混频器的设计与仿真知识讲解.docx

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混频器的设计与仿真知识讲解

混频器的设计与仿真

混频器的设计与仿真

前言

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48．5M一870M的图像信号要变成38MHZ的中频图像信号。

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作为主振荡器，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。

工程概况

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；通过混频器设计，可以巩固已学的高频理论知识。

混频器是频谱线性搬移电路，能够将输入的两路信号进行混频。

具体原理框图如图2-1所示。

图2-1具体原理框图

正文

3.1设计的目的及意义

（1）加深对混频理论方面的理解，提高用程序实现相关信号处理的能力

（2）掌握multisim实现混频器混频的方法和步骤

（3）掌握用muitisim实现混频的设计方法和过程，为以后的设计打下良好的基础

（4）加深对高频知识的理解

3.2目标及总体方案

3.2.1课程设计的要求

将频率为10MHZ的输入信号，和频率为16.465MHZ的本振信号，利用MC1496模拟乘法器进行混频，再利用中周得到频率为464KHZ的输出信号。

由于我们的设计是通过软件模拟来实现，所用的软件版本中没有MC1496芯片，在方案里我选用相乘器来代替。

3.2.2混频电路的基本组成模型及主要技术特点

混频，工程上也称变频，是将信号的频率由一个数值变成另一个数值的过程，实质上也是频谱线性搬移过程，完成这种功能的电路就称为混频电路或变频电路。

3.2.3混频电路的组成模型及频谱分析

（1）混频器的组成模型图

图3-1混频器组成模型图

（2）混频电路的基本原理

为输入信号，

为本振信号。

输出信号。

当

则

其中：

对上式进行三角函数的变换则有:

从上式可推出，

含有两个频率分量的和量和差量。

若选频网络是理想上边带滤波器则输出为

，若选频网络是理想下边带滤波器则输出：

。

在工程应用中，我们多选用的是差频分量。

通过对设计题目的分析，要想得到465KHZ的输出信号，是不可能通过一次混频直接得到的。

必须要在经过二次混频。

通过分析：

第一次混频会出现两个频率分量：

26.465MHZ和6.465MHZ的输出信号。

我在这里选择了6.465MHZ的输出信号作为二次混频的输入信号，选择6.93MHZ的信号作为二次混频的本振信号。

这样在最终的相乘器输出端里就含有我们所需要的465KHZ的信号。

3.3工具的选择—Multiusim10

3.3.1Multiusim10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。

NIMultisim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NIMultisim，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NILabVIEW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。

3.3.2Multisim10的特点

●通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路

●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

3.4混频器

3.4.1混频器的简介

 输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。

混频器通常由非线性元件和选频回路构成。

 变频（或混频），是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。

具有这种功能的电路称为变频器（或混频器）。

一般用混频器产生中频信号：

混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频：

可以这样理解，

为信号频率量，

为本振频率量，产生和差频。

当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。

检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。

由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。

当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。

3.4.2混频器电路主要技术指标

（1）变频增益ge

射频输入功率电平与混频器中频输出功率电平之比称为变频增益ge

（2）变频压缩点

变频压缩点用来表示混频器的非线性失真程度。

混频器在射频输入电平远小于本振电平时，混频器处于线性运行状态下。

此时，中频输出随输入射频电平的增长而线性地增长。

但是，当射频输入增加到一定程度后，中频输出随射频输入增加的速度变慢，混频器开始进入饱和状态。

（3）三阶互调阻断点

三阶互调阻断点又称为三阶截点或三阶交点，它是表征混频器线性性能的指标。

混频器非线性特性中的立方项会引起互调失真，输入功率每增加1db，互调失真功率就要增加3db，随输入按照3：

1的速度上升，而正常接收射频所产生的中频输出是按照1：

1的速度上升。

当互调输出功率电平与中频输出功率电平相等时，通信机无法进行正常通信。

三阶截点所对应的射频输入功率，是混频器的非线性互调失真使收信机无法正常收信时的最大射频输入功率，工程上用ip3（dbm）表示。

可见，ip3越大，表明混频器的线性运行范围越宽。

（4）噪声系数nf

混频器的噪声系数nf可以用输入、输出信号功率和噪声的比值的对数来定义

（5）隔离度

　隔离度是表征混频器内部电路平衡度的一个指标，即表示混频器各端口之间泄露和窜透的大小。

3.5混频器的分类

（1）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。

（2）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。

3.6详细设计

3.6.1混频总电路图

图3-2混频总电路图

3.6.2选频、放大电路

图3-3选频、放大电路

这是一个典型的带通滤波器，他是选用有源二阶低通滤波器和有源二阶高通滤波器的串联来实现带通滤波功能的。

这个选频网络不仅有很好的选频特性，同时也具备放大功能。

（1）低通滤波器的具体参数分析：

●通带放大倍数：

●品质因数：

●通带截止频率：

（2）高通滤波器的具体参数分析：

●通带放大倍数：

●品质因数：

●通带截止频率：

带通滤波器的通频带：

350KHZ—550KHZ

3.6.3仿真结果

图3-4一次混频后的波形

图3-5二次混频后的波形

图3-6二次混频后的傅里叶分析图

由幅频特性可以看出有四个主要的频率分量有：

465KHZ、13.395MHZ、19.535MHZ、33.395MHZ。

下边依次对其中的三个干扰频分量进行分析：

之所以会出现13.395MHZ的干扰分量是因为在二次混频的时候，我们输入的频率为6.465MHZ的输入信号和二次混频的频率为6.93MHZ的本振信号之间的干扰产生的。

出现19.353MHZ的干扰分量是因为在第一次混频的时候由于频率为10MHZ的输入信号与一次混频的频率为16.465MHZ的本振信号之间产生的干扰，因为在一次混频与二次混频之间没有加选频网络，导致这一干扰信号随着二次混频的输入信号一同输入到了二次混频的相乘电路当中。

致使这个外来干扰与二次混频的本振之间产生了19.353MHZ的差频干扰分频。

出现33.395MHZ与19.353MHZ的原因是一样的，33.395MHZ的干扰分频是二次混频的外来干扰与本振信号之间的和频的干扰分频。

图3-7最终输出的波形

由此波形可以计算得出：

图3-8最终输出频率

3.7调试分析

在仿真时输出的波形有可能会失真，这是将信号源和本振的幅值调整到2V的时候产生的输出失真，造成这种失真的主要原因是，有源滤波器中的有源器件的直流工作电压是-10V—+10V，当选2V的电压时，最终的放大后输出的波形的幅值将会大于有源器件的工作电压。

所以会被切割了顶部，所以可以调节输入信号电压的大小，那么，输出波形就可为标准的输出波形。

致谢

经过十天的学习，我完成了这个课程设计，在这次课程设计期间，我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其他能力上也都有了提高更重要的是，要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

这对于我们的将来也有很大的帮助。

以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。

就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识，感谢老师对我的指导，也感谢同学们对我的帮助，在遇到一些小问题或课程设计之外的问题时，就没有必要再去麻烦老师了，同学之间自己就可以解决了，增加了我与同学们之间的沟通，也增强了同学们自己思考问题和自己动手的能力，还可以相互之间进行学习，因为同学们选的题目都不一样，这样可以了解的多一点。

参考文献

[1]曹才开，《高频电子线路原理与实践》，（第1版），中南大学出版社，2010年

[2]黄智伟，《基于Multisim2001的电子电路计算机仿真设计与分析》，（第1版），电子工业出版社，2004年

[2]曹才开，《高频电子线路原理与实践》，中南大学出版社，2010年

[3]阎石，《数字电子技术》，（第四版），高等教育出版社.2009年

[4]谢自美，《电子线路设计与实验测试》，（第二版），华中科技大学，2010年

[5]康华光，《电子技术基础模拟部分》，（第五版），华中科技大学出版社，2005年

[6]曹才开，《电路分析基础》，（第四版），北京：

清华大学出版社，2009年

附录元件汇总表

元器件名称

型号

大小

个数

信号源

AC-Power

电压1V,频率：

16.465MHZ

1个

信号源

AC-Power

电压1V，频率：

10MHZ

1个

信号源

AC-Power

电压1V，频率：

6.93MHZ

1个

相乘器

1V/V0V

2个

电阻

290K

2个

电阻

1353M

1个

电阻

1015M

1个

电阻

455K

2个

电阻

2123M

1个

电阻

1593M

1个

电容

1PF

4个

示波器

XSC

时间轴：

1μs/Div,

比例：

2v/Div

3个

频率计

XFC

灵敏度：

1mv

1个

运算放大器

OPAMP-3T-BASIC

2个