(最终)混频器文档

1、 通信电子线路课程设计说明书 三极管混频器 系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 肖文广 指导教师： 贾雅琼 职称 讲师 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子0902班 完成时间： 2011年12月11日 摘 要 混频器在通信工程和无线电技术中，应用非常广泛，在调制系统中，输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号。在解调过程中，接收的已调高频信号也要经过频率的转换，变成对应的中频信号。特别是在超外差式接收机中，混频器应用较为广泛，如AM 广播接收机将已调幅信号535KHZ-一1605KHZ要变成为465KHZ中频信号，电视接收机将已调485M一870M 的图象信号要变成38MH

2、Z的中频图象信号。移动通信中一次中频和二次中频等。在发射机中，为了提高发射频率的稳定度，采用多级式发射机。用一个频率较低石英晶体振荡器做为主振荡器，产生一个频率非常稳定的主振荡信号，然后经过频率的加、减、乘、除运算变换成射频，所以必须使用混频电路，又如电视差转机收发频道的转换，卫星通讯中上行、下行频率的变换等，都必须采用混频器。由此可见，混频电路是应用电子技术和无线电专业必须掌握的关键电路。人们一直都在寻求快速远距离通信的手段。但是，直到十八世纪中叶才有了现代意义上的快速远距离通讯手段，这归功于无线电的发明。一个多世纪以来，通信的方式和内容不断更新发展，从最初的莫尔斯电码到现在的卫星通讯，现代

3、通讯技术正成为人们日常生活中越来越重要的角色。作为无线传输体系中不可缺少的重要环节，混频技术，如晶体管混频，二极管混频以及场场效应管混频等，被广泛应用于各种通讯设备中， 实现信号频谱的搬移。混频的用途是广泛的，它一般用在接收机的前端。除了在各类超外差接收机中应用外在频率合成器中为了产生各波道的载波振荡，也需要用混频器来进行频率变换及组合在多电路微波通信中，微波中继站的接收机把微波频率变换为中频，在中频上进行放大，取得足够的增益后，在利用混频器把次中频变换为微波频率，转发至下一站此外，在测量仪器中如外差频率计，微伏计等也都采用混频器。因此，做有关混频电路的课题设计很能检验对高频电子线路的掌握程度

4、；通过混频器设计，可以巩固已学的高频理论知识。此外为辅助电路，此次的课程设计还应用了LC谐振回路以及RC二阶有源滤波器，以实现对干扰信号的有效抑制。关键词： 混频器；超外差接收机；有源滤波器ABSTRACTThe mixer in communication engineering and radio technology, are widely used in the modulation system, the input of baseband signal are through frequency conversion become already tuning frequency

5、signal. In the process, receiving demodulation already tuning frequency signal also should pass frequency conversion, become the corresponding mid-frequency signal. Especially in specialized superheterodyne receivers of type, mixers are more widely application, such as kfi-am radio receiver will be

6、already amplitude modulated signal 535KHZ - a 1605KHZ to become 465KHZ mid-frequency signal, for television receiver will have a 870M 4.85 M tone of image signal to become 38MHZ of intermediate frequency image signal.people are always looking for fast way to communicate over distance, to transfer or

7、 to exchange information. Modern long distance communication technology was invented in mid of 18th century thanks to the invention of radio technology. Since then, this technology was well developed and many new methods came out. From Morse code to satellite, modern communication is playing more an

8、d more important role. As a key part of radio technology mixing, e.g. transistor mixer, diode mixer and FET mixer, etc. are broadly used in different system，to shift frequency.The figure hereafter illustrated the basic components of a communication system. There are kinds of communication technology

9、; they are not going to be introduced here one by one. However most of the transmitters and receivers are made by RF system. The topic of this document is to design and simulate a key unit circuit of wireless communication system - mixer.Mixing technology is very useful; normally they are applied by

10、 the front end of receiver. They are used by superheterodyne receiver, frequency synthesizer, microwave repeater and instruments. Therefore, this kind of design practice can greatly help to understand RF knowledge well.Furthermore, as auxiliary circuit, LC network and RC active filter are applied to

11、 this design, to effectively eliminate interference.KEYWORDSmixers；specialized superheterodyne receivers；sctive filter目录摘要2第一章 系统分析51.1设计课题任务51.2课题基本原理.51.3混频电路的分类51.4混频电路的实际应用7第二章 软件介绍82.1 工具的选择Multisim 10 简介82.2 Multisim 10 的特点8第三章 主要部分电路图及其原理分析93.1 本地振荡电路93.1.1 振荡器起振条件.93.1.2 电路参数选择及其性能分析. .103.2

12、变频电路.133.2.1 三极管混频器选择方案.133.2.2 电路参数选择及其性能分析.153.3设计课题的整体调试与仿真结果. .17第四章 结论 19致谢20参考文献 .21第一章 系统分析1.1设计课题任务三极管混频器 设计一个三极管混频器。要求中心频率为10MHz, 本振频率为16.455MHz。1.2基本原理混频电路是一种频率变换电路，是时变参量线性电路的一种典型应用。如一个振幅较大的振荡电压（使器件跨导随此频率的电压作周期变化）与幅度较小的外来信号同时加到作为时变参量线性电路的器件上，则输出端可取得此二信号的差频或和频，完成变频作用。它的功能是将已调波好的载波频率变化换成固定的中

13、频载频率。而保持其调制规律不变，也就是说它是一个线性频率谱搬电路，对于调幅波、调频波或调相波通过变频电路后仍然是调幅波，调频波或调相波。只是其载波频率变化了，其调制规律是不变的。非线性器件带通滤波器本地振荡器输入输出图1.1 混频电路原理框图以下是调幅波频率形图和混频前后的频谱原理图：图1.2调幅波变频波形图调幅波的混频示意图中，混频器上加了俩个信号载频为1.76MHZ的调幅波Vs（输入信号）和频率为2.16516.465MHZ的等幅波Vo(本振信号)，经过变频后，输出为465KHz的中频调波Vi。输出的中频调幅波与输入的高频调幅波调幅规律完全相同，即载没振幅的包络形状完全相同，唯一差别就是频

14、率不同。下面我们来研究变频是频谱的变化，从示意图我们可以看出经过混频，高频已调波变成中频已调波，只是把已调波的频谱从高频率位置到了中频率位置，输入信号中每个频率分量的位置及相对大小、相互间距不发生变化，当应注意高频率已调波的上、下边频搬到中频位置后，分别成了下、上边频。图1.3变频前后的频谱图1.3混频电路的分类混频电路是基于某些器件的非线性远离工作的，其核心部件就是非线性元件。根据所用器件不同，混频器主要有：1） 晶体管混频器；2） 二极管混频器；3） 场效应管混频器；4） 差分对混频器。根据电路结构分有：1） 单管混频器；2） 平衡混频器；3） 环形混频器。1.4混频电路的实际应用 超处差

15、式接收机的主要特点是，把被接收的已调波信号的载波的频率c先变为频率较低的（或较高的）但是固定不变的中间频率i（称为中频），而其振幅的变化规律保持不变，即是由低频调制信号来决定，然后利用中频放大器加以放大送至检波器进行检波。解调出与调制信号U(t) 线性关系的输出电压。随后通过低频电压放大、功率放大、由扬声器还原为原来的声音，因为中频放大器的中心频率是固定不变的，中频放大器容易取得较大的增益和近似理想的选择性曲线。而接收器的主要放大倍数由中频放大承担所以整机增益在接收频率范围内，高端和底端的差别就会很小，即易于获得较高的灵敏度和临道选择性。对于调谐来说需要对混频器的选频输入回路和本机振荡器进行同

16、步调谐，这是容易实现的。 第二章 软件介绍2.1 工具的选择Multisim 10 简介 Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完

17、成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。 2.2 Multisim 10的特点通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电

18、路通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为借助高级电路分析, 理解基本设计特征通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间第三章 主要部分电路图及其原理分析3.1振荡电路 本地振荡f0与中心频率fl的是本设计电路的重要部分，同时也是超外差式接收机的重要组成部分。其主要作用是将直流信号变为高频正弦信号，将产生的高频正弦信号与输入的高频调幅信号相乘得到f0 -fI和fO +fI的信号，其中f0 是高频正弦信号频率，fI是调幅信号频率，通过中频滤波电路得到中频信号f0 -fI。即本地振荡电路主要是产生和调幅信号相乘的高频正弦信号，相乘得到新的

19、频率，若振荡电路不能产生稳定的高频信号，就会使得到中频信号不稳定，因此本地振荡器多由晶振电路产生，但是由于仿真没有合适频率的晶振，所以该设计由LC振荡电路产生。3.11 振荡电路起振条件正弦振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器和负阻式振荡器两大类，反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。所谓振荡器是指放大器在不加外部激励信号时，通过本身的正反馈信号来代替外部激励信号的作用。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻性的有源器件直接与谐振电路相连，产生振荡。本设计中采用负反馈振荡电路，图3.1.1所示即为LC三点式反馈式振荡器的原理图。通过高频电子线路的学习，我们

20、知道三点式振荡器的构成法则是：X1与X2的符号相同，与X3的符号相反。凡是违反这一准则的振荡都不能产生。图3.1.1 振荡电路原路图3.1.2 电路参数选择及其分析图3.1.2本地振荡电路图图3.1.3 本地振荡交流等效电路图3.1.2是本次课程设计的本地振荡电路，为克拉泼式振荡电路，由图可以看出来，其电路是并联式LC振荡电路，其交流等效电路如图3.1.3所示，由图可知，晶体管发射机与C10,C11相连其阻抗都为容性；集电极与C10和C9、L3的串联一同相连，因为L3的电感值比较大，所以可看作集电极与极性相异的元件相连；同理可知，基极相连的也与不同极性的元件相连。因此，该电路满足起振条件，其类

21、似与考毕兹电路，振荡公式为：Ct=1/(1/C9+1/C10+1/C11) 3.1.1.3.1.2 取C9=200pF、C10=320pF、C11=320pF、L1=1uH时，fs16.455MHz电路中其他主要元器件参数：R7=12K,R8=2K为基极偏置电阻，为三极管提供合适的的静态工作点，C2=300pF为基极耦合电容，R9=100为限制射级电流，C2为旁路电容。其振荡电路部分的仿真结果如图3.1.4：图3.1.4 本地振荡电路仿真结果图3.1.5 中心频率产生电路图3.1.6 中心频率产生电路交流通路10MHz中心频率有图3.1.5电路产生，其电路采用的是西勒振荡器方案，其交流通路如图

22、3.1.6所示。其特点是在回路电感L5两端并联了一个可变电容C16，而C14为固定电容。回路等效电容为：.3.1.3振荡频率为：.3.1.4取L5=5uH，C15=320pF，C12=320pF，C14=60pF，C16为50pF可变电容器。可得到Fl=10MHz。其仿真结果如下图所示：图3.1.7 10MHz中心频率仿真结果3.2 变频电路变频电路是混频器的核心部分。变频从本质上来说就是实现频谱搬移的电路。它有两个输入电压，输入信号Us和本地振荡信号Ul,其工作频率分别为Fs和Fl。输出信号为Ui，称之为中频信号，其频率为Fi=Fs+/-Fl。由此可见，混频器在频域上起着加（减）法器的做用。

23、混频器有多种形式，有二极管式、模拟乘法器式、三极管式。本电路采用的就是最为广泛的晶体三极管式变频电路。3.2.1三极管混频器选择方案 图3.2.1 晶体管原理电路 晶体管混频器的电路有多种形式。一般按照晶体管组态和本地振荡电压注入点的不同有图3.2.2所示的四种基本电路。图中（a）和（b）为共发混频电路。图（a）信号电压由基极输入，本振电压也由基极注入。图（b）表示信号电压由基极输入，本振电压由发射极注入。图（c）和（d）为共基混频电路。图（c）和（d）为共基混频电路。图（c）表示信号电压由发射极输入，本振电压也由发射极注入。图（d）表示信号电压由发射极输入，本振电压由基极注入。这四种电路组态

24、各有其优缺点。图3.2.2晶体管混频器的电路4种形式 图（a）电路对振荡电压来说是共发电路，输入阻抗较大，因此用做混频时，本地振荡电路比较容易起振，需要的本振注入功率也较小。这是它的优点。但是因为信号输入电路与振荡电路相互影响较大（直接耦合），可能产生牵引现象。这是它的缺点。当s与0的相对频差不大时，牵引现象比较严重，不宜采用此种电路。图（b）电路的输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极注入，因此，相互干扰产生牵引现象的可能性小。同时，对于本振电压来说是共基电路，其输入阻抗较小，不易过激励，因此振荡波形好，失真小。这是它的优点。但需要较大的本振注入功率；不过通常所须功率也只有几十mW，本振电

25、路是完全可以供给的。因此，这种电路应用较多。图（c）和（d）两种电路都是共基混频电路。在较低的频率工作时，变频增益低，输入阻抗也较低，因此在频率较低时一般都不采用。但在较高的频率工作时（几十MHz），因为共基电路的比共发电路的要大很多，所以变频增益较大。因此在较高频率工作时也有采用这种电路的。综上所述，图 3.2.2（b）比较适合本设计，电路的输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极注入3.2.2 电路参数选择及其性能分析本课程设计晶体三极管混频器变频部分电路如图3.2.3:图 3.2.3 晶体三极管混频器变频部分电路该电路主要由Q1（2N2222A）和6.5MHz选频回路组成。100K电位器

26、（R1）改变混频器静态工作点，从而改变混频增益。输入信号频率fl10MHz，本振频率fo16.455MHz，其选频回路（L2、C2、R6组成部分）选出差拍的中频信号频率fi:3.2.1LC的取值直接决定了选频网络最终得到的中频频率。.3.2.2取L2=20nH，C1可调至30nF时时，Fi6.455MHz。其三极管混频电路部分仿真结果如图3.2.4: 图3.2.4三极管混频部分仿真结果3.3设计课题的设计课题的整体调试与仿真结果 晶体管混频部分主要由两个振荡电路部分和混频电路部分组成，三者只有很好的合并才能达到本课程设计的最终要求。振荡电路和混频电路都采用了可调电路，可以方便的通过调节三个电容

27、，调节频率使结果更加符合要求。根据计算以及实际仿真情况，C1取60%，C16取10%，C9取46%时频率非常接近要求。晶体管混频电路的整机电路下图3.3.1所示：图3.3.1三极管混频电路整体图三极管混频电路仿真结果如下图3.3.2所示：图3.3.2 三极管混频电路仿真结果第四章 结论这次课程设计我们按照课程设计上的程序以及导师指导下一步一步完成，先复习混频电路的原理，然后选择电路，计算关键元件的值，学习Multisim的使用，最后连线调试出预期的混频和滤波效果,然后做出实际电路。在做开题报告时我对混频的认识只限于基本原理和理论-在通信接受机中，混频电路的作用在于将不同载频的高频已调波信号变换为同一个固定载频（中频）的高频已调波信号。调幅信号频谱宽度不变，包络形状不变。正式开始设计后，在对电路的实现中，我先学习了Multisim软件的