模拟乘法器作用及电路.docx

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模拟乘法器作用及电路

摘要

随着电子技术的发展，集成模拟乘法器应用也越来越广泛。

用集成模拟乘法器可以构成性能优良的调幅和检波电路，其电路元件参数通常采用器件典型应用参数值。

作调幅时，高频信号加到输入端，低频信号加到Y输入端；作解调时，同步信号加到X输入端，已调信号加到Y输入端。

集成模拟乘法器是实现两个模拟信号相乘的器件，它广泛用于乘法、除法、乘方和开方等模拟运算，同时也广泛用于信息传输系统作为调幅、解调、混频、鉴相和自动增益控制电路，是一种通用性很强的非线性电子器件，目前已有多种形式、多品种的单片集成电路，同时它也是现代一些专用模拟集成系统中的重要单元。

作调幅时，高频信号加到输入端，低频信号加到Y输入端；作检波时，同步信号加到X输入端，已调信号加到Y输入端。

调试时，首先检查器件各管脚直流电位应符合要求，其次调节调零电路，使电路达到平衡。

还需注意：

（1）Y端输入信号幅度不应超过允许的线性范围，其大小与反馈电阻RY有关，否则输出波形会产生严重失真；

（2）X端输入信号可采用小信号（小于26mV）或者大信号（大于260mV），采用大信号可获得较大的调幅或解凋信号输出。

信息传输系统中，检波是用以实现电信号远距离传输及信道复用的重要手段。

由于低频信号不能实现远距离传输，若将它装载在高频信号上，就可以进行远距离传输，当使用不同频率的高频信号，可以避免各种信号之间的干扰，实现多路复用。

关键词：

模拟乘法器，调幅器，检波器，MC1496

第一章、集成模拟乘法器的工作原理

第一节、模拟乘法器的基本特性

模拟乘法器是实现两个模拟量相乘功能的器件，理想乘法器的输出电压与同一时刻两个输入电压瞬时值的乘积成正比，而且输入电压的波形、幅度、极性和频率可以是任意的。

其符号如下图所示，K为乘法器的增益系数。

一．模拟乘法器的类型

理想乘法器—对输入电压没有限制， ux=0或uy=0时，uO=0，输入电压的波形、幅度、极性和频率可以是任意的。

第二节、变跨导模拟乘法器的基本工作原理

变跨导模拟乘法器是在带电流源差分放大电路的基础上发展起来的，其基本原理电路如下图所示。

在室温下，K为常数，可见输出电压uO与输入电压uy、ux的乘积成正比，所以差分放大电路具有乘法功能。

但uy必须为正才能正常工作，故为二象限乘法器。

当uY较小时，相乘结果误差较大，因IC3随uY而变，其比值为电导量，称变跨导乘法器.

第三节、单片集成模拟乘法器

实用变跨导模拟乘法器由两个具有压控电流源的差分电路组成，称为双差分对模拟乘法器，也称为双平衡模拟乘法器。

属于这一类的单片集成模拟乘法器有MC1496、MC1595等。

MC1496内部电路如下图所示。

第二章、集成模拟乘法器的应用

第一节、基本运算电路

一、平方运算

将模拟乘法器的两个输入端输入相同的信号，平方运算电路如下图所示：

二、除法运算器

由集成运放和模拟乘法器组成，除法运算电路如上图所示。

当u1>0时，uO<0，为使u3<0，则u2>0；当u1<0时，uO>0，为使u3>0，则u2>0。

三、平方根运算

四、压控增益   

改变直流电压UXQ的大小，就可以调节电路的增益。

第二节、倍频、混频与鉴相

一、倍频电路

当两个输入信号为同频率的信号即可实现两倍频作用。

如下图所示。

二、混频电路

模拟乘法器的输出为两个输入信号的和频和差频信号，即实现了混频作用，若用滤波器取出和频（信或差频）号输出，就称为混频，电路如下图所示。

三、鉴相电路

鉴相电路用来比较两个输入信号的相位差，即它的输出电压与两输入信号之间的相位差成正比，用模拟乘法器构成的鉴相电路如下图所示。

作出uo与φ的关系曲线称为鉴相特性曲线，当|φ|≤0.5rad（约30°）时，sinφ≈φ，鉴相特性接近于线性。

第三节、调幅与解调

一、信息传输的基本概念

（1）、对传输信号进行调制的原因

A、根据电磁波理论，天线尺寸大于信号波长的十分之一，信号才能有效发射。

如声音信号的频率范围为0.1~6kHz。

设f=1kHz，λ=C/ƒ=3×108/103=3×105（m），显然，低频信号直接发射是不现实的。

B、使接收者能区分不同信号。

（2）、调制和解调

调制（Modulation）—将低频信号装载于高频信号。

解调（Demodulation）—将已调信号还原为低频信号。

（3）、调制（解调）的方式

调幅AM（检波）、调频FM（鉴频）、调相PM（鉴相）

（4）、信息传输系统

二、调幅原理

用低频信号去改变高频信号的幅度，称为调幅。

经调幅后的高频信号称调幅信号，把没有调幅的等幅高频信号称为载波信号，它是运载低频信号的工具。

（1）、单频调制波形

（2）、采用乘法器实现调幅

采用模拟乘法器构成的调幅电路如下图所示。

调幅系数表示载波受低频信号控制的程度，为了不产生调幅失真，要求UYQ≧UΩm。

 （3）、调幅波（已调波）频谱

 （4）、双边带调幅和单边带调幅

由于载波本身不包含信息，为了提高设备的功率利用率，可以不传送载波而只传送两个边带信号，这种调制方式称为抑制载波双边带调幅，简称双边调幅，用DSB表示。

    由于上、下边频带中的任何一个边频带以及功能包含调制信号的全部信息，因此为了节省占有的频带、提高波段利用率，可以只传送两个边带信号中的任何一个，称为抑制载波单边带调幅，简称单边调幅，用SSB表示。

三、采用乘法器实现解调（检波）

调幅波的解调又称幅度检波，简称检波，它是调幅的反过程。

第三章、MC1496模拟乘法器构成的振幅器

第一节、振幅调制的基本概念

振幅调制是使载波信号的峰值正比于调制信号的瞬时值的变换过程。

通常载波信号为高频信号，调制信号为低频信号。

设载波信号的表达式为

，调制信号的表达式为

=

则调幅信号的表达式为

图3.1振幅调制

由图可见，调幅波中载波分量占有很大比重，因此信息的传输效率较低，称这种调制为有载波调制。

为提高信息传输效率，广泛采用抑制载波的双边带或单边带调幅调制。

双边带调幅波的表达式为

单边带调幅波的表达式为

MC1496构成的调幅器电路图如下：

图3.2MC1496构成的振幅调制器电路

其中载波信号UC经高频耦合电容C2从ux端输入，C3为高频旁路电容，使8脚接地。

调制信号UΩ经低频耦合电容C1从uy端输入，C4为低频旁路电容，使4脚接

地。

调幅信号U0从12脚单端输出。

器件采用双电源供电方式，所以5脚的偏置电阻R5接地，可计算出器件的静态偏置电流I5或I0，即

脚2与3间接入负反馈电阻RE，以扩展调制信号的UΩ的线性动态范围，RE增大，线性范围增大，但乘法器的增益随之减少。

电阻R6、R7、R8及RL为器件提供静态偏置电压，保证器件内部的各个晶体管工作在放大状态，所以阻值的选取应满足要求。

对于图3.2所示

电路参数，测量器件的静态（UC=0，UΩ=0）偏制电压为

u8u10u1u4u6u12u2u3u5

6V6V0V0V8.6V8.6V-0.7V-0.7V-6.8V

R1、R2与电位器RP组成平衡调节电路，改变RP可以使乘法器实现抑制载波的振幅调制或有载波的振幅调制。

第二节、抑制载波振幅调制

Ux端输入载波信号Uc（t），其频率fc=20.945MHz，峰—峰值Ucp-p=40mV。

uy端输入调制信号UΩ（t），其频率fΩ=1kHz，先使峰-峰值UΩP-P=0，调节RP，使输出U0=0（此时U4=U1），在逐渐增加UΩP-P，则输出信号U0（t）的幅度逐渐增大，最后出现如图3.3（a）所示的抑制载波的调幅信号。

由于器件内部参数不可能完全对称，致使输出出现漏信号。

脚1和4分别接电阻R3和R4可以较好地抑制载波漏信号和改善温度性能。

（a）抑制载波调幅波（b）有载波调幅波

图3.3乘法器输出的调幅波

第三节、有载波振幅调制

Ux端输入载波信号Uc（t），其频率fc=20.945MHz，峰—峰值Ucp-p=40mV，调节平衡电位器Rp，使输出信号Uo（t）中有载波输出（此时U1和U4不相等）。

再从Uy端输入调制信号，其

fo=1kHz，当Ucp-p由零逐渐增大时，则输出信号Uo（t）的幅度发生变化，最后出现如图3.3（b）所示的有载波调幅信号的波形，调幅系数m

第四章、MC1496模拟乘法器构成的同步检波器

振幅调制信号的解调过程称为检波。

常用方法有包络检波和同步检波两种。

由于有载波振幅调制信号的包络直接反映了调制信号的变化规律，可以用二极管包络检波的方法进行解调。

而抑制载波的双边带或单边带振幅调制信号的包络不能直接反映调制信号的变化规律，所以无法用包络检波进行解调，必须采用同步检波方法。

同步检波又分为叠加型同步检波和乘积型同步检波。

利用模拟乘法器的相乘原理，实现同步检波是很方便的，其工作原理如下：

在乘法器的一个输入端输入振幅调制信号如抑制载波的双边带信号us（t）=usmcoswctcosΩt，另一输入端输入同步信号（即载波信号）uc（t）=ucmcoswc（t），经乘法器相乘，可得输出信号U0（t）为

U0（t）=1/2KEUcmCOS（wc+Ω）tCOSWct

=1/4KEUsmCOSΩt+1/4KEUsmUcmCOS（2Wc+Ω）t

（条件：

Ux=Uc<26mV,Uy=Us为大信号）

上式中，第一项是所需要的低频调制信号分量，第二项为高频分量，也可以被低通滤波器滤掉。

如果输入信号Us（t）为有载波振幅调制信号，同步信号为载波信号Uc（t）,利用乘法器的相乘原理，同样也能实现解调。

设Us=Usm（1+MCOSΩt）COSWc（t）,Uc（t）=UcmCOSWct,

则输出电压Uo（t）为

Uo（t）=KEUs（t）Uc（t）

=1/2KEUcm+1/2KEmUcmCOSΩt+1/2KEUsmUcmCOS2Wct

+1/4KEmUsmUcmCOS（2Wc+Ω）t

+1/4KEmUsmUcmCOS（2Wc-Ω）t

（条件：

Ux=Uc<26mV,Uy=Us为大信号）

上式中，第一项为直流分量，第二项是所需要的低频调制信号分量，后面三项为高频分量，利用隔直电容及低通滤波器可滤掉直流分量及高频分量，从而实现了有载波振幅调制信号的解调。

MC1496模拟乘法器构成的同步检波解调器电路如图3.4所示。

其中Ux端输入同步信号或载波信号UC,uy端输入已调波信号US。

输出端接有由R11与C6、C7组成的低通滤波器及隔直电容C8，所以该电路对有载波调幅信号及抑制载波的调幅信号均可实现解调。

图3.4MC1496构成的同步检波器电路

电路的解调操作过程如下:

首先测量电路的静态工作点C应与图3.2电路的静态工作点基本相同,再从ux端输入载波信号UC,其fC=20.945MHz，UCP-P=100mV。

先令uy=0,调节平衡电位器RP,使输出U0=0,即为平衡状态.再从uy端输入有载波的调制信号US,其fC=20.945MHz，，fn=1kHz，USP-P=200mV，调制度m=100%，这时乘法器的输出U0（t）经低通滤波器后的输出U’0（t），经隔直电容C8后的输出UΩ（t）的波形分别如图3.5（a）所示。

调节电位器RP可使输出波形U0（t）的幅度增大，波形失真减小。

若US为抑制载波的调制信号，经MC1496同步检波后的输出波形Un（t）如图3.5（b）所示。

（a）有载波信号解调（b）抑制载波信号的解调

图3.5解调器输出波形

总结

这次的课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。

我相信是对我的一个很好的提高。

平时在学习理论知识的时候，根本就没有想到我所学的这些东西有什么用它们可以做成什么，只是一味利用它们来解决课后的习题，没有想其他的用途。

这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途，突然感觉自己学的东西很有用，我相信这样就可以激发我以后的学习兴趣，这样有利用今后更好地学习。

在没有做课设之前，我对课本知识是很模糊的学习也是为了应付一下期末考试，现在让我对课本知识有了更透彻的了解，也算是做到了理论联系实际吧。

与其临渊羡鱼，不如退而结网，这也是我这次课设最大的体会，与其苦苦思索别人那样子设计是什么原理，为何要那样做，不如自己用已有的知识，重新考虑并设计，按自己的思路，达到自己所需要的效果，我觉得，这才是课程设计真正的目的。

参考文献

[1]李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005

[2]谢自美，电子线路设计·实验·测试，华中科技大学出版社2003

[3]张肃文，高频电子线路，高等教育出版社，2004

[4]赵文博，常用集成电路速查手册，人民邮电出版社，2006

[5]何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001

附录

MC1496构成的调幅器

MC1496构成的检波器