基于MC1496的混頻器的設(shè)計(jì)說明

..課程設(shè)計(jì)高頻電子線路高頻電子線路課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告班級(jí)：__學(xué)號(hào)：指導(dǎo)成績(jī)：電子與信息工程學(xué)院電子與信息工程學(xué)院信息與通信工程系基于MC1496的混頻器的設(shè)計(jì)一、概述混頻器在高頻電子線路和無線電技術(shù)中,應(yīng)用非常廣泛,在調(diào)制過程中,輸入的基帶信號(hào)都要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換變成高頻的已調(diào)信號(hào)。在解調(diào)過程中,接受的已調(diào)高頻信號(hào)也要經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換,變成對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)。特別是在超外差式接收機(jī)中,混頻器應(yīng)用比較廣泛,如AM廣播接收機(jī)將已調(diào)信號(hào)535KHZ-1605KHZ要變成465KHZ的中頻信號(hào),電視接收機(jī)將48.5M-870M的圖像信號(hào)要變成38M關(guān)鍵詞：模擬相乘器MC1496；混頻電路1．混頻器1.1基本概念混頻是將已調(diào)波中載波頻率變換為中頻頻率,而保持調(diào)制規(guī)律不變的頻率變換過程。fI=fL-fC或fI=fL+fC〔其中fI表示中頻頻率,fL表示本振頻率,fC表示載波頻率。一般取差頻圖1是混頻電路組成原理圖?；祛l電路的輸入是載頻為fc的高頻已調(diào)波信號(hào)us<t>和頻率為fL的本地正弦波信號(hào)<稱為本振信號(hào)>uL<t>,輸出是中頻為fI的已調(diào)波信號(hào)uI<t>。通常取fI=fL-fc。以輸入是普通調(diào)幅信號(hào)為例,若us<t>=Ucm［1+mauΩ<t>］cos2πfct,本振信號(hào)為uL<t>=ULmcos2πfLt,則輸出中頻調(diào)幅信號(hào)為uI<t>=UIm［1+mauΩ<t>］cos2πfIt?？梢?調(diào)幅信號(hào)頻譜從中心頻率為fc處平移到中心頻率為fI處,頻譜寬度不變,包絡(luò)形狀不變。圖2是相應(yīng)的頻譜圖。圖1混頻電路原理圖圖1混頻電路原理圖fcfLf<a><b>fI=fL-fc圖2圖2中〔a混頻前〔b混頻后中頻調(diào)幅波上下邊帶與原調(diào)幅波上下邊帶是倒置的本地振蕩信號(hào)為高頻等幅波雖然混頻電路與調(diào)幅電路、檢波電路同屬于線性頻率變換電路,但它卻有兩個(gè)明顯不同的特點(diǎn):①混頻電路的輸入輸出均為高頻已調(diào)波信號(hào)。由前幾節(jié)的討論可知,調(diào)幅電路是將低頻調(diào)制信號(hào)搬移到高頻段,檢波電路是將高頻已調(diào)波信號(hào)搬移到低頻段,而混頻電路則是將已調(diào)波信號(hào)從一個(gè)高頻段搬移到另一個(gè)高頻段。②混頻電路通常位于接收機(jī)前端,不但輸入已調(diào)波信號(hào)很小,而且若外來高頻干擾信號(hào)能夠通過混頻電路之前的選頻網(wǎng)絡(luò),則也可能進(jìn)入混頻電路。選頻網(wǎng)絡(luò)的中心頻率通常是輸入已調(diào)波信號(hào)的載頻?；祛l電路中的非線性器件對(duì)于實(shí)現(xiàn)頻譜搬移這一功能是必不可少的。但是另一方面,其非線性特性不但會(huì)產(chǎn)生許多無用的組合頻率分量,給接收機(jī)帶來干擾,而且會(huì)使中頻分量的振幅受到干擾,這兩類干擾統(tǒng)稱為混頻干擾。它們都會(huì)使有用信號(hào)產(chǎn)生失真。由于以上兩個(gè)特點(diǎn),混頻電路的干擾來源比其它非線性電路要多一些。分析這些干擾產(chǎn)生的具體原因,提出減小或避免干擾的措施,是混頻電路討論中的一個(gè)關(guān)鍵問題。1.2變頻干擾〔哨聲干擾信號(hào)本振〔交叉〔寄生〔本振調(diào)制通道噪聲干擾噪聲〔互相調(diào)制〔倒易混頻圖1-2混頻干擾分類及其名稱示意圖哨叫干擾是由于變頻器不滿足時(shí)變參量線性電路條件而形成。這是,信號(hào)本身的諧波不可忽略,其產(chǎn)生干擾的條件是︱±pwl±qwc︱=wI+W式中,W是可聽的音頻頻率。上式包括以下四種情況PwL-qwc=wI+W-pwL+qwc=wI+WpwL+qwc=wI+W-pwL-qwc=wI+W如取wI=wL-wc,則第三種情況是不可能的,第四種情況是不存在的。而是第一、二種情況可寫成pwL-qwc=±<wI+W>通常Wi≥W,因此上式可化簡(jiǎn)為wc≈<p1±1>wI/<q-p>上式表明,當(dāng)信號(hào)頻率wc和已選定的中頻頻率wI滿足上式關(guān)系時(shí),就可能產(chǎn)生干擾哨叫聲。若p和q取不同的正整數(shù),則可產(chǎn)生干擾哨聲的信號(hào)頻率就會(huì)有無限多個(gè),并且其值均接近于wI的整數(shù)倍或分?jǐn)?shù)倍。但實(shí)際上,一旦任何一部接收機(jī)的工作頻率段都是有限寬的；二因混頻器管集電極電流組合中組合頻率分量的振幅總是隨著〔p+q的增加而迅速地減小,因而只有對(duì)應(yīng)于p和q值較小的信號(hào)才會(huì)產(chǎn)生明顯的干擾哨聲,而對(duì)應(yīng)于p和q較大的信號(hào)所產(chǎn)生的干擾哨聲均可忽略。由此可見,減少干擾噪聲的方法是合理選擇中頻頻率,將產(chǎn)生最強(qiáng)的干擾哨聲的頻率移到接收頻段以外。其次是限制信號(hào)和本振電壓的振幅不宜過大。寄生通道干擾寄生通道干擾是由于變頻器必須工作在非線性狀態(tài)而形成的。如果變頻器前的高頻放大器也具有非線性特性,則當(dāng)頻率為wM的干擾信號(hào)Vm<t>通過放大器是,產(chǎn)生了wM的各次諧波,用qwM表示,q=0,1,2,...他們與本振信號(hào)各次諧波差排,如滿足︱±pwL±qwM︱≈Wi該干擾信號(hào)將通過接收機(jī),造成對(duì)有用信號(hào)的干擾,稱這種煩擾為寄生通道干擾。對(duì)于中頻干擾,混頻電路十幾起到中頻放大的作用,因而它具有比有用信號(hào)更強(qiáng)的傳輸能力；對(duì)于像頻干擾,它具有與有用通道相同的變換能力。只要這兩種干擾信號(hào)一旦加到混頻電路輸入端,就無法將其削弱或抑制。因此,減少中頻和像頻干擾的主要方法是提高混頻電路前級(jí)的選擇性。交叉調(diào)制干擾交叉調(diào)制干擾是由于混頻器或高頻放大電路的非線性傳輸特性產(chǎn)生的。交調(diào)干擾僅與干擾信號(hào)振幅有關(guān),而與頻率無關(guān),因此它是一種危害性更大的干擾,減少交調(diào)干擾的有效方法是提高混頻電路前級(jí)的選擇性?；ハ嗾{(diào)制干擾互相調(diào)制干擾也是由于混頻電路或高頻放大電路的非線性傳輸特性產(chǎn)生的。減少互調(diào)干擾的主要方法是提高混頻電路前的選擇性和設(shè)法是混頻器件特性四次方項(xiàng)以及四次方項(xiàng)以上的偶次方項(xiàng)系數(shù)為零。本振噪聲干擾與倒易混頻干擾一般情況下,特別是在厘米波段混頻電路中,本機(jī)振蕩電路提供本真信號(hào)的同時(shí),還不可變地會(huì)產(chǎn)生噪聲,其頻譜按本振回路諧振特性曲線形狀分布。這樣,混頻器件就可以把那些與本振頻率相差一個(gè)中頻的噪聲頻譜分量變換為中頻通頻帶內(nèi)的噪聲,使混頻電路的噪聲輸出增大,通常稱為本振噪聲干擾。減少振蕩器噪聲影響的一個(gè)最基本和最重要的手段是提高振蕩器的選頻回路的Q值,回路Q值越高,諧振曲線也越尖銳,對(duì)噪聲的衰減也越大,一般LC組成的回路,其空載Q值一般在300以下。為提高回路Q值人們采用了許多方法,其中采用石英晶體振蕩器是最有效的方法之一。2.模擬乘法器1.基本概念含義：可實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)互不相關(guān)模擬信號(hào)相乘的三端口的非線性電子器件〔AM為相乘增益,亦稱比例系數(shù)或標(biāo)尺因子模擬乘法器是一種完成兩個(gè)模擬信號(hào)〔連續(xù)變化的電壓或電流相乘作用的電子器件,通常具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端,電路符號(hào)如圖3所示。UUx圖3模擬乘法器電路符號(hào)UyUoK若輸入信號(hào)為,,則輸出信號(hào)為：=k<k為乘法器的增益系數(shù)或標(biāo)尺因子,單位為V.>根據(jù)兩個(gè)輸入電壓的不同極性,乘法輸出的極性有四種組合,如圖4所示的工作象限來說明。II<+><+>=<+>II<-><+>=<->III<-><->=<+>IV<+><->=<->圖4模擬乘法器的工作象限若信號(hào)、均限定為某一極性的電壓時(shí)才能正常工作,該乘法器稱為單象限乘法器；若信號(hào)、中一個(gè)能適應(yīng)正、負(fù)兩種極性電壓,而另一個(gè)只能適應(yīng)單極性電壓,則為二象限乘法器；若兩個(gè)輸入信號(hào)能適應(yīng)四種極性組合,稱為四象限乘法器。一個(gè)理想的乘法器中,其輸出電壓與在同一時(shí)刻兩個(gè)輸入電壓瞬時(shí)值的乘積成正比,而且輸入電壓的波形、幅度、極性和頻率可以是任意的。對(duì)于一個(gè)理想的乘法器,當(dāng)、中有一個(gè)或兩個(gè)都為零時(shí),但在實(shí)際乘法器中,由于工作環(huán)境、制造工藝及元件特性的非理想性,當(dāng),時(shí),,通常把這時(shí)的輸出電壓稱為輸出失調(diào)電壓；當(dāng),〔或,時(shí),,這是由于〔或信號(hào)直接流通到輸出端而形成的,稱這時(shí)的輸出電壓為〔或的輸出饋通電壓。輸出是調(diào)電壓和輸出饋通電壓越小越好。此外,實(shí)際乘法器中增益系數(shù)K并不能完全保持不變,這將引起輸出信號(hào)的非線性失真,在應(yīng)用時(shí)需加注意。2．傳輸特性直流和低頻傳輸特性零輸入響應(yīng)：零輸入狀態(tài)時(shí),是非零的輸出,存在誤差電壓〔輸出失調(diào)電壓和饋通誤差電壓直流傳輸特性〔一個(gè)輸入為直流時(shí)平方律特性〔V1=V2非線性傳輸特性正弦信號(hào)傳輸特性二、硬件設(shè)計(jì)下圖為模擬乘法器混頻電路,該電路由集成模擬乘法器MC1496完成。本實(shí)驗(yàn)中輸入信號(hào)頻率為fS＝10MHz<由DDS信號(hào)發(fā)生器輸出>,實(shí)驗(yàn)箱自己提供的信號(hào)源作為本振信號(hào),其頻率fL＝16.465MHz。為了實(shí)現(xiàn)混頻功能,混頻器件必須工作在非線性狀態(tài),而作用在混頻器上的除了輸入信號(hào)電壓VS和本振電壓VL外,不可避免地還存在干擾和噪聲。它們之間任意兩者都有可能產(chǎn)生組合頻率,這些組合信號(hào)頻率如果等于或接近中頻,將與輸入信號(hào)一起通過中頻放大器、解調(diào)器,對(duì)輸出級(jí)產(chǎn)生干涉,影響輸入信號(hào)的接收。干擾影響最大的是中頻干擾和鏡象干擾。MC1496采用雙電源+12V,-12V供電。R12,R13組成平衡電路,J7為本振信號(hào)輸入端；J8為接收信號(hào)輸入端；F2為中心頻率為4.5MHz帶通濾波器。輸入信號(hào)頻率fs=4.5MHZ,本振頻率fL=8.7MHZ。電路的作用是將中心頻率為fs的信號(hào),變換為中心頻率為fI的信號(hào)。電路的基本工作過程是,接收到的頻率為fs的信號(hào)和頻率為fL的本振信號(hào)分別加到非線性集成模擬相乘器的兩個(gè)相乘端,相乘的結(jié)果經(jīng)過晶體濾波器,選出其中的fI信號(hào),實(shí)現(xiàn)了頻率變換的功能。MC1496構(gòu)成的混頻器三、模擬仿真根據(jù)設(shè)計(jì)方案,應(yīng)用計(jì)算機(jī)Multisim軟件進(jìn)行了模擬仿真。顯示輸出得到雙邊帶的調(diào)幅波波形,及調(diào)幅波的頻譜。四、結(jié)論和總結(jié)結(jié)論:有計(jì)算值與仿真值的比較可得,本設(shè)計(jì)基本完成了設(shè)計(jì)要求,并且由示波器可觀察到相應(yīng)的波形,仿真值基本滿足要求,說明電路各部分均正常工作。美中不足的是仿真結(jié)果同理論值仍存在一定的誤差,需要進(jìn)一步改善電路的性能,使電路更加精確和抗干擾能力更強(qiáng)?？偨Y(jié)：這次課程設(shè)計(jì)我們按照課程設(shè)計(jì)上的程序,先復(fù)習(xí)混頻電路的原理,然后選擇電路,計(jì)算關(guān)鍵元件的值,學(xué)習(xí)Multisim的使用,最后連線調(diào)試出預(yù)期的混頻和濾波效果.在做課程設(shè)計(jì)報(bào)告時(shí)我對(duì)混頻的認(rèn)識(shí)只限于基本原理和理論---在通信接受機(jī)中,混頻電路的作用在于將不同載頻的高頻已調(diào)波信號(hào)變換為同一個(gè)固定載頻中的高頻已調(diào)波信號(hào)。調(diào)幅信號(hào)頻譜寬度不變,包絡(luò)形狀不變。正式開始設(shè)計(jì)后,在對(duì)電路的實(shí)現(xiàn)中,我先學(xué)習(xí)了Multisim軟件的使用,這個(gè)虛擬電子實(shí)驗(yàn)室可以仿真各種電路。應(yīng)用過程中我發(fā)現(xiàn)這個(gè)軟件確實(shí)功能強(qiáng)大的操作軟件！在搭設(shè)電路的過程中,我對(duì)混頻電路有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí),將理論知識(shí)加入實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中去,更加加深了我對(duì)理論知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)。在設(shè)計(jì)過程中曾遇到高頻干擾,輸出波形失真相當(dāng)嚴(yán)重,經(jīng)過同學(xué)的幫助,失真現(xiàn)象有了明顯的改善,最終得到比較理想的結(jié)果。兩周的課程設(shè)計(jì)中遇