基于密码锁的一种高频混频器设计论文.docx
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基于密码锁的一种高频混频器设计论文
中北大学
课程设计说明书
学生姓名：
崔宝月学号：
1305054215
学生姓名：
刘学文学号：
1305054219
学生姓名：
田刚学号：
1305054244
学院：
信息与通信工程学院
专业：
信息对抗技术专业
题目：
电子系统课程设计
变频式射频密码锁控制软件
子题目3：
构建一个混频电路，要求工作带宽大于30M
指导教师：
张丕状王鉴姚金杰
2016年01月13日
中北大学
课程设计任务书
2015/2016学年第一学期
学院：
信息与通信工程学院
专业：
信息对抗技术专业
学生姓名：
崔宝月学号：
1305054215
学生姓名：
刘学文学号：
1305054219
学生姓名：
田刚学号：
1305054244
题目：
电子系统课程设计
变频式射频密码锁控制软件
子题目3：
构建一个混频电路，要求工作带宽大于30M
起迄日期：
2015年11月2日～2016年1月15日
课程设计地点：
信息对抗技术专业综合实验室
指导教师：
张丕状王鉴姚金杰
学科部主任：
张丕状
下达任务书日期:
2015年11月2日
课程设计任务书
1．设计目的：
（1）通过本课程设计的学习，学生将复习所学的专业知识，使课堂学习的理论知识应用于实践，通过本课程设计的实践使学生具有一定的实践操作能力；
（2）熟练使用示波器、信号源、万用表、频谱分析仪等仪器设备；
（3）通过电子信息系统设计的课程设计，掌握设计信息处理系统的思维方法和基本开发过程。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
（1）熟悉Multisim、ProtelDXP软件的使用
a、熟悉Multisim的运行环境；
b、掌握在Multisim平台上完成电路原理图的仿真；
c、熟悉ProtelDXP的运行环境；
d、掌握在ProtelDXP平台上完成电路原理图的绘制、pcb制版；
e、根据所选题目的需要，会正确设计电路，最终优化电路。
（2）实践设计要求：
a、根据所选题目，设计相应的电路；
b、根据设计的电路，完成电路仿真，根据仿真结果优化电路；
c、根据设计电路完成PCB制版，最终完成电路的研制。
（3）参考题目
题目1变频式射频密码锁控制软件
基本要求与目的：
●掌握压控振荡器原理、PLL原理和时钟调节的方法，掌握外围电路和接口了解可编程的概念
●增益带宽积、环路增益、稳定性原理、相频特性、幅频特性、阻抗匹配等含义，了解电流反馈运算放大器的特点
●调制解调的方式和调制解调电路、性能
●了解分布参数、地线布局电路性能的影响方式，掌握原理图和PCB的设计技巧
课程设计任务书
和能力
●了解单片机特性，掌握单片机选择和系统外围电路及其接口电路设计
●进一步了解软件无线电的概念
●学习计算机仿真技术，掌握示波器、信号源等常规仪器使用方法
●进一步学习资料查阅能力和PPT制作能力
子题目1：
研制宽带双路放大器，要求带宽>30M，增益40dB，输入阻抗和输出阻抗为75欧（3人）。
子题目2：
构建一单片机控制系统，要求具有不少于4个按键，产生一个具有低相位抖动时钟信号，频率在10-100M可调。
（2人+2人）。
子题目3：
构建一个混频电路，工作带宽分别>30M（2人）。
子题目4：
设计调制、解调电路模块（3人）。
题目2基于TDOA技术的被动声定位系统设计
基本要求与目的：
●了解被动声定位的基本原理；
●了解TDOA算法；
●了解前置放大器和AGC的工作原理；
●掌握有源滤波电路设计的基本工作原理；
●掌握定位精度与AD之间的关系；
●了解单片机特性，掌握单片机选择和系统外围电路及其接口电路设计
●学习掌握前置放大电路、AGC放大电路、滤波电路、数据采集存储电路；
●培养资料查阅能力和团队合作精神和组织能力
子题目1：
设计一个前置放大电路，前置放大倍数20dB（3人合作完成）。
子题目2：
设计一个AGC电路，要求增益控制范围40dB，输出最大增益60dB。
（3人合作完成）
子题目3：
设计一个有源低通滤波电路，要求倍频程衰减24dB，截止频率30kHz。
（3人合作完成）
子题目4：
设计一个单通道信号采集存储电路，采样位数不低于12位，采样率100KSPS,存储深度512KB（4人合作完成）
课程设计任务书
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：
（1）要求设计组的每个成员都要了解整个的大题设计要求和思路；
（2）子题目小组的同学各完成一份设计说明书，突出各自的工作内容；
（3）要求有正确的仿真结果及结果分析；
（4）要有正确的测试结果（示波器、频谱分析仪调试波形）。
4．主要参考文献：
见提供的附件资料
5．设计成果形式及要求：
每个子题目小组提供详细的设计说明书一份
电路板实物，电路板上印制上所有小组成员完整的学号（1305054XXX）和姓名
课程设计任务书
2015年11月02日~2015年11月07日：
学习电路原理，完成电路的设计；
2015年11月08日~2015年11月15日：
完成电路的仿真，原理图绘制与制版；
2015年01月15日~2015年01月18日：
完成电路的实物制作（制版、焊接、调试）；
2016年01月19日~2016年01月20日：
撰写课程设计说明书；
2016年01月21日：
提交实物，答辩
学科部主任审查意见：
签字：
年月日
1.引言
1.1研究目的与意义7
1.2研究背景8
1.3国内外研究现状10
1.4研究方法及主要参数12
1.5工作环境（主要软件）13
1.6设计流程15
2.设计原理
混频器的设计理论15
2.1基本概念15
2.2实现模型16
2.3几种典型电路17
3.设计结果及分析Multisim篇25
3.1乘法器仿真26
二极管环形混频器仿真27
模拟乘法器NC1458仿真29
3.2带通滤波器的设计与仿真30
RLC带通滤波器26
3.3芯片选择31
AD835管脚31
AD835内部结构图32
4.设计结果及分析Altium.Designer篇33
4.1原理图绘制33
4.2添加使用库33
4.3建立元器件库34
4.4原理图连线35
4.5元件的封装37
4.6原理图的制作47
4.7erc检查57
4.8生成元件清单58
5.参考文献59
6.实验心得60
一、引言
在当今社会，安全防盗已成为社会问题，而锁自古以来就是防盗的重要工具，目前国内大部分人使用的还是传统的机械锁，然而，眼下假冒伪劣的机械锁互开率非常之高，此外，即使是一把质量过关的机械锁，通过急开锁，甚至可以在不损坏锁的前提下将锁打开。
机械锁的这些弊端为一种新型的锁——电子密码锁，提供了很大的发展空间。
从目前的技术水平和市场认可程度看，使用最为广泛的是键盘式电子密码锁，该产品主要应用于保险箱、保险柜和取款机，由于人们对安全的重视和科技的发展，许多电子智能锁（指纹识别、IC卡辨认）已在国内外相继面世。
但是这些产品的特点是针对特定的指纹和有效卡，只能适用于保密要求的箱、柜、门等。
而且指纹识识别器在公共场所使用存在容易机械损坏，IC卡还存在容易丢失、损坏等缺点，再加上其成本较高，一定程度上限制了这类产品的普及和推广。
鉴于目前的技术水平与市场的接受程度，键盘式电子密码锁是这类电子防盗产品的主流。
在科学技术不断发展的今天，电子密码防盗锁作为防盗卫士的作用也日趋重要。
电子密码锁是集计算机技术、电子技术、数字密码技术为一体的机电一体化高科技产品，具有安全性高，使用方便等优点。
电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。
它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。
现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。
其性能和安全性已大大超过了机械锁。
1.1研究目的与意义
本次课程设计我们分不同小组实现射频式电子密码锁的不同模块。
第一组：
研制宽带双路放大器，带宽>30M，增益40dB，输入阻抗和输出阻抗为75欧。
第二组：
构建一单片机控制系统，要求具有不少于4个按键，产生一个具有低相位抖动时钟信号，频率在10-100M可调。
第三组：
构建一个混频电路，工作带宽分别>30M。
第四组：
设计调制、解调电路模块。
各个小组协同工作，共同完成射频电子密码锁的设计。
我们组设计的是混频器模块，顾名思义，混频器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混频器（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，cosαcosβ=[cos（α+β）+cos（α-β）]/2 。
其中α为信号频率量，β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。
在射频电子密码锁中，我们的混频器模块承接第二组的信号发生器，对其输出的调制信号进行混频，输出到中频放大器，用于信号解调。
1.2研究背景
混频器是微波集成器件中必不可少的部件，在微波通信、雷达、遥控、遥感、侦查与电子对抗系统、以及微波测量系统中，将微波信号用混频器降到中低频进行处理。
经过混频后得到的中频信号比原始信号高，那么此种混频方式叫做上变频。
由于变频获得的中频频率较高，所以对接收机中中频放大、滤波、解调都提出了更高要求，使整个接收机成本较高。
上变频可获得极高的抗镜像干扰能力，且可获得整个频段内非常平坦的频率响应。
综合以上因素，使这种变频方式通常只有军用等特殊场合（如军用电台）得到广泛应用，但在民用级产品中极少见到。
图一：
上变频原理示意
在超外差式接收机中，如果经过混频后得到的中频信号比原始信号低，那么此种混频方式叫做下变频。
由于下变频方式的电路简单，成本较低，所以被广泛应用于民用设备和对性能要求不高的军用设备中。
下变频的目的是为了降低信号的载波频率或是直接去除载波频率得到基带信号。
下变频方式最大的缺点是对镜像干扰的抑制能力较差。
图二：
下变频原理示意
1.3国内外研究现状
接收机的关键部件之一是晶体检波器或二极管混频器，edwinarmstrong首次采用真空管作为混频器，将入射的频率变为中频，再经过很好的选择性信号放大或检波。
二战期间，伴随着雷达的发展，微波混频器有了进一步的发展，直到上世纪50年代末，系统噪声系数才可以达到7dB。
从微波到毫米波频率范围内，接收机灵敏度和动态范围在很大程度上仍然要靠混频器。
目前，国内外许多科研工作者对混频器的理论分析和工程应用都做了大量的
研究，研制了各种结构和形式的混频器.而且其中很多取得了不错的指标。
国外
的研究起步早.工艺也较为先进.射频微波混频器主要为MMIC电路.性能也较
为优良。
1.3.1国外研究动态
1994年，Jcan-MarcMourant等人，设计了6-I8GHz超宽带镜像抑制混频器.
其中的无源器件是根据当时最新的研究资料.采用平面小型化结构.LO和RF工
作频段为6-18GHz.中频频段为400-750MHz.变频损耗小于9dB.
1995年Hwann-Kaco等人采用缺陷地非对称共面波导到共面带线过渡结构.
设计了超宽带巴伦，工作频率可到50GHz.其回波损耗大于16dB:
采用硅肖特基
二极管，设计了工作频率可以达到40GHz的双平衡混频器.本振LO到中频IF端
口的隔离度大于30dB.本振LO到射频RF端口的隔离度大于30dB.变频损耗小
于11dB。
1998年Shau-GangMao等人采用共面波导（CPW）到共面带线（CPS）过度
巴伦结构，同时采用了CPS高通滤波器和低通滤波结构.井且论文中提出了等效
电路模型。
变频损耗小于10dB.LO-IF的隔离度大于30dB.LO-RF的隔离度大于
20dB.本振LO工作频带为10GHz-35GHz，中频工作频带为0.1-5GHZ.
2009年Young-GunKim等人.采用微带到共面带线（CPS）过渡巴伦结构.
设计了可以从DC到40GHz的超宽带巴伦。
他们采用此结构设计了超宽带双平衡
混频器，LO和RF的工作频率在4-26GHZ范围内，中频IF在1GHz以下，变频损
耗在10dB以下.此平面结构为二极管的安装带来了方便。
1.3.2国内研究动态
国内相关技术发展比国外晚.由于受到加工工艺及集成技术水平的限制.国
内这方而的报道大部分采用混合集成电路.井且很多都是单独做的双平衡混频器.
或者镜像抑制混频器.将二者结合起来的比较少。
2000年.Chi-YangChang等人.采用共面波导（CPW）到共面带线（CPS）T
型结过渡的双巴伦结构.设计了平面双平衡星形混频器。
此平面结构适合MMIC设计，设计的MMIC变频损耗在通带内为6-10dB。
2008年电子科技大学物理电子学院魏萍等人，采用了双面微带渐近线巴伦结
构，研究设计了双双平衡超宽带微波混频器，射频RF和本振LO工作频段为
2-18GHz.中频IF为0.3-5GHZ.变频损耗为10dB.本振LO到射倾RF端口的隔
离度大于18dB.本振LO到中频IF端口的隔离度大于17dB。
.
2008年电子科技大学电子工程学院电磁场与微波技术专业宣扬采用鳍线结
构，研究设计了“w波段宽带混频器”.工作频率在75-105GHZ范困内.变频损耗
小于9dB，本振LO到射频RF端口的隔离度大于25dB。
2009年东南大学毫米波国家重点实验室王彦炜等人.采用半模SIW巴伦设计
了X波段双平衡混频器.经测试.在8.7-9.7GHz的频率范闹内，变频损耗小于9dB.
噪声系数小于10dB.实物面积60mmX68mm.
2011年.FanFanHe等人采用平而S1W结构的魔T结构.设计了工作在X
波段的单平衡混频器.变频损耗在10dB以下。
1.4研究方法
设计混频电路，并测试其参数。
混频器的主要参数如下：
（1）噪声系数：
混频器的噪声定义为：
NF=Pno/PsoPno是当输入端口噪声温度在所有频率上都是标准温度即T0=290K时，传输到输出端口的总噪声资用功率。
Pno主要包括信号源热噪声，内部损耗电阻热噪声，混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声。
Pso为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率。
（2）变频损耗：
混频器的变频损耗定义为混频器射频输入端口的微波信号功率与中频输出端信号功率之比。
主要由电路失配损耗，二极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起。
（3）1dB压缩点：
在正常工作情况下，射频输入电平远低于本振电平，此时中频输出将随射频输入线性变化，当射频电平增加到一定程度时，中频输出随射频输入增加的速度减慢，混频器出现饱和。
当中频输出偏离线性1dB时的射频输入功率为混频器的1dB压缩点。
对于结构相同的混频器，1dB压缩点取决于本振功率大小和二极管特性，一般比本振功率低6dB。
（4）动态范围：
动态范围是指混频器正常工作时的微波输入功率范围。
其下限因混频器的应用环境不同而异，其上限受射频输入功率饱和所限，通常对应混频器的1dB压缩点。
（5）双音三阶交调：
如果有两个频率相近的微波信号fs1和fs2和本振fLO一起输入到混频器，由于混频器的非线性作用，将产生交调，其中三阶交调可能出现在输出中频附近的地方，落入中频通带以内，造成干扰，通常用三阶交调抑制比来描述，即有用信号功率与三阶交调信号功率比值，常表示为dBc。
因中频功率随输入功率成正比，当微波输入信号减小1dB时，三阶交调信号抑制比增加2dB。
（6）隔离度：
混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频之间的隔离。
隔离度定义为本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位dB。
（7）本振功率：
混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。
原则上本振功率愈大，动态范围增大，线性度改善（1dB压缩点上升，三阶交调系数改善）。
（8）端口驻波比：
端口驻波直接影响混频器在系统中的使用，它是一个随功率、频率变化的参数。
（9）中频剩余直流偏差电压：
当混频器作鉴相器时，只有一个输入时，输出应为零。
但由于混频管配对不理想或巴伦不平衡等原因，将在中频输出一个直流电压，即中频剩余直流偏差电压。
这一剩余直流偏差电压将影响鉴相精度。
1.5.工作环境（主要运用2个软件）
图1.5.1两个软件的封面
1.5.1AltiumDesigner
AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。
这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。
目前最高版本为：
AltiumDesigner15.0.7Build36915
1.5.2详细内容
电路设计自动化EDA（ElectronicDesignAutomation）指的就是将电路设计中各种工作交由计算机来协助完成。
如电路原理图（Schematic）的绘制、印刷电路板（PCB）文件的制作、执行电路仿真（Simulation）等设计工作。
随着电子科技的蓬勃发展，新型元器件层出不穷，电子线路变得越来越复杂，电路的设计工作已经无法单纯依靠手工来完成，电子线路计算机辅助设计已经成为必然趋势，越来越多的设计人员使用快捷、高效的CAD设计软件来进行辅助电路原理图、印制电路板图的设计，打印各种报表。
1.5.3主要功能
1原理图设计
2印刷电路板设计
3FPGA的开发
4嵌入式开发
53DPCB设计
1.5.3.Multisim
2.1Multisim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。
1.6设计流程
1.6.1multisim仿真
利用EDA仿真软件multisim对设计的混频电路进行仿真，通过对波形的观测，确定混频电路的设计是否能够满足要求。
1.6.2AltiumDesigner绘制PCB板
利用AltiumDesigner将原理图绘制成PCB板，并检测其电器特性，生成网格报表。
1.6.3腐蚀电路板
将AltiumDesigner绘制好的电流图热转印到电路板上，并利用三氯化铁腐蚀剂对电路板进行腐蚀，然后制成电路板实物。
1.6.4焊接电路
电路板腐蚀好以后即开始焊接电路，焊接的的时候注意元器件的型号和封装，已经参数的大小，并留好测试点。
1.6.5测试及修改电路
测试电路，并且适当调整元器件的参数，使输出的中频信号更加稳定。
2、混频器理论基础
2.1.1基本概念
混频：
混频是将中心频率为fc（载频）的已调信号υs，不失真地变换为中心频率为fI的已调信号υI的频率变换过程。
通常将υI称为中频信号，fI称为中频频率。
［1］
图2.1
图中，υL=VLmcosωLt是本地振荡电压，ωL=2πfL为本振角频率。
通常取fI=fL-fC
混频实质：
就频谱搬移观点而言，混频的作用就是将输入已调信号频谱不失真的从fC搬到fI的位置上。
因此，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器来实现。
［2］
2.1.2实现模型
实现模型：
［1］
图2.2
输入信号频谱（调制信号为Fmin～Fmax时）：
图2.3
混频器输出电流频谱：
vs=Vsm[1+a（t）]cosωct
设输入调幅波本振信号
调制信号为υΩ（t）,a（t）∝υΩ（t）,当fL>fc时乘法器输出电流i为:
图2.4
i经LC中频带通滤波器后输出
，一般取差频ωI=ωL-ωC；
若取和频ωI=ωL+ωC。
2.1.3几种典型的混频器
1二极管环形混频器原理及基本组成
当器件的伏安特性是非线性时，能实现混频。
当忽略三次方以上的各项时，非线性器件的输出电流与输入电压之间的关系可以表示为：
式中
分别为各项系数。
若
。
代入上式并利用三角公式进行变换，则得到：
可见，当两个不同频率的高频电压作用于非线性器件时，将产生
直流、二次谐波、和频与差频等。
其中
就是所需的
频率分量，即中频。
只要在输出端接上谐振频率为中频的谐振回路，就
能滤除不需要的频率分量，选出中频电压。
相乘器、晶体三极管、晶体二极管等非线性器件均可实现混频。
在
通信设备中广泛采用二极管环形相乘器构成混频器，称为环形混频
器。
它主要用于通信系统的微波波段，由两个平衡混频器组成，其电路
如图1所示。
图中T1、T2为中心抽头的宽频带变压器。
为了让二极管工作在开
关状态，要求本振信号的功率必须足够大。
该电路的主要优点是工作
频带宽，可达几千兆赫兹，噪声系数小，动态范围大。
图2.5二极管构成的混频器
2、由MC1496模拟乘法器
由MC1496模拟乘法器构成的混频器电路如图7所示。
图中，LC正弦波振荡器输出的10MHz正弦波由10端（X输入端）注入，高频信号源输出的10MHz正弦波由一端（Y输入端）输入，混频后的中频电压由6端经
形带通滤波器输出，其中C17﹑L11﹑C11﹑C19构成一选频滤波回路，调节可变电阻Rp能使1﹑4脚直流电位差为零，可以减小输出信号的波形失真，使电路平衡。
在2﹑3脚之间加接电阻，可扩展输入信号
的线性范围。
图2.6MC1496构成的混频器
3、AD835--250MHz电压输出，4象限放大器
（1）主要特征
简要：
基本功能是w=xy+z
详细：
满足最少外部器件要求
快速：
0.1%建立时间为20ns
直流耦合输出电压简化使用，差分输入阻抗高，xyz输入
低放大噪声：
50nv./HZ
（2）产品介绍
Ad835是个完备的4象限电压输出模拟放大器，其良好的绝缘性组装基于先进的双极工艺。
塔产生线性的x与y电压输入的结果，有用
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