波器用于交流放大电路的耦合电路，隔离直流成分。
（3）、实验中，监测的波形没有失真，说明只要正反馈引入得到，就能在f f0时使电压放大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自激振荡。
2对本设计优缺点的分析
本次课程设计我们主要根据要求中的提示，首先确定了各个部位元件的类型，在充分分析和掌握了滤波电路的工作原理进行了认真仔细的计算和公式的推倒，最终掌握了具有一般性的相关公式，当然，在公式的验算中为了简化公式，我们也采取了一些小技巧，在确定满足课题要求的情况下，我们令电容相等，从而大大简化了计算过程，但是在设计的诸多方面（电路的稳定性，参数选择的优越性，电路的调试等）存在不足之处。
附录一 LM324引脚图（管脚图）
附图1、LM324引脚图
LM324引脚图（俯视图）（见附录LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显着优点。该四放大器可以工作在低到3。0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在多应用场合中采用外部偏置组件的必要性。
LM324的特点：
1.短跑保护输出； 2.真差动输入级；
3.可单电源工作：3V-32V； 4.低偏置电流：最大100nA（LM324A）； 5.每封装含四个运算放大器； 6.共模范围扩展到负电源； 7.具有内部补偿的功能； 8.输入端具有静电保护功能； 9.行业标准的引脚排列。
附录二 参考文献
[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[R].高等教育出版社
[2]梅开乡，梅军进,电子电路设计与制作[R].北京理工大学出版社
[3]闵锐，徐勇，孙峥.电子线路基础[R].西安电子科技大学出版社
[4]刘国林.电工学[R].人民邮电出版社
[5]林育兹.电工电子学[R].电子工业出版社
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答辩记录及评分表
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