模拟乘法器应用实验教学PPT.ppt

实验四 模拟乘法器应用实验 模拟乘法器是一种利用晶体管的非线性特性 经过电路上巧妙安排 在输出中把两路输入信号抵消掉仅保留由非线性产生的两路输入信号的乘积项 从而获得良好的乘积特性的集成器件 其用途广泛 除用于各种频率变换 如平衡调制 混频 倍频 同步检波 鉴频 鉴相 自动增益控制等电路外 还可与放大器结合完成许多数学运算 常用的模拟乘法器有双差分模拟乘法器mc1496 mc1596 四象限模拟乘法器bg314及超高频四象限乘法器a0834等 实验任务与要求 实验目的 1 了解模拟乘法器的工作原理 2 学会利用模拟乘法器完成平衡调制 混频 倍频 同步检波 鉴相及鉴频等功能 实验仪器 高频信号发生器qf1055a一台 超高频毫伏表da22a一台 频率特性测试仪bt 3c一台 直流稳压电源hy1711 2一台 数字示波器tds210一台 实验任务与要求 基本实验的实验线路及说明实验电路如图1所示 该电路可用来实现普通调幅 平衡调制 混频 倍频 同步检波等功能 图中rl为负载电阻 rb是偏置电阻 re是负载反馈电阻 rw和r1 r2组成平衡调节电路 调节rw 可使1 4两脚的直流电位差为零 从而满足平衡调幅的需要 若1 4脚直流电位差不为零 则1 4输入包括调制信号和直流分量两部分 此时可实现普通调幅波 电感l1和c1 c2组成bpf以混频输出所需的465khz中频信号 同步检波可用前边的限幅器 未给处 和模拟乘法器及低通滤波器 l2c3c4 构成 图1 模拟乘法器应用电路一 振幅调制 混频等 基本命题1 实验前 所有实验先进行计算机仿真 研究载波 调制信号大小及频率变化 直流分量大小对已调信号的影响 2 用模拟乘法器mc1596实现正弦调幅 分别加入fx 500khz ux 100mv fy 10khz uy 0 2v的信号时调电位器rw工作在不平衡状态时便可产生含载波的正弦调幅信号 a 保持ux t 不变 改变uy值 50mv 100mv 150 v 200mv 250mv 从大到小测 时 观察uo t 的变化 并作出m uy t 关系曲线 m指以调信号的调幅系数测试时可用公式m a b a b b 保持uy t 不变 fy由小到大变化时 输出波形又如何变化 3 用模拟乘法器mc1596实现平衡调幅波 a 调平衡 将乘法器y输入端接地 即uy t 0 x输入端加入fx 500khz ux 50mv的输入信号 调电位器rw使uo t 0 b分别加入fx 500khz ux 50mv fy 50khz uy 200mv的信号时 微调rw即可得到平衡的双边带信号 描绘uo t 的波形 要特别注意调制信号过零时载波倒相现象 c 保持ux t 不变 使uy t 由小到大变化 观察uo t 的变化 记下变化结果 并测出最大不失真的uo t 所对应的uy t 的大小 d 保持ux t 不变 fy变化时uo t 变化情况如何 4 用mc1596实现倍频 调整模拟乘法器仍工作在平衡状态 在x输入端和y输入端同时加fi 200khz ui 50mv信号 微调rw 用示波器双踪观察uo t 和ui t 的关系 即有fo 2fi 5 用mc1596实现混频 在乘法器输入端分别加入fx 565khz ux 50mv和fy 100khz uy 0 1v信号 在乘法器输出端接入465khz的带通滤波器 使可得到两信号的差频输出 实现混频作用 记录输出波形及频率值 6 用mc1596实现同步检波 按原理电路 图1 连接 当输入端加入调幅波信号时 该信号载波频率为500khz 大小为50mv 调制频率为1khz m 30 时 分别观察图中a b c及输出uo t 的波形 扩展命题 1 用模拟乘法器实现鉴频 实验电路如图2 输入信号us其载频fc 10 7mhz 调制频率f 1khz 频偏 fm 75khz 载波幅度ucp p 40mv 观察uo t 并测出整个电路的特性曲线 即鉴频特性曲线 本实验用扫频仪进行 扫频仪的使用请参考本章第一节相关内容 图2给出的是用模拟乘法器mc1596实现的相位鉴频电路 其中c1与并联谐振回路lc共同组成线性移相网络 将调频波的瞬间时频率变化转变为瞬时相位的变化 即fm波变为fm pm mc1596的作用是将fm波与fm pm波相乘 输出端接集成的差分放大器将双端输出变为单端输出 再经rc构成的lpf输出 模拟乘法器应用电路二 鉴频器 2 如何用模拟乘法器实现自动增益控制 3 平衡调制过程中会出现哪几种不正常的波形 试分析原因 4 调幅时出现的过调制波形如何 原因是 用实验说明 整理所测数据及波形 认真分析各种频率变换 用坐标纸画出所测波形 写出规范的实验报告 并谈谈自己的体会 实验说明及思路提示 mc1596 mc1496 电原理图和引脚图如图3所示模拟乘法器的典型应用及仿真波形1 平衡调制 抑制载波调制 dsb sc 即乘法器在载波和调制同时输入时 通过平衡调整 接在信号uy通路的电位器 使载波馈通为零 输出端只有两输入信号的乘积项 从而完成平衡调制 实现框图如图4 图3 mc1596内部电路及引脚功能图如下 图4 平衡调制框图如下 由框图有 用图1进行平衡调幅仿真 其波形和频谱分别见图 5 a 5 b 图5 a 双边带平衡调幅波形如下 图5 b 双边带平衡调幅频谱如下 仿真条件 载波频率fx 500khz u 10mv 调电位器工作在平衡状态调制频率fy 10khz 调制电压uy 0 2v2 普通调幅 am 框图如图4 实验时乘法器因工作在不平衡状态 从而y通道存在直流而输出调幅波 关系同学们可自行推导 仿真波形及频谱如图6 a 6 b 所示 仿真条件 载波ucm 50mv fx 500khz 调制频率fy 10khz uy 0 5v 图6 a 普通调幅波波形如下 图6 b 普通调幅波频谱如下 3 倍频原理框图如图7所示 输入输出关系自行推导 仿真波形如图8所示 需注意的是 倍频实现时模拟乘法器必须工作在平衡状态 仿真条件 ux uy 20mv fx fy 200khz 由图8看出 输出其频率为400khz 实现了倍频作用 图7 倍频实现原理方框图如下 图8 倍频波形对比图如下 4 混频 原理框图如图9 两路输入信号 其频率相差一个中频 经模拟乘器在输出端产生其差频分量 该分量经过带通滤波器选择 中心频率为差频 即完成混频作用 图9 混频实现框图如下 5 同步检波 原理框图如图10 设输入的调幅信号电压经限幅后得到的电压为模拟乘法器输出uo则为从上式可以看出uo t 中不仅有 成分 还有 2 c成分及2 c 2 c 等成分 只要通过低通滤波器便可以得到只有 成分的调制信号 从而完成了检波作用 图10 同步检波的实现框图如下 6 鉴相 所谓鉴相就是相位检波 用以比较两相同频率的信号的相位差 原理框图如图11所示 图11 鉴相器实现框图如下 ux ui uicos ituy kuicos it 经lpf后 u0 t k cos 7 鉴频 鉴频是调频的逆过程 广泛采用的鉴频电路是相位鉴频器 其鉴频原理是 先将fm波经过一个线性移相网络变换成fm pm波 然后再与调频波经乘积型鉴相器进行鉴相 实现框图如图12 图12 模拟乘法器实现鉴频框图如下 设经移项后乘法器的输出为经lpf后 u0 t k sin 从上式可以看出 输出信号是相移网络的相频特性 的函数 当 0 4rad sin 即输出电压正比于 因为 正比于输入调频波的频率变化 频 率变化又正比于调制信号 从而有输出电压正比于调制电压 实现了鉴频作用 即有 u0 t k u t 模拟乘法器应用设计举例模拟乘法器应用设计包括 a 模拟乘法器静态偏置的确定 b 完成各种应用电路的设计 静态偏置电压的确定 以mc1596为例1 静态偏置电压的设置原则应保证每个晶体管工作在放大状态 对于图3所示的内部电路 应用时静压应满足下列关系 即u8 u10 u1 u4 u6 u12 另外晶体管的集 基极间的电压应大于或等于2v 小于或等于最大允许工作电压 即满足 15v u6 u12 u8 u10 2v15v u8 u10 u1 u4 2 7v15v u1 u4 u5 2 7v2 静态偏流的确定静态时 因差分各管的基极偏流很小 因此乘法器的静态偏置电流主要由恒流源io的值确定 当器件单电源工作时 14脚接地 5脚外接偏置电阻到vcc 由于io是i5的镜像电流 所以改变电阻r5可以调节io的大小 即io i5 12v 0 7 r5 500 当器件为双电源工作时 引脚14接负电源 uee 一般接 8v 5脚通过电阻r5接地 因此 改变r5也可以调节io的大小 即io i5 uee 0 7v r5 500 根据mc1596的性能参数 器件的静态电流小于4ma 一般取io i5 1ma左右 在uee 8v时 r5常取6 8k 器件的总耗散功率可由下式估算 pd 2i5 u6 u14 i5 u5 u14 pd的值应小于器件的最大允许耗散功率 33mw 3 负反馈电阻对模拟乘法器输出性能的影响 应用时 载波