基于乘法器的混频器设计 修改

1、运用乘法器MC1596设计一个混频器，实现本地振荡信号与高频输入信号的乘积运算，并通过带通滤波器提取出混频后的中频信号。输入（1）MC1596的工作频率范围0300MHz;（2）系统电路要求正负双电源供电，静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态即晶体管的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。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。装 订 线主要内容为基于MC1596的混频器应用设计与仿真。阐述了混频电路的基本原理，模拟乘法器MC1596工作原理模拟乘法器是对两个模拟信号

2、（电压或电流）实现相乘功能的有源非线性器件，主要功能是实现两个互不相关信号的相乘，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。在高频电子线路中，振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。根据双差分对模拟相乘器基本原理制成的单片集成模拟相乘器MC1496是四象限的乘法器8。其内部电路如图2-1所示，其中、和等组成多路电流源电路，、为电流源的基准电路，、分别供给、管恒值电流，为外接电阻，可用以调节的大小。由、两管的发射极引出接线端2和3，外接电阻，利用的负反馈作用，以扩大输入电压的动态范围。为外接负载电阻。根

3、据差分电路的基本工作原理，可以得到 (2-1) (2-2) (2-3)式中、 、分别是三极管、的集电集电流。为温度的电压当量，在常温T=300K时，。MC1596管脚和符号如图2-1、2-2所示：图2-1 MC1596的管脚排列图2-2 MC1596符号1.3 幅度调制集成模拟乘法器是完成两个模拟量（电压或电流）相乘的电子器件。在高频电子线路中，振幅调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。在幅度调制过程中，根据所取出已调信号的频谱分量不同，分为普通调幅（AM）、抑制载波的双边带调幅（DSB）等。它们的主要区别如表2-1所示。表2-1 普通调幅与双边带调幅的区别普通调幅抑制载波双

4、边带调幅电压表达式波形图信号带宽如果把已调调幅波加到负载电阻R上，则载波和边频都将给电阻传送功率，它们的功率分别表示为： 载波功率： (2-8) 每个边频功率（上边频或下边频）： (2-9)上、下边频总功率： (2-10)称为调幅指数即调幅度，是调幅波的主要参数之一，它表示载波电压振幅受调制信号控制后改变的程度，一般。 普通调幅电路的原理框图如图2-3（a）所示，双边带调幅电路的原理框图如图2-3（b）所示图2-3（a）普通调幅波实现框图图2-3 （b）双边带调幅波实现框图1.4 MC1596的特性及应用MC1596的特性MC1596是MOTOROLA公司设计的一种多功能集成电路，有金属封装，

5、陶瓷封装和塑料封装三种形式。作平衡调制器使用时，它具有很好的载波抑制能力，典型值是：（1）f（出）=0.5MHz时为65dB;(2)f（入）=10MHz时为50dB,具有平衡输出平衡输入的特性，高的共模抑制（典型值为85dB）,增益可调，信号变化范围宽，功耗低（典型值为33mW）。通常在+12V电源供电下工作，温度范围（民品）MC1496为070（军品）MC1596为-55125工作原理MC1596的内部电路如图（2-4）所示，它由2个恒流源（T7、T8）、2个标准差分放大器（T5、T6）推动上部分的两对晶体管差分对（T1-T2；T3-T4）所组成。该电路属典型的双差分对调制电路，交叉耦合的集

6、电极构成推挽输出(6脚和9脚)，每个输出端通过外加负载（电阻）接到电源正端。输入也是推挽方式，也是在单元两半部分之间进行交叉耦合。在双端输出时，其输出电压正比于i8i9,其中i6=i1+i3,i9=i2+i4，所以i=i6-i9=(i1+i3)-(i2+i4) =(i1-i2)-(i4-i3) (2-11)式中（i1-i2）是由T1、T2和恒流I5组成的差分对的输出电流。这两个差分对的输入的输出电流，（i4-i3）是T3、T4和恒流源I6组成的差分对的输出电流。这两个差分对的输入差模电压都是UC（载波信号电压），由理论上已经证明，差分都每一管的电流随输入差模电压的变化可以表示为双曲线正切函数，

7、即：（i1-i2）=i5th(quc/2KT)（i4-i3）=i9th(quc/2KT)代入（1）式得 i=(i5-i6)th(quc/2KT) (2-12)式中(i5-i6)是由T3、T4和恒流源Ie(i7或i8)组成差分对的输出电流，这个差分对的输入差模电压为Uc(调制信号电压)，所以，(i5-i6)=Ioth(quc/2KT)将上式代入（2）式，得i= Ioth(quc/2KT) th(quc/2KT) (2-13)当(qu/2KT)(1/2)，即u26mV时，th(qu/2KT)qu/2KT。所以Uc、Ui小于26mV时：iIO(q/2KT)2ucui=K ucui 设 Ui=Ucmc

8、oswrtUc=Usmcosst则 i=KUcmUsmcoswrtcosst （2-14）由上式可见，输出电流就是抑制载波的双边点信号。当载波电压较大时th(qucmcoswct/2KT)同样可以用富氏级数展开，这时输出电流除了双边带信号以外，还有3Wcs、5WCs等奇数谐波所产生的和频及差额分量。由此可见，这种连接方式，输出的主要成分是两输入信号的和频分量和差频分量。其余分量例如两输入信号（和作平衡调制器使用时，一个为调制信号，一个为载波信号），以及二者谐波的和频，差频分量，均受到不同程度的抑制。因此它可用于平衡调制器，双平衡混频器、乘积检波器和倍频器等。MC1596是单片集成模拟乘法器，以

9、实现输出电压为两个输入电压的线性积。它以双差分电路为基础, 在Y输入通道加入了反馈电阻, 故Y通道输入电压动态范围较大, X通道输入电压动态范围很小。如下图是MC1596内部电路图。图2-4 MC1596内部结构图MC1596工作频率高, 常用作调制、 解调和混频, 通常X通道作为载波或本振的输入端, 而调制信号或已调波信号从Y通道输入。当X通道输入是小信号(小于26 mV)时, 输出信号是X、 Y通道输入信号的线性乘积。信号增益和最大输入电压等级低频时的信号增益为 为了使上部三极管开通和两个三极管关断，需要直流偏置 (VC=0.5Vdc),这样形成一个栅型差分放大器。 VSI5RE(Volt

10、s peak)混频器1.1 混频原理及特点混频是将已调波中载波频率变换为中频频率，而保持调制规律不变的频率变换过程。fI = fL - fC 或fI = fL+fC （其中fI表示中频频率，fL表示本振频率，fC表示载波频率。一般取差频）图3-1是混频电路组成原理图。混频电路的输入是载频为fc的高频已调波信号us(t)和频率为fL的本地正弦波信号(称为本振信号)uL(t), 输出是中频为fI的已调波信号uI(t)。通常取fI=fL-fc。以输入是普通调幅信号为例,若us(t)=Ucm1+mau(t)cos2fct, 本振信号为uL(t)=ULmcos2fLt, 则输出中频调幅信号为uI(t)=

11、UIm1+mau(t)cos 2fIt。可见, 调幅信号频谱从中心频率为fc处平移到中心频率为fI处, 频谱宽度不变, 包络形状不变。 图3-2是相应的频谱图。 图3-1 混频电路原理图图3-2（a）混频前（b）混频后中频调幅波上下边带与原调幅波上下边带是倒置的本地振荡信号为高频等幅波虽然混频电路与调幅电路、检波电路同属于线性频率变换电路, 但它却有两个明显不同的特点: 混频电路的输入输出均为高频已调波信号。由前几节的讨论可知, 调幅电路是将低频调制信号搬移到高频段, 检波电路是将高频已调波信号搬移到低频段, 而混频电路则是将已调波信号从一个高频段搬移到另一个高频段。 混频电路通常位于接收机前

12、端, 不但输入已调波信号很小, 而且若外来高频干扰信号能够通过混频电路之前的选频网络, 则也可能进入混频电路。选频网络的中心频率通常是输入已调波信号的载频。 混频电路中的非线性器件对于实现频谱搬移这一功能是必不可少的。 但是另一方面, 其非线性特性不但会产生许多无用的组合频率分量, 给接收机带来干扰, 而且会使中频分量的振幅受到干扰, 这两类干扰统称为混频干扰。它们都会使有用信号产生失真。由于以上两个特点, 混频电路的干扰来源比其它非线性电路要多一些。 分析这些干扰产生的具体原因, 提出减小或避免干扰的措施, 是混频电路讨论中的一个关键问题。1.1.1 混频器的主要性能指标一、混频增益混频增益

13、（或混频损耗）是评价混频器性能的重要指标。混频增益是指混频器输出中频信号电压振幅对输入高频信号电压振幅的比值，用分贝表示，即 AUC=201gVim/Vsm在相同输入信号情况下，分贝数越大，表明混频增益越高，混频器将输入信号变换为输出中频信号的能力越强。接收机的灵敏度越高。混频损耗是对不具备混频增益的混频器而言的，它定义为在最大功率传输条件下，输入信号功率 PS。对输出中频功率PI的比值用dB(分贝)表示，即LC=101gPS/pI (dB)显然，在相同输入信号情况下，分贝数越大，即混频损耗越大，混频器将输入信号变换为输出中频信号的能力越差。二、噪声系数混频器的输入信号噪声功率之比(PS/Pn

14、)i对输出中频信号噪声功率之比(PI/Pn)o的比值，用分贝表示，定义为噪声系数(dB)三、选择性 混频器的有用成分为中频，输出应该只有中频信号，实际上由于各种因素会混杂很多干扰信号。因此为了抑制中频以外的不需要的干扰，就要求混频器的高频输入、中频输出回路有良好的选择性，即回路应有较理想的谐振曲线。 四、混频失真混频失真包括频率失真、非线性失真以及各种非线性干扰，如组合频率干扰、交叉调制、互相调制等等。混频失真的存在，将影响通信质量。 五、隔离度 理论上要求混频器的各端口之间是隔离的，任一端口上的功率不会窜通到其它端口。但在实际电路中，总有极少量功率在各端口之间窜通，隔离度就是用来评价这种窜通

15、大小的一个性能指标，定义为本端口功率与窜通到其它端口的功率之比，用分贝数表示。1.2 混频的干扰一、干扰哨声有用信号和本振产生的组合频率干扰 （1）产生的原因：输入到混频器的有用信号与本振信号，由于非线性作用，除了产生有用的中频外，还产生许多无用的组合频率分量，如果它们中的有些频率分量正好接近中频（或落在中频通带内），则这些成分将和有用中频同时经过中放加到检波器上。通过检波器的非线性特性，这些接近中频的组合频率与有用中频差拍检波，产生差拍信号（可听音频），形成干扰哨声。如二极管电路 i=a0+a1v+a2v2+a3v3+. 当v=vc+vL时，代入即可得到电流中包含的频率分量为： 当（可听视频

16、）时，他们将和有用信号fL同时经过中放到达检波器，检波器的非线性作用产生差拍信号（F）形成干扰哨声。（2）形成的条件：一般所以上式可为： 此式说明 ：a、 当fL选定后，只要fc接近此时所计算的值,即能产生干扰哨声。b、 若p、q取不同的正整数，或产生干扰的输入信号频率有限多个，但当有时，幅度已很小可以忽略如当fc=918时，fL=918+456=13832fc- fL =1836-1383=453F=456-453=12在中频通带以外，不会形成干扰。又如，当fc=931KHz时，本振频率fL=(931+456)=1396KHz这时P=1,q=2所对应的组合频率分量为 fpq=2fc-fL=2

17、931-1396=466KHz它与有用中频频率只差1KHz，显然可以通过中频放大器进入检波器，与有用中频fI=465KHz找信号作用后产生F=466-465=1KHz的差拍信号，在输出端产生1KHZ的干扰哨叫声。所以为了避免干扰，应合理选择电台的发射载波频率，使组合频率在中放通带以外。 c、由知。当p=0,q=1时，fc= fI这种干扰最强。所以为了避免这种干扰，应使在接收频段之外，如465在535-1605外。（3） 克服方法：a、选定合理的Q点，减少滤波分量。 b、限制Uc(t)的幅度。c、选合理的fI 二、寄生通道干扰外来干扰与本振的组合频率干扰 (1) 产生的原因：混频器输入回路选择性

18、差，使fn信号输入，与本振fL经变频后产生许多频谱分量，且满足时，该干扰将通过混频后由并经中放，在检波器中检波后在输出端听到干扰的声音。如图3-3所示。 图3-3(2) 形成条件：由式知:当干扰频率fn与本振频率fL满足下列条件 或 时，即可形成通道干扰该式表明：a、寄生通道干扰总是对称地分布在的两边,且与它的间隔均为 fI/q 图3-4b.从理论上讲,p,q为正整数，由上式求出的fn有无数多个。实际上，只有在p,q值较小时才能形成较强的干扰，而在时，上式中的干扰强度已经很小，可以不计。 在上式干扰中，最强的两个干扰是： 中频干扰(p=0,q=1) fn= fI (中频直通)中频干扰一旦进入混

19、频器输入端，混频器无法将其削弱或抑制，它具有比有用信号更强的传输能力。因为对于中频干扰来讲，混频器实际上起到了中频放大器的作用。所以要求中频抑制比大于等于30dB。克服办法：提高输入回路的选择性，加中波陷波电路。 镜像干扰(p=1,q=1)fn= fL+fI=fc +fI镜像干扰只要能进入输入回路到达混频器输入端，就具有与有用中频通道相同的变换力，混频器无法将其削弱或抑制。将上式变换，可得： 该式说明，当干扰电台fn的频率一定时，只要接收机调谐在满足上式计算出的频率上，则该干扰电台就会形成寄生通道干扰。 例如，中波收音机中，在混频器输入端有干扰电台 fn=1000KHZ作用，根据上式求出收音机

20、调谐在下列几个频率上时，会使该干扰形成寄生通道干扰。当p=1,q=2时，fc=2fn-2fI=2000-930=1070KHZ当p=2,q=2时，fc=fn-1/2fI=1000-465/2=767.5对应于其它不同的p、q值，得到的fc均在接收机频率范围（中波广播为5351605KHZ）之外，不会形成干扰。 （3）克服办法： Q和VLM的大小，使 提高输入回路选择性，加陷波器。提高fI,使fn与fc间距加大。 三.非线性失真包络失真和强信号阻塞（u态），交叉调制（三次方以上各项），互相调制（平方项以上），混频器、放大器中均有存在。克服方法：选平方律特性的器件Q合理选，使其工作在平方律区域加负

21、反馈扩大动态范围采用组合电路设输入信号为vS=VS coswSt,本机振荡信号为vL=VLcoswLt由相乘混频的框图可得输出电压 v0 =1/2 KFKMVLVScos(wL-wS)t=V0cos(wL-wS)t式中 v0 =1/2 KFKMVLVS定义为混频增益AM为中频电压幅度V0与高频电压VS之比，就有 AM=V0/VS=1/2KFKMVL下图为模拟乘法器混频电路，该电路由集成模拟乘法器MC1596完成图3-5 MC1596构成的混频电路上图为模拟乘法器混频电路，该电路由集成模拟乘法器MC1596完成。本实验中输入信号频率为fS10MHz(由DDS信号发生器输出)，实验箱自己提供的信号

22、源作为本振信号，其频率fL16.465MHz。 为了实现混频功能，混频器件必须工作在非线性状态，而作用在混频器上的除了输入信号电压VS和本振电压VL外，不可避免地还存在干扰和噪声。它们之间任意两者都有可能产生组合频率，这些组合信号频率如果等于或接近中频，将与输入信号一起通过中频放大器、解调器，对输出级产生干涉，影响输入信号的接收。干扰影响最大的是中频干扰和镜象干扰。MC1596采用双电源+12V，-12V供电。R12，R13组成平衡电路，J7为本振信号输入端；J8为接收信号输入端；F2为中心频率为4.5MHz带通滤波器。输入信号频率fs=4.5MHZ,本振频率fL=8.7MHZ。电路的作用是将中心频率为fs的信号，变换为中心频率为fI的信号。电路的基本工作过程是，接收到的频率为fs的信号和频率为fL的本振信号分别加到非线性集成模拟相乘器的两个相乘端，相乘的结果经过晶体滤波器，选出其中的fI信号，实现了频率变换的功能。图4-1基于乘法器的混频器MC1596的原理图图4-2 基于乘法器的混频器MC1596的PCB图图4-3 电路连接图1.3 混频电路经示波器的结果图图4-4 UL(t)口的输入波形图4-5 US(t)口的输入波形图4-6 OUT口的输出波形设输入为单频调制的双边带信号 us(t)= Uscostcosct (c)并假设本机载波信号与