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在这篇文章中，我们探讨了 LC 振荡器在直接调频生成中的局限性，以及如何使用乘法器和自动频率控制（AFC）电路来处理这些问题。

在这一系列文章中，我们讨论了多种创建可变电抗以进行直接调频生成的方法。在所有情况下，可变电抗都用于调制 LC 振荡器。然而，使用单个非晶体振荡器的直接调频发生器将无法保持足够的载波频率稳定性。

在这篇文章中，我们将学习如何使用自动频率控制（AFC）电路来确保调频发生器的中心频率漂移最小。我们还将探讨频率倍频器如何增强直接调频发生器的频率偏差。

直接调频生成的挑战

图1显示了如何将一个变容二极管并联在振荡器的谐振电路中来生成调频波。

图 1。 使用变容二极管构建用于调频生成的可调振荡器。

图1所示的直接调频电路需要满足两个相互冲突的要求：

1. 其瞬时频率必须快速响应调制信号。

2. 振荡器的中心频率必须保持长期稳定。

使用单个振荡器实现这两个目标可能具有挑战性。正如我们将在未来的文章中讨论的那样，克服这一基本挑战的一种方法是通过使用间接调频器。间接调频器不需要载波振荡器响应调制信号。

另一种稳定载波频率的方法是使用反馈配置。这通常被称为自动频率控制。AFC 回路旨在提高中心频率的稳定性，而无需在调制器的主振荡器中使用晶体。

我们稍后会在文章中回到 AFC。现在，让我们讨论频率倍频器和混频器如何帮助我们获得所需的频率偏移和载波频率。

使用频率倍频器来提高 FM 频率偏移

一个工作在 5 MHz 的电抗调制器可能具有±4 kHz 的频率偏移，这显著低于商业 FM 广播中使用的±75 kHz 最大偏移。如图 2 所示，我们可以通过使用频率倍频器来增加频率偏移。 

图 2。 为了增加频率偏移，我们在压控振荡器后面添加了一个频率倍频器。

频率倍频器产生一个输出信号，其频率是其输入频率的精确倍数。如果我们把一个以θ为变量的正弦波输入到乘法因子为 n 的频率倍频器中，输出正弦波的变量将是 nθ。因此，通过将 FM 信号输入到 n 倍频率倍频器中，我们可以将其频率偏移增加 n 倍。

例如，假设调制器产生一个载波频率为 5 MHz、最大频率偏移为±4 kHz 的 FM 信号。通过应用×18 频率倍频，我们得到一个载波频率为 5 MHz × 18 = 90 MHz、频率偏移为±4 kHz × 18 = 72 kHz 的 FM 波。这些值更接近商业 FM 广播的要求。

频率倍频通常以×2或×3的步长进行。用于此目的的电路分别称为倍频器和三倍器。对于×18频率倍频，我们可以级联两个三倍器和一个大倍频器，如图3所示。

图 3。 通过级联两个三倍器和一个二倍器来实现×18 乘法器。

使用非线性电路创建频率乘器

为了实现频率倍增，输入信号通过一个非线性元件，该元件会扭曲信号并产生谐波（输入频率的整数倍）。然后使用带通滤波器选择所需的谐波频率，并从输出中去除不需要的频率分量——包括基波。

图 4 展示了一个简化的频率倍器模型，其中 C 类放大器作为非线性电路，一个调谐到二次谐波的 LC 谐振器提供所需的带通滤波。由于输入 FM 波的载波频率为 5 MHz，输出谐振器电路调谐到 10 MHz。

图 4。 基于 C 类放大器的频率倍频器。

使用混频器进行频率转换

正如我们之前观察到的，频率倍频器会提高载波频率和调频波的频率偏移。使用较大的倍频系数来实现目标频率偏移可能会导致中心频率远高于我们的目标。在这种情况下，可以使用混频器来降低载波频率。混合操作不会影响频率偏移。

图 5 是一个包括 VCO 之后频率倍频器和混频器的调频发生器的框图，以获得所需的载波频率和频率偏移。

图 5。 一种包括乘法器和压控振荡器后混频器的直接调频发生器。

使用自动频率控制提高频率稳定性

直接调频通常可以通过最少的频率倍频来实现所需的频率偏移。然而，直接方法往往频率稳定性差。为了解决这个问题，我们可以使用反馈回路来提供自动频率控制（AFC）。

在 AFC 回路中，输出调频波的中心频率与晶体振荡器产生的恒定频率进行比较。误差信号与频率差成正比，然后反馈到振荡器以纠正差异。该系统如图 6 所示。

图 6。 使用锁相环稳定中心频率。

在图 6 中，压控振荡器的输出与晶体振荡器混合。在混频器的输出端提取差频，并将其施加到频率鉴频器上。频率鉴频器是一种将 FM 信号的频率变化转换为相应输出电压幅度变化的电路。频率鉴频器的信号通过低通滤波器滤波，然后用于调整压控振荡器。

频率锁相环

为了更好地理解自动频率控制（AFC）的工作原理，让我们考虑图 7 中的频率稳定回路。

图 7。 频率稳定回路的一个示例。

在这个示例中，压控振荡器（VCO）的输出是一个载波频率为 5.1 MHz 的调频波。这个频率被乘以总倍数 3 × 2 × 3 = 18，产生一个输出载波频率为 91.8 MHz。×2 倍频器的输出（其载波频率为 5.1 MHz × 3 × 2 = 30.6 MHz）也施加到混频器上。混频器的另一个输入是由晶体控制振荡器产生，频率为 14.3 MHz，然后经过×2 倍频器，得到一个稳定的振荡频率为 28.6 MHz。

混频器在其输出端产生两个不同的频率分量。一个频率分量是输入频率之和；另一个是输入频率之差。图 7 中的电路采用带通滤波器提取差频分量。输出随后被输入到设置为差频（本例中为 2MHz）的频率鉴频器中。 

图 8 展示了调谐到 2MHz 的理想频率-电压响应特性。频率鉴频器产生与输入频率成正比的输出电压，其功能与压控振荡器相反。

图 8。 调谐到 2 MHz 的鉴频器的理想频率-电压响应。

注意，鉴频器在其输入为 2 MHz 时输出 0 V。由于晶体振荡器提供稳定的参考频率，2 MHz 的差频对应于 VCO 输出端的预期载波频率 5.1 MHz。当目标载波频率被生成（fc = 5.1 MHz）时，鉴频器输出 0 V，反馈回路不会修改 VCO。

当 VCO 处于所需载波频率时，反馈回路不会影响 VCO。然而，如果振荡频率出现偏差，回路在低通滤波器的输出端输出适当极性的直流电压，以调整并使振荡频率返回到所需载波频率。

值得一提的是，频率鉴频器后的低通滤波器限制了反馈回路的带宽，使其不会响应由消息信号引起的相对较快的频率变化。相反，它只响应主振荡器的缓慢漂移。如果情况不是这样，反馈回路会抵消消息引起的频率变化，从而防止调频波的生成。

总结

在本文中，我们通过探讨频率倍频器在增强频率偏移中的作用，扩展了对直接调频生成的理解。我们还强调了非晶体振荡器在保持载波频率稳定性方面的局限性。正如我们所学的，实现自动频率控制（AFC）电路对于解决这些局限性并最小化中心频率漂移至关重要。这次讨论强调了精确频率控制在有效生成调频波中的重要性。

关键词： 调频发生器 信号系统