基于Mutisim的模拟乘法器的应用设计与仿真

1、巢湖学院2014届本科毕业论文（设计）基于Multisim10的模拟乘法器应用设计与仿真摘 要作为电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件Multisim是其中之一。Multisim在教育教学与生产生活中被广泛应用于电路学习、电路图设计以及模拟仿真。利用Multisim和虚拟仪器技术，可以很好地将理论教学与实际动手实验相结合，可以提高学习的积极性。利用这些虚拟仪器与元器件，为模拟乘法器的电路设计与应用提供了先进的设计方法并且可以预防电路设计中的错误，并模拟预期效果，提高成功性，调试比较方便。模拟乘法器是对两个模拟信号（电压或电流）实现相乘功能的的有源非线性器件。主要功能是实现两个互不相关信号相乘

2、，即输出信号与两输入信号相乘积成正比。它有两个输入端口，即X和Y输入端口。设计的主要内容为在Multisim10软件工具下创建集成电路模块，Multisim软件工具提供了原理图输入工具、仿真器和波形分析功能对模拟乘法器构成的电路进行仿真。然后对设计的电路进行测试和仿真结果分析。关键词：Multisim10；模拟乘法器；仿真I基于Multisim的模拟乘法器应用设计与仿真Application of Design and Simulation of Analog Multiplier Based on MultisimAbstract As electronic circuit simulati

3、on and design EDA tool software Multisim is one of them. Multisim in education teaching and life are widely used in circuit, circuit design and simulation study. Use Multisim and virtual instrument technology, is a good way to combining theory teaching and practical experiment, can improve the enthu

4、siasm of learning. Use these virtual instruments and components for the circuit design and application of analog multiplier provides advanced design method and can prevent the errors in the circuit design, and simulation of the desired effect, improve the success, debugging more convenient.Analog mu

5、ltiplier is two analog signals (voltage or current) to realize the multiplication function of active nonlinear devices. Main function is to realize the two orthogonal signals multiplication, the output signal is proportional to the product of two input signals. It has two input ports, the X and Y in

6、put port.The main content of design for under Multisim10 software tools to create integrated circuit module, Multisim software tools provide principle diagram input tool, simulators and waveform analysis function of analog multiplier circuit simulation. And then to design the circuit testing and the

7、 analysis of simulation results.Key Words：Multisim10; Analog multiplier; simulatian目 录引言11 概述11.1 研究的背景和意义11.2 研究状况12模拟乘法器的基本原理22.1 模拟乘法器的概念22.2 模拟乘法器的实现方法42.3 模拟乘法器的应用53 总体设计思想53.1 利用模拟乘法器实现幅度调制53.1.1 普通调幅53.1.2 抑制载波的双边带调幅63.2 利用模拟乘法器实现同步检波73.3 利用模拟乘法器实现混频83.4 利用模拟乘法器实现倍频83.5 本章小结94 电路调试与仿真94.1 调幅的

8、仿真94.2 DSB信号调制与解调的仿真144.3 混频电路的仿真154.4 倍频电路的仿真174.5 本章小结185 结束语18参考文献193巢湖学院2014届本科毕业论文（设计）引言对于一些如乘方、开方、乘法、除法等模拟量的运算，集成模拟乘法器应用较广泛，在频率变换中，模拟乘法器也可以完成如调制解调、混频、鉴频、鉴相等非线性电路功能。它作为一种通用性比较强的非线性电子器件，目前已有多种形式的单片集成电路，也是现代一些模拟集成系统的重要单元。人类社会的信息化离不开电子产品的进步，EDA技术是以计算机为工作平台，辅助进行电路板的设计与制作，使得电子线路的设计方法取得极大的进步。EDA软件不仅为

9、电子设计师提供从概念、算法等的电子设计系统，也在教学、科研等方面提供进行电路的设计与仿真。Multisim软件可以将电路原理图创建、电路的准确性测试和结果的显示等集成在电子平台上，运用各种操作命令进行仿真分析。对于数字电路以及模拟电路和通信电路等都可以在该电路窗口中进行仿真。Multisim是一个专用于电路仿真的工具软件，它的突出优点是操作简单、分析功能强大、界面直观，增强了仿真电路的实用性。本次设计主要通过对模拟乘法器的基本概念和基本原理的了解与应用，在电路设计过程中利用软件multisim10作为一种高效的设计与仿真平台，使得设计者对具体的电路可以直接控制和编辑，实时的更新分析内容。绘制电

10、路图所需要的元器件、仪器等以图标的形式出现，为模拟乘法器的电路设计与应用提供了先进的设计理念和方法，预防电路设计中的错误，并模拟预期效果，提高成功性。1 概述1.1 研究的背景和意义随着集成技术的发展，集成模拟乘法器的应用也越来越广泛，通常广泛的引入到通信电路中。在模拟集成电路中，模拟乘法器是最基本的电路之一，模拟乘法器具有频率转换的作用，可完成大量数字运算，并且应用于振幅的调制解调、混频、倍频、鉴频、鉴相等等，可以看出它是一种多功能应用的基本电路单元。输入阻抗无限大，零输入阻抗是理想模拟乘法器应具有的特性，实现模拟乘法的方法很多，例如由压频变换器构成的乘法器，其缺点为线性差、温度导致的比例系

11、统的变化、输入输出失调等，因此没有得到广泛应用。1968年以后，如BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等产品广泛供应于市场，这些产品具有频带宽、线性好、动态范围宽、稳定性能好和使用方便等优点，广泛应用于各种集成电路系统中。模拟量的线性组合和线性运算主要归功于集成运算放大器，集成运算放大器的应用推动了线性电子线路的改革性的发展，然而集成模拟乘法器的出现，使得非线性电子线路的有了突破性的进展，推动了非线性电子线路的微型化与集成化。目前我国模拟乘法器的生产尚处于初期阶段，使用范围较窄而且价格较贵，但随着集成电路技术不断发展与普及，各类性能优越的模

12、拟乘法器将不断得到应用并且会越来越得到重视。随着高频电子线路的迅速发展，在不久的将来，模拟乘法器会和集成运算放大器一样在电子线路中有着普遍的应用。因此设计与研究集成模拟乘法器应给予足够重视。1.2 研究状况在当今市场需求的强烈推动下，集成电路及其电子技术发展也越来越快，其性能要求也越来越高，在数字领域方面应用广泛其设计也要有很大进展，因此要求其受到重视和研究，在通用数字集成电路设计内容中模拟乘法器的应用成为不可缺少的部分。然而现今的信号主要是模拟信号，即使数字技术发展较先进，模拟集成电路仍发挥着不可替代的作用。从1968年以后，模拟乘法器的设计已经成为集成电路技术的一个重要研究方向。举例来说，

13、要作为通用型乘法器，必须对电路采取线性化措施，我国1970年生产的产品BG314及美国Motorola公司生产的MC1595等都应用了通用集成模拟乘法器，这种电路首先引入预失真网络，在该变换电路后输入信号，再送入差分电路输入端，从而减小这种差分电路的线性动态范围。国外的MC1596和国产的XCC、F1596等作为一种通用的单片集成模拟乘法器，其线性范围较宽泛，这种电路首先引入负反馈，在双差分电路的两个发射极插入负反馈电阻，实现负反馈的串联电流，使得线性范围得到扩展。在无线电技术发展和使用已经广泛渗透到人们的生活和生产中，我们了解无线电通信系统中的许多频率变换，对于振幅调制解调、混频、倍频、鉴频

14、等过程都可以由模拟乘法器来完成，来实现两个信号相乘的功能。因此使用通用型模拟乘法器来完成这些电路，性能优良，而且调整比较方便。2 模拟乘法器的基本原理2.1 模拟乘法器的概念模拟乘法器是实现两个模拟信号相乘的有源非线性器件，它是一个三端网络具有两个输入和一个输出端，假设A为比例系数，和分别为乘法器的两个瞬时输入电压，输入电压可以是任意的即可认为是理想情况，则输出信号为： （2-1）最简单的模拟乘法器是由一个具有恒流源的差分放大器组成的电路，目前应用最广的是四象限模拟乘法器如MC1496，广泛地应用于模拟信号处理。我们可以假设模拟乘法器的两个输入信号分别为： （2-2） （2-3）则乘法器的输出

15、电压为 （2-4）可见，在乘法器输出中，有新的频率分量产生，可以说明乘法器具有频率变换的作用，它被广泛地应用于通信系统中。MC1496集成模拟乘法器的内部电路图如图2-1所示：图2-1 MC1496内部电路结构图如图：V1、V2与V3、V4组成双差分放大器，V5、V6组成的单差分放大器用于激励V1-V4。V7、V8及其偏置电路构成恒流源电路。引脚8与10接输入电压VX,引脚1与4接另一输入电压Vy，输出电压V。从引脚6与12输出。由VQ5、VQ6两管的发射级引出接线端2和3，外接电阻Ry，利用Ry的负反馈作用可以扩展输入电压的线性动态范围。MC1496型双差分模拟乘法器一般工作在1MHz以下的

16、频率。MC1496/1495的差值输出电流为： （2-5）可见，输出电流中包含两个输入信号的乘积。2.2 模拟乘法器的实现方法对于模拟乘法器的实现方法，目前最常用的是可变跨导相乘法，它是一种双差分模拟乘法器，是采用双差分电路实现的。若采用一些线性化措施，可以扩展线性范围的通用型乘法器。双差分模拟乘法器如下图2-2所示。图2-2双差分模拟乘法器根据双差分电路的特性和原理，可以归纳出双差分模拟乘法器的输出电流为： (2-6)式中是一个定值， 、为两个输入电压幅度，由公式可以看出，只要输入电压足够小，双差分电路两个输入电压的乘积正比于输出电压，所以输出电流包含两个输入信号的乘积，双差分电路具有理想的

17、相乘作用。但这种乘法器线性范围比较小，因此在实际应用的电路中受到限制。要作为通用型乘法器，必须要使电路的输入线性动态范围变小，因此要采取线性化措施。分为两种措施：一是引入一个预失真网络，二是引入负反馈，扩展线性范围，使总的合成输出与输入直接成为线性关系，得到理想的乘法器2.3 模拟乘法器的应用集成模拟乘法器广泛应用于模拟量的运算如乘方、开方、乘法、除法等基本的运算电路，在无线电通信系统中，如调幅、检波、鉴频、鉴相等也应用广泛。常用的模拟乘法器有MC1496、MC1596、四象限模拟乘法器BG314和XCC等。3 总体设计思想3.1 利用模拟乘法器实现幅度调制在无线电通信系统中，为了将信号从输入

18、端传输到输出端，要进行幅度的调制与解调。幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。由模拟乘法器构成的振幅调制电路，可实现常规双边带调制（AM）或抑制载波的双边带调幅（DSB）。对于有载波的振幅调制波形，AM波的包络与调制信号的形状完全一样，载波分量通过相乘器仅起着将调制信号频谱搬移到载波的两边，并没有体现调制信号的变化。而抑制载波的调幅波形中，不存在载波分量，全部功率用于信息的传输。3.1.1 普通调幅设载波为一高频波，电压表达式为：，调制信号的表达式为：，则已调信号的瞬时电压值为：式中称为调幅系数，调制电压的振幅与调幅系数成正比，应小于或等于1，越大，调幅波的

19、幅度变化越大，如果大于1，这种情况称为过调幅，此时波形会出现失真现象。普通调幅波的表达式展开可得： （3-1）从此式可看出，调幅波有三个频率分量，它是由三个高频正弦波叠加得到的，第一项是载波的频率分量，与调制信号无关；第二项和第三项分别是上边频和下边频，分别是载波频率与调制信号频率的和与差。上边频与下边频是产生的新的频率，已调波的带宽为AM调制模型如图3-1所示。图3-1 调制模型波形图如图3-2所示。图3-2 波形图3.1.2 抑制载波的双边带调幅由于载波不携带信息，可以只发射上、下边频的含有信息的功率，而不发射载波。要得到抑制载波的双边带信号DSB可以将AM标准调幅的调制模型中的直流去掉。

20、双边带信号可以写成: （3-2）调制模型如图3-3所示。图3-3 调制模型波形图如图3-4所示。图3-4 波形图3.2 利用模拟乘法器实现同步检波解调（检波）是指从高频的调幅信号还原为基带信号所需要的过程，解调的方法可分为相干解调（同步检波）和非相干解调（包络检波）。不论哪种振幅调制信号，都可以采用一个乘法器和载波相乘输出后经过低通滤波器将高频载波去除这种方法进行解调来实现，把已调信号的频谱搬移回调制信号的位置。对于同步检波，调幅波与载波信号同频同相，即这两个信号是完全同步的，同步检波器不仅可用于AM调幅的解调，也可用于抑制载波的DSB调幅的解调过程。假设输入的调幅信号为，经限幅得到的电压为，

21、经过模拟乘法器相乘得到的输出信号为： （3-3）从上式输出电压可看出，不仅有成分，还有，+成分，只要再通过低通滤波器就可以把高频滤除，得到成分的调制信号，从而完成了检波的作用。实现检波的系统框图如图3-5所示。图 3-5 实现检波的系统框图本实验电路的输出电流中，除了解调所需要的低频分量外，其余所有分量都属于高频范围，很容易通过低通滤波器LP滤波。本电路可以解调DSB或SSB信号，亦可解调AM信号。3.3 利用模拟乘法器实现混频所谓混频，就是为了获得本振信号与输入信号的差频信号，而将本振信号和输入高频信号相乘即可获得差频和和频信号，再通过带通滤波器，即可获得差频信号。由模拟乘法器组成的混频器，

22、可以完成两个输入信号的乘积，并且可以减小失真和通道的干扰等优点。乘法器可以产生只包含两个输入信号之和频及差频分量的输出信号，所以用乘法器实现混频，只要在x、y端分别加上两个不同频率的信号，相差一中频信号，再经过带通滤波器取出中频信号。用乘法器实现混频的原理图为3-6所示。图3-6 乘法器实现混频原理图若设， （3-4）经过带通滤波器滤波后，取差频，为中频频率。3.4 利用模拟乘法器实现倍频如果一个电路的输出频率是输入频率的整数倍， ，n为整数，则这种频率变换电路可称为倍频器。当n=2时，称为二倍频器，利用模拟乘法器构成的倍频电路中，若 （3-5）则模拟乘法器的输出电流为 （3-6）由此式可以看

23、出，输出电压包含二倍频分量和直流分量，可以通过隔直流电容将直流分量滤除，最后在负载上得到二倍频电压。3.5 本章小结本章介绍了调幅、同步检波、混频、倍频电路的设计思想，通过采用模拟乘法器可实现各种频率的变换过程，使得调幅、检波、混频、倍频等电路都应用简单且性能优良，并且了解了各电路的基本原理以此打下了理论基础，在理论上预测可能出现的失真现象，在设计中可以防患于未然。4 电路调试与仿真4.1 调幅的仿真AM调制：在Multisim软件下仿真电路窗口创建普通调幅(AM)电路，ctrl+N新建原理图，本电路需要用到信号源库、基本元器件和示波器。将元器件放置到工作平台上，然后进行电路的连线，直流电压源

24、Ec和调制信号Uo加到乘法器的Y输入端口，载波信号Uc加到乘法器的X输入端口，电路连接之后再进行元器件的各种特性参数的设置与编辑。V1为载波信号，参数设置为：电压幅值为0.5V ，频率为 1KHz ，V2为调制信号，参数设置为：电压幅值为2V，频率为20KHz 。电压源幅值为1V，此时的调幅指数为M=Uo/Ec=0.5，运行仿真按钮，双击示波器图标，可以得到仿真输出AM调幅波形和输入信号调制波形，从波形可以看出，高频载波的振幅随着调制信号的变换规律。 图4-1 模拟乘法器实现普通调幅电路（AM）图4-2 调幅电路输出波形若把调制信号的电压幅值变为1V，调幅指数则变为M=1，这时输出的电路波形与

25、调幅曲线的形状完全一样。图4-3 普通调幅波输出波形若把基带信号的电压幅值改为2V，调幅指数M将大于1，这时的电路输出波形会出现过调幅现象。图4-4 过调幅波输出波形DSB调制：在Multisim软件下仿真电路窗口创建电路，ctrl+N新建电路图模块，将元器件放到工作平台上进行连接与编辑，V1是高频载波信号，V2是调制信号，V1与V2经过乘法器相乘输出双边带信号。 V1是高频载波信号，参数设置为：电压幅值为 1V ，频率为1KHz ，V2是调制信号，参数设置为：电压幅值为 20V，频率为10KHz 。V1与V2经过乘法器相乘输出双边带信号。电路连接完成后运行仿真按钮，双击示波器，可得到仿真输出

26、调幅波波形，可以看出DSB信号的调制是抑制载波的双边带信号。图4-5 双边带调幅电路图4-6 双边带调幅波4.2 DSB信号调制与解调的仿真在Multisim仿真电路窗口创建如下电路，其中有双边带调幅电路由高频载波信号V1、低频调制信号V2和乘法器A1构成，经相乘后由模拟乘法器输出电压，本机载波信号和乘法器A2组成抑制载波的双边带解调电路，使高频调制信号同步检波出来。V1是载波信号，参数设置为:幅度为1.5V，频率为1KHz，V2是调制信号，参数设置为：幅度为2V，频率为10KHz，V1和V2经过乘法器相乘，输出双边带信号，再与乘法器相乘进行解调，V3是恢复载波信号，参数设置为：幅值为2V，频

27、率为10KHz.运行仿真开关，双击示波器，可得到DSB信号的调制与解调波形。图4-7 抑制载波信号的调制与解调的仿真电路图图4-8 调制与解调波形图4.3 混频电路的仿真用模拟乘法器实现混频，就是在Ux端和Uy端分别加上两个不同频率的信号，相差一中频，再经过带通滤波器取出中频信号就可以得到混频输出。在Multisim仿真电路窗口创建混频电路，将所需要的信号源库、基本元件库、示波器、频率计放到电子工作平台上，然后进行鼠标连线搭建电路。对于元器件的各种特性参数设置，双击该元器件，在弹出的元器件特性对话框中，进行修改与编辑。载波频率为1MHz，调制信号频率为5KHz；输入的本振信号为频率为2MHz 。在向下的混频中，输出的中心频率为464Hz。点击仿真按钮，双击示波器观察输出波形和频率计示数。图4-9 混频电路的仿真图