由于調頻技術的諸多優(yōu)點，如調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，調頻（FM）仍然是最普遍應用的模擬調制技術，各種調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制技術，并對調頻技術做了細致討論；其次分析了三種不同的實現三角波調頻的方案，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頻電路進行了模擬并完成了各種數據和波形的測試；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。

各種仿波形及數據表明，該電路工作穩(wěn)定能實現三角波調頻，且輸出電壓穩(wěn)定、幅度較大，具有一定的應用前景。

1.1調制技術

調制技術就是把低頻分量豐富的不適合直接在信道中傳輸的基帶信號變換成適合在信道中傳輸的高頻信號的技術。基帶信號是原始的電信號，在數字通信中則指相應的電脈沖。在無線遙測遙控系統(tǒng)和無線電技術中調制就是用基帶信號控制高頻載波的參數（振幅、頻率和相位），使這些參數隨基帶信號變化。用來控制高頻載波參數的基帶信號稱為調制信號。未調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）。被調制信號調制過的高頻電振蕩稱為已調波或已調信號。已調信號通過信道傳送到接收端，在接收端經解調后恢復成原始基帶信號。解調是調制的反變換。用基帶信號調制高頻載波，在無線電傳輸中可以減小天線尺寸，并便于遠距離傳輸。應用調制技術，還能提高信號的抗干擾能力。

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

按照傳輸特性，調制方式又可分為線性調制和非線性調制。廣義的線性調制，是指已調波中被調參數隨調制信號成線性變化的調制過程。狹義的線性調制,是指把調制信號的頻譜搬移到載波頻率兩側而成為上、下邊帶的調制過程。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，使上邊帶的頻譜結構與調制信號的頻譜相同，下邊帶的頻譜結構則是調制信號頻譜的鏡像。狹義的線性調制有調幅(AM)、抑制載波的雙邊帶調制(DSB)和單邊帶調制(SSB)。

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

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

在模擬調制過程中已調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，因調制而產生的各頻率分量就落在這兩個頻帶之內。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的邊頻帶，稱為上邊帶。位于比載波頻率低的一側的邊頻帶，稱為下邊帶。

本文中討論的三角波調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制信號變化而幅度保持恒定的一種模擬調頻方式。

1.2調頻波及調頻方法

在圖1.1中，正弦波為調制信號，三角波為調頻信號。當調制信號最大時，波形密集，當最小時，波形最稀疏，調頻波的瞬時頻率偏離載波頻率的量與調制信號的瞬時值成比例。因此調頻波是波形疏密變化的等幅波。調頻是將消息寄載在頻率上，也可以說調頻信號中消息是蘊藏于單位時間內波形數目或者說零交叉點數目中。由于各種干擾足以主要表現在振幅上，而在調頻系統(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 調制信號與調頻信號波形對比

調頻方法分類

1. 直接調頻法

這種方法一般是用調制電壓直接控制振蕩器的振蕩頻率，使振蕩頻率按調制電壓的規(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），使其參數隨調制電壓變化，就可達到直接調頻的目的。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。對張弛振蕩器調頻，產生的是非正弦波調頻信號，如三角波調頻信號、方波調頻信號等。

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容二極管，還可以采用電抗管（在變容二極管問世前應用很廣泛，現在很少使用）等。用變容二極管實現直接調頻，由于電路簡單、性能良好，已成為目前最廣泛才用的調頻電路之一。

在直接法調頻中，振蕩器與調制器合二為一。這種方法的主要優(yōu)點是在實現線性調頻的要求下，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頻。

2. 間接調頻法

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

間接調頻的調制器與振蕩器分開，對振蕩器影響小，可以用高穩(wěn)定的振蕩器，產生的調頻波其頻率穩(wěn)定度高。但一般為了作到線性調相，最大相偏較小，因而產生的調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，間接調頻的設備一般比較復雜。

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

1.3調頻三角波的應用

1. 調頻三角波－調頻正弦波

可通過調頻三角波獲得調頻的正弦波。

圖1.1 調頻三角波各諧波分量的帶寬示意圖

2. 三角波調頻信號作為基本的調頻信號，仍可以用于各種通信系統(tǒng)中，如調頻廣播等。
3. 調頻三角波作為線性調頻的連續(xù)波，在線性調頻連續(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。對張弛振蕩器調頻，即可獲得三角波調頻信號、方波調頻信號。

本章討論了三種不同的實現三角波調頻的電路方案，發(fā)射極耦合多諧振蕩器構成的VCO實現三角波調頻，積分－施密特觸發(fā)電路實現三角波調頻以及張弛振蕩器直接調頻電路實現三角波調頻，并對最后一種做了詳細說明并設計出具體電路。

2.1三角波調頻電路實現方案

2.1.1發(fā)射極耦合多諧振蕩器構成的VCO實現三角波調頻

?圖2.1發(fā)射極耦合多諧振蕩器構成的VCO實現三角波調頻原理圖

圖 2.2電容器上電壓變化

2.1.2 積分－施密特觸發(fā)電路實現三角波調頻

?

圖2.3 積分－施密特觸發(fā)電路實現三角波調頻原理圖

利用積分－施密特觸發(fā)電路實現三角波調頻，具有頻偏大、調頻線性好、電路便于集成等特點。

2.1.3張弛振蕩器直接調頻電路實現三角波調頻

圖2.4張弛振蕩器直接調頻電路實現三角波調頻原理方框圖

當外加調制電壓時，輸出三角波的頻率與調制電壓成線性關系，如此便可得到頻率隨調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的電路調試困難，由于缺少經驗，采用此方案實現三角波調頻難度較大。

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，調試，且調試困難，才用此方案難度較大。

方案三中: 極性轉換器、積分器、比較器都可以用集成電路來實現，這樣可以根據不同的需求選擇不同的放大器來實現電路，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、便于調試。

因此，綜合多方因素結合自身情況，我選擇方案三中來實現三角波調頻電路。

第三章 三角波調頻電路的具體實現

本章根據所選方案設計出了具體的三角波調頻電路，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

整體的三角波調頻電路如圖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及工作原理進行討論。3.2.1 極性轉換器的實現

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電阻R3，若運算放大器的輸入電流為零（實際上為幾納安數量級的電流）,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。

圖3.5 極性轉換器實際電路圖

**3.2.2 積分器的實現 **

積分電路原理圖如圖3.6所示。

圖3.6 積分器原理圖

根據理想運算放大器線性區(qū)的兩個重要依據：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

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設置

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

第四章 電路模擬與測試

上一章我們設計了具體的實現三角波調頻的電路，但未對元件參數設置做說明，在這一章中，我們在Multisim 10.0環(huán)境下對電路進行了模擬，根據理論并結合模擬的結果和經驗討論各個元件的選擇和參數的設置問題，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據。

4.1電路的模擬及參數設置

極性轉換器的參數設置

為了保證電路的工作頻率和工作狀態(tài)，必需選擇轉換速率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，必需選擇失調電壓較小的放大器。

積分電路的參數設置

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設置

總之，各個元件的參數設置并不能完全按照理論去設置，需要將理論和仿真結合來設置，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，與現實中的應用更有差距。當然理論值是電路模擬時參數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合來設置元件的參數，且由于電路存在反饋控制，整個電路輸入與輸出聯系緊密，調整其中一個參數就有可能對其它部分的輸入或輸出產生影響，進而對其它原件的參數設置產生影響，因此，在選擇元器件參數時更要綜合整個電路來考慮，并且應結合仿真結果根據輸入輸出要求，在一定的誤差范圍內來選擇原件的參數。

4.2載波信號測試

當輸入調制信號為零，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

4.3三角波調頻信號測試

4.3.1電路工作于調頻狀態(tài)時各點波形測試

圖4.6 調頻時極性轉換器輸出波形

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

圖4.7 極性轉換器輸入與輸出的對比圖

調制信號與三角波調頻信號對比如圖4.11所示，可見調制信號大的時候三角波頻率大，波形密集，調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，是調頻的方波，與理論分析一致。

4.3.2 三角波調頻信號參數測試

調頻波的信號帶寬

調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)，調頻信號的帶寬是將大于一定幅度的頻率分量包括在內，這樣就可以是頻帶內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載波1％以上的邊頻分量。

當輸入調制信號為零，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，可由三角波調頻信號的頻譜圖中測得本當前三角波調頻信號的信號帶寬是。分布在之間。

4.4三角波調頻電路的調頻靈敏度測試

根據數據表4.1中的測試數據可繪的三角波調頻電路的調制靈敏度曲線如圖4.15，可見當輸入的調制信號在一定范圍內時調制信號與頻偏是線性關系。