基于模拟乘法器MC1496的混频器设计解读.docx

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基于模拟乘法器MC1496的混频器设计解读

基于模拟乘法器MC1496的混频器设计

摘要

集成模拟乘法器是继集成运算放大器后最通用的模拟集成电路之一，是一种多用途的线性集成电路。

可用作宽带、抑制载波双边平衡调制器，不需要耦合变压器或调谐电路，还可以作为高性能的SSB乘法检波器，AM调制/解调器、FM解调器、混频器、倍频器、鉴相器等，它与放大器相结合还可以完成许多的数学运算，如乘法、除法、乘方、开方等。

本设计主要应用集成模拟乘法器MC1496实现以上功能。

模拟乘法器的主要技术指标是工作象限、线性度和馈通度。

工作象限是指容许输入变量的符号范围。

只容许ux和uy均为正值的相乘器称为一象限的,而容许ux和uy都可以取正、负值的则称为四象限的。

线性度是指相乘器的输出电压uo与输入电压ux（或uy）成线性的程度。

馈通度是指两个输入信号中一个为零时，另一个在输出端输出的大小。

混频是将载波为高频的已调信号，不失真地变换为载波为中间的已调信号，必须保持①调制类型，调制参数不变，即原调制规律不变。

②频谱结构不变，各频率分量的相位大小，相互间隔不变。

由于设计和制作增益高,选择性好,工作频率较原载频低的固定中频放大器比较容易,所以采用混频方式可大大提高接收机的性能。

此设计就是利用仿真软件，采用模拟相乘器实现混频电路的。

关键词：

MATLAB,模拟乘法器，混频电路

DESINGOFMIXERBASEDONTHEANALOGMULTIPLIERMC1496

Abstract

Aftertheintegratedoperationalamplifierintheintegratedanalogmultiplierisoneofthemostcommonanalogintegratedcircuit,isakindofmulti-purposelinearintegratedcircuits.Modulatorcanbeusedasabroadband,suppressedcarrierbilateralbalance,don'tneedcouplingtransformerortunedcircuit,alsocanbeusedasahigh-performanceSSBmultiplicationdetector,AM,FMdemodulator,mixer/modemmodulation,frequencymultiplier,andphasediscriminator,combiningitwithamplifiercanalsodomanymathematicaloperation,suchasmultiplication,division,chengfang,root,etc.

ThisdesignmainlyusedintegratedanalogmultiplierMC1496achieveabovefunctions.Analogmultiplieristhemaintechniqueindexquadrant,linearityandfeedthroughwork.Workquadrantreferstoallowtheinputvariablesymbolscope.Onlyallowbothuxanduypositivemultiplieriscalledaquadrant,andallowtheuxanduycantakethepositiveandnegativeisknownasthefourquadrants.Linearityreferstothemultiplicationoftheinputvoltageandoutputvoltageuoux（oruy）intolineardegree.Feedthroughdegreeisreferstothetwoinputsignalsofaisequaltozero,theotherinthesizeoftheoutputterminaloutput.Mixingisthecarrierforthehighfrequencymodulatedsignal,nodistortionforthecarriertotransformtothemiddleofthemodulatedsignal,mustbekeptin

（1）modulationtype,modulationparametersarethesame,namelytheoriginalmodulationlawremainsthesame.Thephaseofeachfrequencycomponentofthespectrumstructureremainsthesame,

（2）thesizeandthespacingbetweenthesame.

Duetothedesignandproductionofhighgain,goodselectivity,andworkingfrequencywaslowerthanthoseoftheoriginalcarrierfrequencyfixedintermediatefrequencyamplifieriseasy,sothemixingmethodcangreatlyimprovetheperformanceofthereceiver.Thisdesignistheuseofsimulationsoftware,usinganalogmultipliertorealizemixingcircuit..

Keywords:

MATLAB,Analogmultiplier,mixingcircuit

1.绪论

混频技术在高频电子线路和无线电技术中应用的相当广泛。

在调制过程中，输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频的已调信号。

在解调过程中，接收的已调高频信号也要经过频率转换，变成对应的中频信号。

混频器也是超外差接收机中的关键部件。

直放式接收机是高频小信号检波，工作频率变化范围大时，工作频率对高频通道的影响比较大（频率越高，放大量越低，反之频率低，增益高），而且对检波性能的影响也较大，灵敏度较低。

采用超外差技术，将接收信号混频到一固定中频，放大量基本不受接收频率的影响，这样，频段内信号的放大一致性好，灵敏度可以做得很高，选择性也较好。

因为放大功能主要放在中放，因此可以用良好的滤波电路。

采用超外差接收使得调整方便，放大量、选择性主要由中频部分决定，且中频较高频信号低，性能指标容易得到满足。

混频器在一些发射设备中也是必不可少的。

在频分多地址信号的合成、微波接力通信、卫星通信等系统中也有其重要地位。

此外，混频器也是许多电子设备、测量仪器（如频率合成器、频谱分析仪）的重要组成部分。

本实验中通过MC1946构成的混频器来对接收信号进行频率转换，变成需要的中频信号。

2.实验原理

2.1混频器原理

变频电路的基本功能是保持已调信号的调制规律不变，仅改变其载波频率处理过程。

用模拟乘法器实现混频，只要在Ux端和Uy端分别加上两个不同的频率信号，相差一中频，再经过带通滤波器取出中频信号，其原理框图如图1。

图1混频器原理框图

混频电路的输入是载频为fo的高频已调波信号us（t）和频率为fL的本地正弦波信号（标为本振信号）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

，本振信号为

，则输出中频信号为

。

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2是相应的频谱图。

图2（a）混频前（b）混频后

2.2模拟乘法器MC1596的工作原理

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，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。

采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分离器件如二极管和三极管要简单的多，而且性能优越。

集成模拟乘法器的常见产品有BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等。

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。

其内部电路如图3所示：

其中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以激励V1～V4;V7、R1、V8、R2、V9、R3和R5等组成多路电流源电路;V7、R5、R1为电流源的基准电路;V8、V9分别供给V5、V6管恒值电流Io/2,R5为外接电阻，可用以调节Io的大小;由V5、V6、两管的发射极引出接线端2和3，外接电阻RY，利用RY的负反馈作用，以扩大输入电压u2的动态范围;Rc为外接负载电阻。

引脚8与10接输入电压Ux，1与4接另一输入电压Uy.。

MC1496的管脚排列如图4所示，其符号如图5所示。

图3MC1496内部电路

图4MC1496引脚排列图5模拟乘法器电路符号

2.3调幅波原理

设载波信号的表达式为

调制信号的表达式为

则乘法器输出的DSB调幅信号的表达式为

2.4带通滤波器原理

滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。

其主要作用是让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。

带通滤波器允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声，即能通过高于频率ωcL且低于频率ωcH的信号，频率从零到ωcL以及频率从ωcH到无穷大均为阻带。

3.电路仿真及代码

3.1电路图

由Multisim11程序得到仿真电路图如图6。

图6混频电路

3.2程序代码

在Matlab中用如下代码（如图7）对该电路中各信号波形进行仿真。

t=0:

0.00000001:

0.001;

U0=0.05;%载波信号振幅

f0=10^6;%载波信号频率

w0=2*f0*pi;

m=0.3;%调制度

f1=2000;%调制信号频率

w1=2*pi*f1;

U1=0.2;

Uam=U0*（1+m*cos（（w1）.*t））.*cos（（w0）.*t）;%AM已调信号

f2=1456000;%本振信号频率

w2=2*pi*f2;

U2=0.2;%本振信号电压

u3=U2*cos（（w2）.*t）;%本振信号表达式

u4=Uam;

u5=u4.*u3;%两个信号相乘，设相乘系数为k=1

w3=w2-w0;%经带通滤波器的中心频率

u6=1/2*U0*U2*cos（（w1）.*t）.*cos（（w3）.*t）;%中频信号表达式

plot（t,Uam）;title（'AM已调信号波形'）;pause;

plot（t,u3）;title（'本振信号'）;pause;

plot（t,u5）;title（'经乘法器后的信号'）;pause;

plot（t,u6）;title（'中频信号'）;

4.实验分析

4.1调幅电路

幅度调制电路按输出功率的高低，可分为高电平调幅电路和低电平调幅电路。

低电平调幅电路包括：

（1）简单的二极管调幅电路；

（2）.平衡调制器；（3）环形调制器。

高电平调幅电路  根据调制信号控制方式的不同，可分为基极调幅和集电极调幅。

 m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m越大，调制幅度越深。

当m=0时，表示未调幅；当m=1时，调制系数的百分比达到100%；当m>1时，已调波的包络形状与调制信号的不一样，产生严重的包络失真，所以一般取0

在此次实验中取m=0.3。

且采用的是AM单频调幅波。

采用模拟乘法器和加法器产生AM信号，得到的调幅波的波形为（AM信号条件：

（载波信号Ux：

f=1MHZ/50mV，调制信号Uy：

f=2KHz/200mV，M=30%））。

4.2模拟乘法器

模拟乘法器是一种完成两个模拟信号（连续变化的电压或电流）相乘作用的电子器件，通常具有两个输入端和一个输出端，电路符号如图11所示。

图7模拟乘法器电路符号

若输入信号为Ux, Uy,则输出信号Uo为：

Uo=k Uy Ux

式中：

 k为乘法器的增益系数或标尺因子，单位为V1.

一个理想的乘法器中，其输出电压与在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。

对于一个理想的乘法器，当Ux、Uy中有一个或两个都为零时，但在实际乘法器中，由于工作环境、制造工艺及元件特性的非理想性，当Ux=0，Uy=0时，Uo不为0，通常把这时的输出电压称为输出失调电压；当Ux=0，Uy不为0（或Uy=0，Ux不为0）时，Uo不为0，这是由于Uy（或Ux）信号直接流通到输出端而形成的，称这时的输出电压为Uy（或Ux）的输出馈通电压。

输出是调电压和输出馈通电压越小越好。

此外，实际乘法器中增益系数K并不能完全保持不变，这将引起输出信号的非线性失真，在应用时需加注意。

经过乘法器后的波形如下图所示：

4.3混频电路

由模拟乘法器和带通电路组成，输出中频信号。

其波形如下图所示：

4.3.1混频增益

混频增益Kvc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。

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。

本实验中，Kvc=Ui/Us=0.005/0.05=0.1，

用分贝数表示Kvc=20lg（Ui/Us）（dB）=-20d

4.3.2噪声系数

混频器的噪声系数Nf定义为Nf=输入信噪比（信号频率）/输出信噪比（中频频率）。

4.3.3变频压缩（抑制）

理论上，在混频器中，输出与输入信号幅度成线性关系。

而在实际中，由于非线性器件的限制，当输入信号增加到一定程度时，中频输出信号的幅度与输入不再成线性关系。

如图12。

图8

4.3.4选择性

混频器在理论上只输出中频信号，但实际会混杂很多干扰信号。

而在本次实验中，得到的输出波形良好，说明此混频器的高频输入、中频输出回来有良好的选择性，即回路有较理想的谐振曲线，有效抑制了中频以外的不需要的干扰。

4.3.5干扰

4.3.5.1组合频率干扰

组合频率干扰主要分为干扰噪声和寄生通道干扰，此处主要讨论干扰噪声，即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）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p+q>5时，幅度已很小可以忽略 

如当fc=918时，fL=918+456=1383  ,2fc- fL =1836-1383=453 ,△F=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=2×931-1396=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  

4.3.5.2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：

①选平方律特性的器件 

②Q合理选，使其工作在平方律区域

 ③加负反馈扩大动态范围 

5．心得体会

经过本次课程设计，我体会到平时的理论知识大概有印象，但到具体的计算时，总发觉很难，而且理论知识学的也不踏实，有的地方分析起来很吃力。

以后一定要认真的对待。

本次课程设计我应用了Matlab软件来仿真电路，发现以后要多动手，当仿真结果出现时，真的很高兴。

我还对乘法器有了进一步的了解。

作为一个电子方面的大学生，在今后的工作中难免需要很强的实践动手能力，所以这次课程设计实践对我来说是很值得珍惜的好机会。

这次课程设计，虽然短暂，但却给了我一次自主设计电路的机会。

在设计过程中，以前书本上的内容第一次完完全全的在实际中实现，并且遇到了书本中不曾学到的情况。

通过本次设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。

在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上。

在设计过程中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在与组员的反复讨论下，使整个电路可稳定工作。

实习过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。

在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。

在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。

6.参考文献

[1]王卫东《高频电子电路（第2版）》电子工业出版社

[2]林春方《高频电子线路》电子工业出版社

[3]薛山《Matlab基础教程》清华大学出版社