基于密碼鎖的一種高頻混頻器設(shè)計(jì)論文

1、中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué)生姓名： 崔寶月 學(xué) 號(hào)： 1305054215 學(xué)生姓名： 劉學(xué)文 學(xué) 號(hào)： 1305054219 學(xué)生姓名： 田剛 學(xué) 號(hào)： 1305054244 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 信息對(duì)抗技術(shù)專業(yè) 題 目： 電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 變頻式射頻密碼鎖控制軟件 子題目3：構(gòu)建一個(gè)混頻電路，要求工作帶寬大于30M 指 導(dǎo) 教 師： 張丕狀 王鑒 姚金杰 2016 年 01 月 13 日中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 2015/2016 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 信息對(duì)抗技術(shù)專業(yè) 學(xué)生姓名： 崔寶月 學(xué) 號(hào)： 1305054215 學(xué)生姓名： 劉學(xué)文

2、 學(xué) 號(hào)： 1305054219 學(xué)生姓名： 田剛 學(xué) 號(hào)： 1305054244 題 目： 電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 變頻式射頻密碼鎖控制軟件 子題目3：構(gòu)建一個(gè)混頻電路，要求工作帶寬大于30M 起 迄 日 期： 2015年11月2日2016年1月15日 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 信息對(duì)抗技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室 指 導(dǎo) 教 師： 張丕狀 王鑒 姚金杰 學(xué)科部主任： 張丕狀 下達(dá)任務(wù)書(shū)日期: 2015 年11月2日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)1設(shè)計(jì)目的：（1）通過(guò)本課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，學(xué)生將復(fù)習(xí)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，使課堂學(xué)習(xí)的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，通過(guò)本課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐使學(xué)生具有一定的實(shí)踐操作能力；（2）熟練使用示波器、信號(hào)源、

3、萬(wàn)用表、頻譜分析儀等儀器設(shè)備；（3）通過(guò)電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)，掌握設(shè)計(jì)信息處理系統(tǒng)的思維方法和基本開(kāi)發(fā)過(guò)程。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：（1）熟悉Multisim、Protel DXP軟件的使用a、熟悉Multisim的運(yùn)行環(huán)境；b、掌握在Multisim平臺(tái)上完成電路原理圖的仿真；c、熟悉Protel DXP的運(yùn)行環(huán)境；d、掌握在Protel DXP平臺(tái)上完成電路原理圖的繪制、pcb制版；e、根據(jù)所選題目的需要，會(huì)正確設(shè)計(jì)電路，最終優(yōu)化電路。（2）實(shí)踐設(shè)計(jì)要求：a、根據(jù)所選題目，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路；b、根據(jù)設(shè)計(jì)的電路，完成電路仿真，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化電路；c

4、、根據(jù)設(shè)計(jì)電路完成PCB制版，最終完成電路的研制。（3）參考題目題目1 變頻式射頻密碼鎖控制軟件基本要求與目的：l 掌握壓控振蕩器原理、PLL原理和時(shí)鐘調(diào)節(jié)的方法，掌握外圍電路和接口了解可編程的概念l 增益帶寬積、環(huán)路增益、穩(wěn)定性原理、相頻特性、幅頻特性、阻抗匹配等含義，了解電流反饋運(yùn)算放大器的特點(diǎn)l 調(diào)制解調(diào)的方式和調(diào)制解調(diào)電路、性能l 了解分布參數(shù)、地線布局電路性能的影響方式，掌握原理圖和PCB的設(shè)計(jì)技巧課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū) 和能力l 了解單片機(jī)特性，掌握單片機(jī)選擇和系統(tǒng)外圍電路及其接口電路設(shè)計(jì)l 進(jìn)一步了解軟件無(wú)線電的概念l 學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，掌握示波器、信號(hào)源等常規(guī)儀器使用方法

5、l 進(jìn)一步學(xué)習(xí)資料查閱能力和PPT制作能力子題目1：研制寬帶雙路放大器，要求帶寬>30M，增益40dB，輸入阻抗和輸出阻抗為75歐（3人）。子題目2：構(gòu)建一單片機(jī)控制系統(tǒng)，要求具有不少于4個(gè)按鍵，產(chǎn)生一個(gè)具有低相位抖動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)，頻率在10-100M可調(diào)。（2人+2人）。子題目3：構(gòu)建一個(gè)混頻電路，工作帶寬分別>30M（2人）。子題目4：設(shè)計(jì)調(diào)制、解調(diào)電路模塊（3人）。題目2 基于TDOA技術(shù)的被動(dòng)聲定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本要求與目的：l 了解被動(dòng)聲定位的基本原理；l 了解TDOA算法；l 了解前置放大器和AGC的工作原理；l 掌握有源濾波電路設(shè)計(jì)的基本工作原理；l 掌握定位精度與AD之間的

6、關(guān)系；l 了解單片機(jī)特性，掌握單片機(jī)選擇和系統(tǒng)外圍電路及其接口電路設(shè)計(jì)l 學(xué)習(xí)掌握前置放大電路、AGC放大電路、濾波電路、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)電路；l 培養(yǎng)資料查閱能力和團(tuán)隊(duì)合作精神和組織能力子題目1：設(shè)計(jì)一個(gè)前置放大電路，前置放大倍數(shù)20dB（3人合作完成）。子題目2：設(shè)計(jì)一個(gè)AGC電路，要求增益控制范圍40dB，輸出最大增益60dB。（3人合作完成）子題目3：設(shè)計(jì)一個(gè)有源低通濾波電路，要求倍頻程衰減24dB，截止頻率30kHz。（3人合作完成）子題目4：設(shè)計(jì)一個(gè)單通道信號(hào)采集存儲(chǔ)電路，采樣位數(shù)不低于12位，采樣率100KSPS,存儲(chǔ)深度512KB（4人合作完成）課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)3設(shè)計(jì)工作

7、任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)(論文)、圖紙、實(shí)物樣品等：（1） 要求設(shè)計(jì)組的每個(gè)成員都要了解整個(gè)的大題設(shè)計(jì)要求和思路；（2） 子題目小組的同學(xué)各完成一份設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，突出各自的工作內(nèi)容；（3） 要求有正確的仿真結(jié)果及結(jié)果分析；（4） 要有正確的測(cè)試結(jié)果（示波器、頻譜分析儀調(diào)試波形）。4主要參考文獻(xiàn)：見(jiàn)提供的附件資料5設(shè)計(jì)成果形式及要求： 每個(gè)子題目小組提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份 電路板實(shí)物，電路板上印制上所有小組成員完整的學(xué)號(hào)（1305054XXX）和姓名課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)2015年11月02日 2015年11月07日：學(xué)習(xí)電路原理，完成電路的設(shè)計(jì)；2015年11月08日 20

8、15年11月15日：完成電路的仿真，原理圖繪制與制版；2015年01月15日 2015年01月18日：完成電路的實(shí)物制作（制版、焊接、調(diào)試）；2016年 01月19日 2016年01月20日：撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)； 2016年01月21日：提交實(shí)物，答辯學(xué)科部主任審查意見(jiàn)： 簽字： 年 月 日 目 錄1. 引言 1.1 研究目的與意義7 1.2研究背景8 1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀10 1.4研究方法及主要參數(shù)12 1.5工作環(huán)境（主要軟件）13 1.6設(shè)計(jì)流程152. 設(shè)計(jì)原理 混頻器的設(shè)計(jì)理論15 2.1基本概念152.2實(shí)現(xiàn)模型162.3 幾種典型電路173.設(shè)計(jì)結(jié)果及分析 Multisim篇2

9、5 3.1乘法器仿真26 二極管環(huán)形混頻器仿真27 模擬乘法器NC1458仿真293.2帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真30 RLC帶通濾波器263.3芯片選擇31 AD835管腳31 AD835內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖324. 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析 Altium.Designer篇334.1原理圖繪制334.2添加使用庫(kù)334.3建立元器件庫(kù)344.4原理圖連線354.5元件的封裝374.6原理圖的制作474.7erc檢查574.8生成元件清單585. 參考文獻(xiàn)59 6. 實(shí)驗(yàn)心得60 一、引言在當(dāng)今社會(huì)，安全防盜已成為社會(huì)問(wèn)題，而鎖自古以來(lái)就是防盜的重要工具，目前國(guó)內(nèi)大部分人使用的還是傳統(tǒng)的機(jī)械鎖，然而，眼下假冒偽劣的

10、機(jī)械鎖互開(kāi)率非常之高，此外，即使是一把質(zhì)量過(guò)關(guān)的機(jī)械鎖，通過(guò)急開(kāi)鎖，甚至可以在不損壞鎖的前提下將鎖打開(kāi)。機(jī)械鎖的這些弊端為一種新型的鎖電子密碼鎖，提供了很大的發(fā)展空間。  從目前的技術(shù)水平和市場(chǎng)認(rèn)可程度看，使用最為廣泛的是鍵盤式電子密碼鎖，該產(chǎn)品主要應(yīng)用于保險(xiǎn)箱、保險(xiǎn)柜和取款機(jī)，由于人們對(duì)安全的重視和科技的發(fā)展，許多電子智能鎖（指紋識(shí)別、IC卡辨認(rèn)）已在國(guó)內(nèi)外相繼面世。但是這些產(chǎn)品的特點(diǎn)是針對(duì)特定的指紋和有效卡，只能適用于保密要求的箱、柜、門等。而且指紋識(shí)識(shí)別器在公共場(chǎng)所使用存在容易機(jī)械損壞，IC卡還存在容易丟失、損壞等缺點(diǎn)，再加上其成本較高，一定程度上限制了這類產(chǎn)品的普及和推廣。鑒

11、于目前的技術(shù)水平與市場(chǎng)的接受程度，鍵盤式電子密碼鎖是這類電子防盜產(chǎn)品的主流。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，電子密碼防盜鎖作為防盜衛(wèi)士的作用也日趨重要。電子密碼鎖是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、數(shù)字密碼技術(shù)為一體的機(jī)電一體化高科技產(chǎn)品，具有安全性高，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。  電子密碼鎖是一種通過(guò)密碼輸入來(lái)控制電路或是芯片工作，從而控制機(jī)械開(kāi)關(guān)的閉合，完成開(kāi)鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品。它的種類很多，有簡(jiǎn)易的電路產(chǎn)品，也有基于芯片的性價(jià)比較高的產(chǎn)品?，F(xiàn)在應(yīng)用較廣的電子密碼鎖是以芯片為核心，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其性能和安全性已大大超過(guò)了機(jī)械鎖。1.1 研究目的與意義 本次課程設(shè)計(jì)我們分不同小組實(shí)現(xiàn)射頻式

12、電子密碼鎖的不同模塊。第一組：研制寬帶雙路放大器，帶寬>30M，增益40dB，輸入阻抗和輸出阻抗為75歐。第二組：構(gòu)建一單片機(jī)控制系統(tǒng)，要求具有不少于4個(gè)按鍵，產(chǎn)生一個(gè)具有低相位抖動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)，頻率在10-100M可調(diào)。第三組：構(gòu)建一個(gè)混頻電路，工作帶寬分別>30M。第四組：設(shè)計(jì)調(diào)制、解調(diào)電路模塊。各個(gè)小組協(xié)同工作，共同完成射頻電子密碼鎖的設(shè)計(jì)。我們組設(shè)計(jì)的是混頻器模塊，顧名思義，混頻器是將信號(hào)頻率由一個(gè)量值變換為另一個(gè)量值的過(guò)程。具有這種功能的電路稱為混頻器（或混頻器）。    一般用混頻器產(chǎn)生中頻信號(hào)：  混頻器將天線上

13、接收到的信號(hào)與本振產(chǎn)生的信號(hào)混頻，coscos=cos(+)+cos(-)/2 。其中為信號(hào)頻率量，為本振頻率量，產(chǎn)生和差頻。當(dāng)混頻的頻率等于中頻時(shí)，這個(gè)信號(hào)可以通過(guò)中頻放大器，被放大后，進(jìn)行峰值檢波。檢波后的信號(hào)被視頻放大器進(jìn)行放大，然后顯示出來(lái)。由于本振電路的振蕩頻率隨著時(shí)間變化，因此頻譜分析儀在不同的時(shí)間接收的頻率是不同的。當(dāng)本振振蕩器的頻率隨著時(shí)間進(jìn)行掃描時(shí)，屏幕上就顯示出了被測(cè)信號(hào)在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號(hào)的幅度記錄下來(lái)，就得到了被測(cè)信號(hào)的頻譜。在射頻電子密碼鎖中，我們的混頻器模塊承接第二組的信號(hào)發(fā)生器，對(duì)其輸出的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行混頻，輸出到中頻放大器，用于信號(hào)解調(diào)。

14、1.2 研究背景混頻器是微波集成器件中必不可少的部件，在微波通信、雷達(dá)、遙控、遙感、偵查與電子對(duì)抗系統(tǒng)、以及微波測(cè)量系統(tǒng)中，將微波信號(hào)用混頻器降到中低頻進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)混頻后得到的中頻信號(hào)比原始信號(hào)高，那么此種混頻方式叫做上變頻。由于變頻獲得的中頻頻率較高，所以對(duì)接收機(jī)中中頻放大、濾波、解調(diào)都提出了更高要求，使整個(gè)接收機(jī)成本較高。上變頻可獲得極高的抗鏡像干擾能力，且可獲得整個(gè)頻段內(nèi)非常平坦的頻率響應(yīng)。綜合以上因素，使這種變頻方式通常只有軍用等特殊場(chǎng)合（如軍用電臺(tái)）得到廣泛應(yīng)用，但在民用級(jí)產(chǎn)品中極少見(jiàn)到。 圖一：上變頻原理示意在超外差式接收機(jī)中，如果經(jīng)過(guò)混頻后得到的中頻信號(hào)比原始信號(hào)低，那么此種混

15、頻方式叫做下變頻。由于下變頻方式的電路簡(jiǎn)單，成本較低，所以被廣泛應(yīng)用于民用設(shè)備和對(duì)性能要求不高的軍用設(shè)備中。下變頻的目的是為了降低信號(hào)的載波頻率或是直接去除載波頻率得到基帶信號(hào)。下變頻方式最大的缺點(diǎn)是對(duì)鏡像干擾的抑制能力較差。 圖二：下變頻原理示意1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀接收機(jī)的關(guān)鍵部件之一是晶體檢波器或二極管混頻器，edwin armstrong首次采用真空管作為混頻器，將入射的頻率變?yōu)橹蓄l，再經(jīng)過(guò)很好的選擇性信號(hào)放大或檢波。二戰(zhàn)期間，伴隨著雷達(dá)的發(fā)展，微波混頻器有了進(jìn)一步的發(fā)展，直到上世紀(jì)50年代末，系統(tǒng)噪聲系數(shù)才可以達(dá)到7dB。從微波到毫米波頻率范圍內(nèi)，接收機(jī)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍在很大程度上仍然

16、要靠混頻器。目前，國(guó)內(nèi)外許多科研工作者對(duì)混頻器的理論分析和工程應(yīng)用都做了大量的研究，研制了各種結(jié)構(gòu)和形式的混頻器.而且其中很多取得了不錯(cuò)的指標(biāo)。國(guó)外的研究起步早.工藝也較為先進(jìn).射頻微波混頻器主要為MMIC電路.性能也較為優(yōu)良。1.3.1國(guó)外研究動(dòng)態(tài) 1994年，Jcan-M arc Mourant等人，設(shè)計(jì)了6-I8GHz超寬帶鏡像抑制混頻器.其中的無(wú)源器件是根據(jù)當(dāng)時(shí)最新的研究資料.采用平面小型化結(jié)構(gòu).LO和RF工作頻段為6-18GHz.中頻頻段為400-750MHz.變頻損耗小于9dB. 1995年Hwann-Kaco等人采用缺陷地非對(duì)稱共面波導(dǎo)到共面帶線過(guò)渡結(jié)構(gòu).設(shè)計(jì)了超寬帶巴倫，工作頻

17、率可到50GHz.其回波損耗大于16dB:采用硅肖特基二極管，設(shè)計(jì)了工作頻率可以達(dá)到40GHz的雙平衡混頻器.本振LO到中頻IF端口的隔離度大于30dB.本振LO到射頻RF端口的隔離度大于30dB.變頻損耗小于11dB。 1998年 Shau-Gang Mao等人采用共面波導(dǎo)(CPW)到共面帶線(CPS)過(guò)度巴倫結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用了CPS高通濾波器和低通濾波結(jié)構(gòu).井且論文中提出了等效電路模型。變頻損耗小于10dB. LO-IF的隔離度大于30dB. LO-RF的隔離度大于20dB.本振LO工作頻帶為10GHz-35GHz，中頻工作頻帶為0.1-5GHZ. 2009年Young-Gun Kim等人.

18、采用微帶到共面帶線（CPS)過(guò)渡巴倫結(jié)構(gòu).設(shè)計(jì)了可以從DC到40GHz的超寬帶巴倫。他們采用此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了超寬帶雙平衡混頻器，LO和RF的工作頻率在4-26GHZ范圍內(nèi)，中頻IF在1GHz以下，變頻損耗在10dB以下.此平面結(jié)構(gòu)為二極管的安裝帶來(lái)了方便。1.3.2國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài) 國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展比國(guó)外晚.由于受到加工工藝及集成技術(shù)水平的限制.國(guó)內(nèi)這方而的報(bào)道大部分采用混合集成電路.井且很多都是單獨(dú)做的雙平衡混頻器.或者鏡像抑制混頻器.將二者結(jié)合起來(lái)的比較少。 2000年.Chi-Yang Chang等人.采用共面波導(dǎo)(CPW)到共面帶線(CPS) T型結(jié)過(guò)渡的雙巴倫結(jié)構(gòu).設(shè)計(jì)了平面雙平衡星形混頻器

19、。此平面結(jié)構(gòu)適合MMIC設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的MMIC變頻損耗在通帶內(nèi)為6-10dB。 2008年電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院魏萍等人，采用了雙面微帶漸近線巴倫結(jié)構(gòu)，研究設(shè)計(jì)了雙雙平衡超寬帶微波混頻器，射頻RF和本振LO工作頻段為2-18GHz.中頻IF為0.3-5GHZ.變頻損耗為10dB.本振LO到射傾RF端口的隔離度大于18dB.本振LO到中頻IF端口的隔離度大于17dB。. 2008年電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專業(yè)宣揚(yáng)采用鰭線結(jié)構(gòu)，研究設(shè)計(jì)了“w波段寬帶混頻器”.工作頻率在75-105GHZ范困內(nèi).變頻損耗小于9dB，本振LO到射頻RF端口的隔離度大于25dB。 2009年?yáng)|南大學(xué)毫米

20、波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王彥煒等人.采用半模SIW巴倫設(shè)計(jì)了X波段雙平衡混頻器.經(jīng)測(cè)試.在8.7-9.7GHz的頻率范鬧內(nèi)，變頻損耗小于9dB.噪聲系數(shù)小于10dB.實(shí)物面積60mm X 68mm. 2011年.Fan Fan He等人采用平而S1W結(jié)構(gòu)的魔 T結(jié)構(gòu).設(shè)計(jì)了工作在X波段的單平衡混頻器.變頻損耗在10dB以下。1.4研究方法設(shè)計(jì)混頻電路，并測(cè)試其參數(shù)。混頻器的主要參數(shù)如下：（1）噪聲系數(shù)：混頻器的噪聲定義為：NF=Pno/Pso Pno是當(dāng)輸入端口噪聲溫度在所有頻率上都是標(biāo)準(zhǔn)溫度即T0=290K時(shí)，傳輸?shù)捷敵龆丝诘目傇肼曎Y用功率。Pno主要包括信號(hào)源熱噪聲，內(nèi)部損耗電阻熱噪聲，混頻器件電

21、流散彈噪聲及本振相位噪聲。Pso為僅有有用信號(hào)輸入在輸出端產(chǎn)生的噪聲資用功率。（2）變頻損耗：混頻器的變頻損耗定義為混頻器射頻輸入端口的微波信號(hào)功率與中頻輸出端信號(hào)功率之比。主要由電路失配損耗，二極管的固有結(jié)損耗及非線性電導(dǎo)凈變頻損耗等引起。（3）1dB壓縮點(diǎn)：在正常工作情況下，射頻輸入電平遠(yuǎn)低于本振電平，此時(shí)中頻輸出將隨射頻輸入線性變化，當(dāng)射頻電平增加到一定程度時(shí)，中頻輸出隨射頻輸入增加的速度減慢，混頻器出現(xiàn)飽和。當(dāng)中頻輸出偏離線性1dB時(shí)的射頻輸入功率為混頻器的1dB壓縮點(diǎn)。對(duì)于結(jié)構(gòu)相同的混頻器，1dB壓縮點(diǎn)取決于本振功率大小和二極管特性，一般比本振功率低6dB。（4）動(dòng)態(tài)范圍：動(dòng)態(tài)范圍是

22、指混頻器正常工作時(shí)的微波輸入功率范圍。其下限因混頻器的應(yīng)用環(huán)境不同而異，其上限受射頻輸入功率飽和所限，通常對(duì)應(yīng)混頻器的1dB壓縮點(diǎn)。（5）雙音三階交調(diào)：如果有兩個(gè)頻率相近的微波信號(hào)fs1和fs2和本振fLO一起輸入到混頻器，由于混頻器的非線性作用，將產(chǎn)生交調(diào)，其中三階交調(diào)可能出現(xiàn)在輸出中頻附近的地方，落入中頻通帶以內(nèi)，造成干擾，通常用三階交調(diào)抑制比來(lái)描述，即有用信號(hào)功率與三階交調(diào)信號(hào)功率比值，常表示為dBc。因中頻功率隨輸入功率成正比，當(dāng)微波輸入信號(hào)減小1dB時(shí)，三階交調(diào)信號(hào)抑制比增加2dB。（6）隔離度：混頻器隔離度是指各頻率端口間的相互隔離，包括本振與射頻，本振與中頻，及射頻與中頻之間的隔

23、離。隔離度定義為本振或射頻信號(hào)泄漏到其它端口的功率與輸入功率之比，單位dB。（7）本振功率：混頻器的本振功率是指最佳工作狀態(tài)時(shí)所需的本振功率。原則上本振功率愈大，動(dòng)態(tài)范圍增大，線性度改善（1dB壓縮點(diǎn)上升，三階交調(diào)系數(shù)改善）。（8）端口駐波比：端口駐波直接影響混頻器在系統(tǒng)中的使用，它是一個(gè)隨功率、頻率變化的參數(shù)。（9）中頻剩余直流偏差電壓：當(dāng)混頻器作鑒相器時(shí)，只有一個(gè)輸入時(shí)，輸出應(yīng)為零。但由于混頻管配對(duì)不理想或巴倫不平衡等原因，將在中頻輸出一個(gè)直流電壓，即中頻剩余直流偏差電壓。這一剩余直流偏差電壓將影響鑒相精度。1.5.工作環(huán)境（主要運(yùn)用2個(gè)軟件） 圖1.5.1兩個(gè)軟件的封面1.5.1Alti

24、um Designer Altium Designer 是原Protel軟件開(kāi)發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，主要運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)。這套軟件通過(guò)把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計(jì)者提供了全新的設(shè)計(jì)解決方案，使設(shè)計(jì)者可以輕松進(jìn)行設(shè)計(jì)，熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率大大提高。目前最高版本為：Altium Designer 15.0.7 Build 369151.5.2 詳細(xì)內(nèi)容 電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化 EDA（Electronic Design Automation）指的就是將電路設(shè)計(jì)中各種

25、工作交由計(jì)算機(jī)來(lái)協(xié)助完成。如電路原理圖（Schematic）的繪制、印刷電路板（PCB）文件的制作、執(zhí)行電路仿真（Simulation）等設(shè)計(jì)工作。隨著電子科技的蓬勃發(fā)展，新型元器件層出不窮，電子線路變得越來(lái)越復(fù)雜，電路的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)無(wú)法單純依靠手工來(lái)完成，電子線路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員使用快捷、高效的CAD設(shè)計(jì)軟件來(lái)進(jìn)行輔助電路原理圖、印制電路板圖的設(shè)計(jì)，打印各種報(bào)表。1.5.3 主要功能1 原理圖設(shè)計(jì)2 印刷電路板設(shè)計(jì)3 FPGA的開(kāi)發(fā)4 嵌入式開(kāi)發(fā)5 3D PCB設(shè)計(jì)1.5.3. Multisim 2.1 Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以

26、Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無(wú)需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過(guò)Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。1.6設(shè)計(jì)流程1.6.1 multisim仿真利用EDA仿真軟件mult

27、isim對(duì)設(shè)計(jì)的混頻電路進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)波形的觀測(cè)，確定混頻電路的設(shè)計(jì)是否能夠滿足要求。1.6.2 Altium Designer繪制PCB板利用Altium Designer將原理圖繪制成PCB板，并檢測(cè)其電器特性，生成網(wǎng)格報(bào)表。1.6.3 腐蝕電路板將Altium Designer繪制好的電流圖熱轉(zhuǎn)印到電路板上，并利用三氯化鐵腐蝕劑對(duì)電路板進(jìn)行腐蝕，然后制成電路板實(shí)物。1.6.4 焊接電路電路板腐蝕好以后即開(kāi)始焊接電路，焊接的的時(shí)候注意元器件的型號(hào)和封裝，已經(jīng)參數(shù)的大小，并留好測(cè)試點(diǎn)。1.6.5 測(cè)試及修改電路測(cè)試電路，并且適當(dāng)調(diào)整元器件的參數(shù)，使輸出的中頻信號(hào)更加穩(wěn)定。2、 混頻器理論基

28、礎(chǔ)2.1.1基本概念 混頻：混頻是將中心頻率為fc（載頻）的已調(diào)信號(hào)s，不失真地變換為中心頻率為fI的已調(diào)信號(hào)I的頻率變換過(guò)程。通常將I稱為中頻信號(hào)，fI稱為中頻頻率。1圖2.1圖中，L=VLmcosLt是本地振蕩電壓，L=2fL為本振角頻率。 通常取fI=fL-fC混頻實(shí)質(zhì)：就頻譜搬移觀點(diǎn)而言，混頻的作用就是將輸入已調(diào)信號(hào)頻譜不失真的從fC搬到fI的位置上。因此，混頻電路是一種典型的頻譜搬移電路，可以用相乘器來(lái)實(shí)現(xiàn)。22.1.2實(shí)現(xiàn)模型實(shí)現(xiàn)模型：1圖2.2輸入信號(hào)頻譜（調(diào)制信號(hào)為FminFmax時(shí)）：圖2.3 混頻器輸出電流頻譜：vs=Vsm1+a(t)cosct設(shè)輸入調(diào)幅波本振信號(hào)

29、0;調(diào)制信號(hào)為(t),a(t)(t), 當(dāng)fL>fc時(shí)乘法器輸出電流i為: 圖2.4i經(jīng)LC中頻帶通濾波器后輸出，一般取差頻I=L-C；若取和頻I=L+C。2.1.3幾種典型的混頻器1 二極管環(huán)形混頻器原理及基本組成當(dāng)器件的伏安特性是非線性時(shí)，能實(shí)現(xiàn)混頻。當(dāng)忽略三次方以上的各項(xiàng)時(shí)，非線性器件的輸出電流與輸入電壓之間的關(guān)系可以表示為：式中分別為各項(xiàng)系數(shù)。若。代入上式并利用三角公式進(jìn)行變換，則得到：可見(jiàn)，當(dāng)兩個(gè)不同頻率的高頻電壓作用于非線性器件時(shí)，將產(chǎn)生直流、二次諧波、和頻與差頻等。其中就是所需的頻率分量，即中頻。只要在輸出端接上諧振頻率為中頻的諧振回路，就能濾除不需要的頻率分量，選出中頻電

30、壓。相乘器、晶體三極管、晶體二極管等非線性器件均可實(shí)現(xiàn)混頻。在通信設(shè)備中廣泛采用二極管環(huán)形相乘器構(gòu)成混頻器，稱為環(huán)形混頻器。它主要用于通信系統(tǒng)的微波波段，由兩個(gè)平衡混頻器組成，其電路如圖1 所示。圖中T1、T2 為中心抽頭的寬頻帶變壓器。為了讓二極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，要求本振信號(hào)的功率必須足夠大。該電路的主要優(yōu)點(diǎn)是工作頻帶寬，可達(dá)幾千兆赫茲，噪聲系數(shù)小，動(dòng)態(tài)范圍大。圖2.5二極管構(gòu)成的混頻器2、由MC1496 模擬乘法器由MC1496 模擬乘法器構(gòu)成的混頻器電路如圖7 所示。圖中，LC正弦波振蕩器輸出的10MHz正弦波由10端（X輸入端）注入，高頻信號(hào)源輸出的10MHz正弦波由一端（Y輸入端）輸

31、入，混頻后的中頻電壓由6端經(jīng)形帶通濾波器輸出，其中C17L11C11C19構(gòu)成一選頻濾波回路，調(diào)節(jié)可變電阻Rp能使14腳直流電位差為零，可以減小輸出信號(hào)的波形失真，使電路平衡。在23腳之間加接電阻，可擴(kuò)展輸入信號(hào)的線性范圍。圖2.6 MC1496構(gòu)成的混頻器 3、AD835 -250MHz電壓輸出，4象限放大器（1）主要特征 簡(jiǎn)要：基本功能是w=xy+z 詳細(xì)：滿足最少外部器件要求 快速：0.1%建立時(shí)間為20 ns 直流耦合輸出電壓簡(jiǎn)化使用，差分輸入阻抗高，xyz輸入 低放大噪聲：50nv./HZ（2）產(chǎn)品介紹 Ad835是個(gè)完備的4象限電壓輸出模擬放大器，其良好的絕緣性組裝基于先進(jìn)的雙極工

32、藝。塔產(chǎn)生線性的x與y電壓輸入的結(jié)果，有用輸出為250mhz的3db 帶寬（小信號(hào)上升時(shí)間為1ns）。滿量程（1 V至+1 V）上升至下降時(shí)間為2.5 ns（采用150 標(biāo)準(zhǔn)RL），0.1%建立時(shí)間通常為20 ns。它的微分乘法輸入x與y，它的做加法的輸入z都是高阻抗。低阻抗輸出電壓w能提供+-2.5v電壓和驅(qū)動(dòng)的負(fù)載最低位25歐姆。正常的操作是由+-5v供壓。D835不僅具有出眾的速度性能，而且易于使用，功能豐富。例如，除允許在輸出端添加信號(hào)外，Z輸入端還能使AD835的工作電壓放大高達(dá)約10倍。因此，該乘法器的乘積噪聲非常低（50 nV/Hz），遠(yuǎn)勝于早期產(chǎn)品。D835采用8引腳PDIP封

33、裝（N）和8引腳SOIC封裝（R），額定溫度范圍為40°C至+85°C工業(yè)溫度范圍。（3）產(chǎn)品特色 AD835是首款單芯片250 MHz四象限電壓輸出乘法器。 AD835適用于各種信號(hào)處理應(yīng)用，只需極少的外部器件。 高輸入阻抗(100 k|2 pF)使得信號(hào)源負(fù)載可忽略不計(jì)。 高輸出電流能力支持驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載。 通過(guò)精心優(yōu)化器件并使用特殊的低噪聲帶隙基準(zhǔn)電壓源，可實(shí)現(xiàn)出色的低 噪聲電平。易于使用，性價(jià)比高，適合要求使用混合或板級(jí)解決方案的應(yīng)用。（4）基本理論乘法器基于傳統(tǒng)的形式，擁有跨導(dǎo)線性的核心，支持三線xyz的線性電壓轉(zhuǎn)換，是可以驅(qū)驅(qū)動(dòng)負(fù)載輸出的放大器。分母的電壓u由新

34、設(shè)計(jì)的參考源提供，充分利用超低噪聲性能。圖2-7顯示的是原理框圖簡(jiǎn)化這種表達(dá)方式，在信號(hào)假定是電壓形式，使用這些數(shù)據(jù)表，用以避免無(wú)直覺(jué)運(yùn)用的下變量。我們能把變量看做標(biāo)準(zhǔn)化的1v電壓，如，輸入x的電壓范圍為-11v，后者的表示將促進(jìn)ad835新功能的使用。顯示包含分母u，如果輸入的不是電壓變量，在ad835中將沒(méi)有用。范圍調(diào)整基壓u在等式1中是名義的1.05v。圖18顯示的是基本的放大連接圖，同樣顯示了有效電壓u值是如何在低壓下調(diào)整，通過(guò)使用電阻分壓器在w與z之間，用一般的電阻值顯示，我們可以重新寫(xiě)等式1：這樣以后，u變化為以下的有效值： 此時(shí)不需要z的輸入范圍無(wú)需改變。（這是顯然的，由于底線的

35、輸出只是通過(guò)z輸入管腳）因而，為了設(shè)定u為1v，記住基準(zhǔn)電壓為1.05v，我們需要選擇R1使得其標(biāo)稱值為R2的20倍。這個(gè)值允許u在.951.05v可調(diào)，也就是說(shuō)，R2提供了5%的增益可調(diào)。運(yùn)用Ad835用起來(lái)既簡(jiǎn)單又廣泛。在z輸入管腳出加入另一個(gè)新信號(hào)給輸出的能力是經(jīng)常有意義的。這方面性能的運(yùn)用在于：寬頻帶可控制電壓放大器、振幅調(diào)制器和倍頻器。當(dāng)然，ad835也可用于平方律檢波器（x與y并行輸入），這種模式下可輸入超過(guò)250mhz的信號(hào)，因而，單款的限制僅僅是輸出的放大器。乘法器的連接圖18顯示的是基本乘法器的連接。輸入通常是單面的，也就是x2與y2管腳通常接地，這是在輸入與輸出之間的一種額

36、外的單獨(dú)測(cè)量方法。X與y輸入也可以反向，以獲取所需的特別極性的輸入信號(hào)，或者可以驅(qū)動(dòng)不同。供電去耦和小心板布局在使用寬帶的電路時(shí)是很重要的。在圖18中給以了推薦的去耦方式，應(yīng)當(dāng)給以參照。在數(shù)據(jù)表中保留數(shù)據(jù)中，去耦元件已經(jīng)省去，但是為了獲取最佳的性能即滿足高速輸入的需求通常需要去耦。比例系數(shù)U可以利用在引腳端W和Z之間的電阻分壓器進(jìn)行調(diào)節(jié) 圖2-8芯片的外圍電路2.2帶通濾波器的設(shè)計(jì)帶通濾波器是指能通過(guò)某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器。一個(gè)模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-電容電路。這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來(lái)產(chǎn)生。2.2.1有源帶通濾波器

37、原理 圖2-9圖2-102. 教材例9.3.2電路圖 圖2-11 帶通濾波器2.2.2無(wú)源帶通濾波器的設(shè)計(jì)(1)RLC串聯(lián)電路電路圖為：(2)利用Filter Solution 設(shè)計(jì)帶通濾波器 打開(kāi)軟件Filter Solution 輸入要設(shè)計(jì)的中心頻率為130MHZ,帶寬為30MHZ輸入阻抗為50歐姆，輸出阻抗為50歐姆的3階切比雪夫BPF： 圖2-12 Filter Solution 工作界面調(diào)整參數(shù)后結(jié)果如下：圖2-13帶通濾波器（110M-150M）(3)再利用Filter Solution生成一個(gè)中心頻率為70M，帶寬20M，輸入阻抗輸出阻抗均為50歐姆的2階切比雪夫帶通濾波器 圖2

38、-14 帶通濾波器 （50M-90M）圖2-15 帶通濾波器 （50M-90M）3、 設(shè)計(jì)過(guò)程及仿真multisim篇3.1利用乘法器仿真：圖3-1 圖3-2波形圖乘法器的波形分析：輸入分別是100M和30M 分別是（紅）（黃）輸出為一個(gè)DSB信號(hào)（藍(lán)） 圖3-3總電路圖圖3-4下變頻波 分析： 如圖（黃線）可知圖的周期為t=14.444ns，可知頻率為f=1/T=71M 圖3-5 上變頻圖 分析： 如圖（藍(lán)線）可知圖的周期為t=7.863ns，可知頻率為f=1/T=127M其中乘法器可以由一些電路替代 （1） 二極管環(huán)形混頻器設(shè)計(jì) 圖3-6二極管環(huán)形混頻器此電路圖是根據(jù)二極管環(huán)形混頻器進(jìn)行設(shè)

39、計(jì)的上變頻混頻器，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，濾波清晰，選頻濾波器的中心頻率為56.234MHZ,帶寬只有14MHZ。 圖3-7此時(shí)輸出的上變頻混頻波形為： 圖3-8 混頻后的波形波形良好，無(wú)失真現(xiàn)象。（2）模擬乘法器混頻電路：本次實(shí)驗(yàn)采用現(xiàn)成的四象限模擬乘法器芯片MC芯片做，實(shí)驗(yàn)電路圖如下： 圖3-9 MC1458乘法器及電路圖仿真結(jié)果分析：濾波波形無(wú)失真現(xiàn)象，模擬乘法器在理想仿真的情況下能夠滿足混頻器實(shí)驗(yàn)的要求。3.2帶通濾波器電路的設(shè)計(jì)及仿真3.2.1 RLC串聯(lián)濾波器圖3-10此種濾波器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便計(jì)算，不過(guò)主要存在的問(wèn)題是當(dāng)頻率過(guò)高時(shí)，R、L、C的值很難達(dá)到指定的要求。設(shè)計(jì)為上變頻混頻電路時(shí)，

40、若頻率達(dá)到100MHZ以上，帶寬30MHZ以上時(shí)，電容的容值很容易就低于1PF，實(shí)際標(biāo)稱值很難達(dá)到。 圖3-11上變頻濾波器此時(shí)帶通濾波器的中心頻率為122.7MHZ，帶寬為32MHZ： 圖3-12下變頻濾波器仿真如下修改參數(shù)后電路中心頻率為42MHZ，帶寬38MHZ?；旧蠞M足實(shí)驗(yàn)的要求。3.3 芯片方案選擇由于考慮到二極管環(huán)形混頻器的仿真波形特別的完美，并且電路極其簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，繪制電路板容易。但是二極管環(huán)形混頻器由于使用了耦合線圈，暫時(shí)沒(méi)有辦法將其隔出，并模擬乘法器設(shè)計(jì)的混頻電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不過(guò)考慮到線圈對(duì)高頻信號(hào)的影響，故不得不對(duì)此方案施以取舍。各種模擬乘法器對(duì)輸入高頻信號(hào)的頻率都有一

41、定的適用范圍，如MC1458，其頻帶使用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到100Mhz，我們只能運(yùn)用它檢測(cè)我們的設(shè)計(jì)思想是否能夠滿足設(shè)計(jì)混頻器的要求。轉(zhuǎn)而采用更專業(yè)的集成四象限模擬乘法器芯片如AD831、AD834、AD835等等。3.3.1 AD835芯片管腳考慮到價(jià)格及芯片的各項(xiàng)參數(shù)，我們選擇AD835低功耗的四象限模擬乘法器芯片。其芯片管腳如下：3.4.2 AD831芯片內(nèi)部原理圖采用5V電源供電，電路不僅功耗低而且實(shí)驗(yàn)室5V的電源比較常見(jiàn)，方便后期的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。 四、設(shè)計(jì)過(guò)程 Altium Designer篇1.1原理圖新建pcb項(xiàng)目。在PCB中建立原理圖文件和pcb文件 圖（4.1）新建項(xiàng)目1.2添加和使

42、用庫(kù)具體步驟： File>New>Project>Integrated Library,即可新建一個(gè)集成庫(kù)新建原理圖庫(kù) File>New>Library>Schematic Library,即可新建一個(gè)原理圖庫(kù)新建PCB庫(kù) File>New>Library>PCB Library,即可新建一個(gè)PCB庫(kù)保存以上三個(gè)新建的庫(kù)：右鍵單擊新建的庫(kù)，選擇保存，即可 圖（4.2）新建原理圖庫(kù)實(shí)驗(yàn)元件清單 AD835 下面是AD835的原理圖庫(kù) 圖（4.3） AD835原理圖庫(kù)1.3建立完原理圖庫(kù) 記住保存，方便調(diào)用先選擇一個(gè)元件庫(kù)，再點(diǎn)place xx

43、x 拖動(dòng)到原理 圖（4.4）新建的庫(kù)以schlib開(kāi)頭的庫(kù)，包括： schlib排線，schli接口，schlib res ，schlib151，schlib1，schlib2 圖（4.5）從自制的schlib1庫(kù)調(diào)用741381.4原理圖的連接 圖（4.6）擺放元件 由于我們所做的混頻器是承接上一個(gè)實(shí)驗(yàn)的輸出作為我們的輸入，所以需要制作上下變頻。 圖（4.7）AD835外部電路 如5.7所示，該部分為AD835的外部電路，組成了混頻器中的乘法器部分，作用是混合兩個(gè)輸入信號(hào)，從而輸出所需要的信號(hào)。 圖（4.8）上變頻電路 如圖（5.8）所示，該電路由電感，電容，電阻組成，構(gòu)成帶通濾波器，起到了

44、上變頻的作用。 圖（4.9）下變頻電路 如圖（5.9）所示，該電路由電感，電容，電阻組成，構(gòu)成帶通濾波器，起到了下變頻的作用。 圖（4.10）連接元器件 P1P10為排針。其中包括了VCC，接地，輸入及輸出，其余原件為圖（5.7）（5.8）（5.9）的組合。AD835 的五管腳為輸出，接入兩個(gè)帶通濾波器的輸入端。1.5元件的封裝原理圖庫(kù)中繪制自制元件后完成封裝， 圖（4.11）自制AD835原理圖庫(kù)下面進(jìn)項(xiàng)PCB封裝 圖（4.12）建立PCB元件庫(kù) 圖（4.13）PCB元件庫(kù) 打開(kāi)圖（4.12）即得到圖（4.13）所示界面。 圖（4.14）元器件向?qū)?圖（4.15）向?qū)Р襟E1點(diǎn)擊下一步 圖（4.16）向?qū)Р襟E2AD835我們選擇的直插式芯片，所以選擇如圖所示。單位要改為毫米。 圖（4.17）AD835引腳相關(guān)數(shù)據(jù)官網(wǎng)所得數(shù)據(jù)，分為DIP與SOIC式。因DIP較SOIC來(lái)說(shuō)，更加容易焊制。所以選擇DIP 。 圖（4.18）向?qū)Р襟E3 對(duì)焊盤尺寸進(jìn)行改變。從AD835官網(wǎng)搜得數(shù)據(jù)，如圖（4.17）進(jìn)行制作。下一步。 圖（4.19）向?qū)Р襟E4 選擇與原件相同的格式 圖（4.20）向?qū)Р襟E5選擇下一步 圖（4.21）向?qū)Р襟E6 由于AD835是8管腳的，選擇以“DIP-8”開(kāi)頭的 圖（4.22）向?qū)Р襟E7 下一步 圖（4.23）向?qū)Р襟E8完成 圖