本文探討了LC振蕩器在直接FM生成方面的局限性，以及如何使用乘法器和自動頻率控制（AFC）電路來處理這些局限性。

在本系列文章中，我們討論了為直接調(diào)頻發(fā)電創(chuàng)建可變電抗的多種方法。在所有情況下，可變電抗都用于調(diào)制LC振蕩器。然而，使用單個非晶體振蕩器的直接FM發(fā)生器將無法保持足夠的載波頻率穩(wěn)定性。

在本文中，我們將學(xué)習(xí)如何使用自動頻率控制（AFC）電路來確保FM發(fā)生器的中心頻率漂移最小。我們還將探討倍頻器如何增強(qiáng)直接調(diào)頻發(fā)生器的頻率偏差。

直接調(diào)頻發(fā)電的挑戰(zhàn)

圖1顯示了如何將變?nèi)荻O管與振蕩器的諧振電路并聯(lián)以產(chǎn)生FM波。

使用變?nèi)荻O管構(gòu)建用于FM生成的可調(diào)振蕩器。

圖1 使用變?nèi)荻O管構(gòu)建用于FM生成的可調(diào)振蕩器

圖1所示的直接調(diào)頻生成電路需要滿足兩個相互沖突的要求：

其瞬時頻率必須快速響應(yīng)調(diào)制信號。

振蕩的中心頻率必須保持長期穩(wěn)定。

使用單個振蕩器實現(xiàn)這兩個目標(biāo)可能具有挑戰(zhàn)性。正如我們將在未來的文章中討論的那樣，克服這一基本挑戰(zhàn)的一種方法是使用間接調(diào)頻發(fā)生器。間接調(diào)頻發(fā)生器不需要載波振蕩器對調(diào)制信號做出響應(yīng)。

穩(wěn)定載波頻率的另一種方法涉及使用反饋配置。這通常被稱為自動頻率控制。AFC環(huán)路旨在提高中心頻率穩(wěn)定性，而無需在調(diào)制器的主振蕩器中使用晶體。

我們將在本文稍后回到AFC。現(xiàn)在，讓我們討論一下倍頻器和混頻器如何幫助我們獲得所需的頻率偏差和載波頻率。

使用倍頻器提高FM頻率偏差

工作在5 MHz的電抗調(diào)制器的頻率偏差可能為±4 kHz，遠(yuǎn)低于商業(yè)調(diào)頻廣播中使用的±75 kHz最大偏差。如圖2所示，我們可以通過使用倍頻器來增加頻率偏差。

在VCO之后添加倍頻器會增加頻率偏差。

圖2 為了增加頻率偏差，我們在VCO后添加了一個倍頻器

倍頻器產(chǎn)生輸出信號，其頻率是輸入頻率的精確倍數(shù)。如果我們將參數(shù)為θi的正弦曲線應(yīng)用于乘法因子為n的倍頻器，則輸出正弦曲線的參數(shù)為nθi。因此，通過將FM信號應(yīng)用于n倍倍頻器，我們可以將其頻率偏差增加n倍。

例如，假設(shè)調(diào)制器產(chǎn)生載波頻率為5 MHz、最大頻率偏差為±4 kHz的FM信號。通過應(yīng)用×18倍頻，我們實現(xiàn)了載波頻率為5 MHz×18=90 MHz、頻率偏差為±4 kHz×18=72 kHz的FM波。這些值更接近商業(yè)調(diào)頻廣播的要求。

倍頻通常以×2或×3的步長進(jìn)行。用于此的電路分別稱為倍頻器和三倍頻器。對于×18倍頻，我們可以級聯(lián)兩個三倍頻器和一個倍頻器，如圖3所示。

通過級聯(lián)兩個三元組和一個乘法器來實現(xiàn)18倍乘法器。

圖3 通過級聯(lián)兩個三倍頻器和一個倍頻器來實現(xiàn)×18乘法器

用非線性電路制作倍頻器

為了實現(xiàn)倍頻，輸入信號通過非線性組件饋送，該組件會使信號失真并產(chǎn)生諧波（輸入頻率的整數(shù)倍）。然后，帶通濾波器選擇所需的諧波頻率，并從輸出中去除不需要的頻率分量，包括基波。

圖4描繪了倍頻器的簡化模型，其中C類放大器用作非線性電路，調(diào)諧到二次諧波的LC諧振電路提供所需的帶通濾波。由于輸入FM波的載波頻率為5 MHz，因此輸出諧振電路被調(diào)諧到10 MHz。

圍繞C類放大器構(gòu)建的倍頻器。

圖4 圍繞C類放大器構(gòu)建的倍頻器

使用混音器進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換

正如我們之前所觀察到的，倍頻器會提高FM波的載波頻率和頻率偏差。使用較大的乘法因子來實現(xiàn)目標(biāo)頻率偏差可能會導(dǎo)致中心頻率遠(yuǎn)高于我們的目標(biāo)。在這種情況下，可以使用混頻器來降低載波頻率。混音操作不會影響頻率偏差。

圖5是FM發(fā)生器的框圖，該發(fā)生器包括VCO后的倍頻器和混頻器，以獲得所需的載波頻率和頻率偏差。

一種直接調(diào)頻發(fā)生器，包括乘法器和VCO后的混頻器。

圖5 一種直接調(diào)頻發(fā)生器，包括乘法器和VCO后的混頻器

利用AFC提高頻率穩(wěn)定性

直接FM生成通?？梢砸宰钚〉念l率倍增實現(xiàn)所需的頻率偏差。然而，直接方法往往存在頻率穩(wěn)定性差的問題。為了解決這個問題，我們可以使用反饋回路來提供自動頻率控制（AFC）。

在AFC環(huán)路中，輸出FM波的中心頻率與晶體振蕩器產(chǎn)生的恒定頻率進(jìn)行比較。然后，與頻率差成比例的誤差信號被反饋到振蕩器以校正差異。該系統(tǒng)如圖6所示。

使用鎖頻環(huán)來穩(wěn)定中心頻率。

圖6 使用鎖頻環(huán)來穩(wěn)定中心頻率

在圖6中，VCO的輸出與晶體振蕩器混合?；祛l器輸出端的差頻被提取并應(yīng)用于鑒頻器。頻率鑒別器是一種將FM信號的頻率變化轉(zhuǎn)換為輸出端相應(yīng)電壓幅度變化的電路。來自鑒頻器的信號用低通濾波器濾波，隨后用于調(diào)整壓控振蕩器。

頻率鎖定環(huán)

為了更好地理解AFC操作，讓我們考慮圖7中的頻率穩(wěn)定回路。

頻率穩(wěn)定回路的示例。

圖7 頻率穩(wěn)定回路的示例

在這個例子中，VCO的輸出是載波頻率為5.1MHz的FM波。該頻率乘以3×2×3=18的總因子，產(chǎn)生91.8 MHz的輸出載波?！?乘法器的輸出也應(yīng)用于混頻器，其載波頻率為5.1 MHz×3×2=30.6 MHz。混頻器的另一個輸入由14.3 MHz的晶體控制振蕩器產(chǎn)生，然后是×2乘法器，產(chǎn)生28.6 MHz的穩(wěn)定振蕩頻率。

混頻器在其輸出端產(chǎn)生兩個不同的頻率分量。一個頻率分量是輸入頻率的總和；另一個是輸入頻率之間的差異。圖7中的電路采用帶通濾波器來提取差頻分量。隨后，輸出被饋送到設(shè)置為差頻的鑒頻器中，在這種情況下，差頻為2 MHz。

上述反饋回路是頻率鎖定回路。它與鎖相環(huán)密切相關(guān)，這將在未來的文章中介紹。為了更深入地分析這種AFC配置，我推薦Donald T.Hess和Kenneth K.Clarke的《通信電路：分析與設(shè)計》一書。

調(diào)諧到2 MHz的鑒頻器的理想頻率-電壓響應(yīng)如圖8所示。鑒別器產(chǎn)生與輸入頻率成比例的輸出電壓，提供與VCO相反的功能。

調(diào)諧到2 MHz的頻率鑒別器的理想頻率-電壓響應(yīng)。

圖8 調(diào)諧到2 MHz的頻率鑒別器的理想頻率-電壓響應(yīng)

請注意，當(dāng)鑒別器的輸入為2 MHz時，鑒別器被調(diào)諧為產(chǎn)生0 V。在晶體振蕩器的穩(wěn)定參考頻率下，2 MHz的差頻對應(yīng)于VCO輸出端的預(yù)期載波頻率5.1 MHz。當(dāng)生成目標(biāo)載波頻率（fc=5.1 MHz）時，鑒別器提供0 V，反饋回路不會修改VCO。

當(dāng)VCO處于所需的載波頻率時，反饋回路不會影響VCO。然而，如果振蕩頻率存在偏差，則環(huán)路在低通濾波器的輸出端輸出具有適當(dāng)極性的直流電壓，以調(diào)整振蕩頻率并將其恢復(fù)到所需的載波頻率。

值得一提的是，頻率鑒別器后面的低通濾波器限制了反饋回路的帶寬，使其無法對消息信號引起的相對較快的頻率變化做出響應(yīng)。相反，它只對主振蕩器的緩慢漂移做出響應(yīng)。如果不是這樣，反饋回路將抵消消息引起的頻率變化，從而防止FM波的產(chǎn)生。

總結(jié)

在這篇文章中，我們通過探索倍頻器在增強(qiáng)頻率偏差方面的作用，擴(kuò)展了我們對直接調(diào)頻生成的理解。我們還強(qiáng)調(diào)了非晶體振蕩器在保持載波頻率穩(wěn)定性方面的局限性。正如我們所了解到的，實現(xiàn)自動頻率控制（AFC）電路對于解決這些限制并最大限度地減少中心頻率漂移至關(guān)重要。這一討論強(qiáng)調(diào)了精確頻率控制在有效產(chǎn)生FM波中的重要性。