通信電子線路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書三極管混頻器

1、 通信電子線路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 三極管混頻器 系 、 部： 電氣與信息工程系 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱 講師 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 電子0802 完成時(shí)間： 2010、12、7 摘 要混頻器在通信工程和無(wú)線電技術(shù)中，應(yīng)用非常廣泛，在調(diào)制系統(tǒng)中，輸入的基帶信號(hào)都要經(jīng)過(guò)頻率的轉(zhuǎn)換變成高頻已調(diào)信號(hào)。在解調(diào)過(guò)程中，接收的已調(diào)高頻信號(hào)也要經(jīng)過(guò)頻率的轉(zhuǎn)換，變成對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)。特別是在超外差式接收機(jī)中，混頻器應(yīng)用較為廣泛，如am 廣播接收機(jī)將已調(diào)幅信號(hào)535khz-一1605khz要變成為465khz中頻信號(hào)，電視接收機(jī)將已調(diào)485m一870m 的圖象信號(hào)要變成38mhz的中頻圖象信號(hào)。移動(dòng)通

2、信中一次中頻和二次中頻等。在發(fā)射機(jī)中，為了提高發(fā)射頻率的穩(wěn)定度，采用多級(jí)式發(fā)射機(jī)。用一個(gè)頻率較低石英晶體振蕩器做為主振蕩器，產(chǎn)生一個(gè)頻率非常穩(wěn)定的主振蕩信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)頻率的加、減、乘、除運(yùn)算變換成射頻，所以必須使用混頻電路，又如電視差轉(zhuǎn)機(jī)收發(fā)頻道的轉(zhuǎn)換，衛(wèi)星通訊中上行、下行頻率的變換等，都必須采用混頻器。由此可見，混頻電路是應(yīng)用電子技術(shù)和無(wú)線電專業(yè)必須掌握的關(guān)鍵電路?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)的組成圖如下：輸輸入變換器輸發(fā)送設(shè)備輸傳輸信道輸接收設(shè)備輸輸出變換器干擾通信系統(tǒng)的種類很多，這里就不一一介紹了，但通信系統(tǒng)中的發(fā)送設(shè)備和接受設(shè)備的各項(xiàng)的功能則是各種高頻功能電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。我此次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題就是在無(wú)線通信

3、系統(tǒng)中不可缺少的混頻電路?；祛l的用途是廣泛的，它一般用在接收機(jī)的前端。除了在各類超外差接收機(jī)中應(yīng)用外在頻率合成器中為了產(chǎn)生各波道的載波振蕩，也需要用混頻器來(lái)進(jìn)行頻率變換及組合在多電路微波通信中，微波中繼站的接收機(jī)把微波頻率變換為中頻，在中頻上進(jìn)行放大，取得足夠的增益后，在利用混頻器把次中頻變換為微波頻率，轉(zhuǎn)發(fā)至下一站此外，在測(cè)量?jī)x器中如外差頻率計(jì)，微伏計(jì)等也都采用混頻器。因此，做有關(guān)混頻電路的課題設(shè)計(jì)很能檢驗(yàn)對(duì)高頻電子線路的掌握程度；通過(guò)混頻器設(shè)計(jì)，可以鞏固已學(xué)的高頻理論知識(shí)。此外為輔助電路，此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)還應(yīng)用了lc諧振回路以及rc二階有源濾波器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的有效抑制。關(guān)鍵詞： mul

4、tisim 超外差接收機(jī) 混頻 abstractkinds of information is very important to human life, so people are always looking for fast way to communicate over distance, to transfer or to exchange information. modern long distance communication technology was invented in mid of 18th century thanks to the invention of r

5、adio technology. since then, this technology was well developed and many new methods came out. from morse code to satellite, modern communication is playing more and more important role. as a key part of radio technology mixing, e.g. transistor mixer, diode mixer and fet mixer, etc. are broadly used

6、 in different system，to shift frequency.the figure hereafter illustrated the basic components of a communication system. there are kinds of communication technology; they are not going to be introduced here one by one. however most of the transmitters and receivers are made by rf system. the topic o

7、f this document is to design and simulate a key unit circuit of wireless communication system - mixer.mixing technology is very useful; normally they are applied by the front end of receiver. they are used by superheterodyne receiver, frequency synthesizer, microwave repeater and instruments. theref

8、ore, this kind of design practice can greatly help to understand rf knowledge well.furthermore, as auxiliary circuit, lc network and rc active filter are applied to this design, to effectively eliminate interference.key word: multisim; superheterodyne; receiver; 目 錄1 設(shè)計(jì)要求及指標(biāo)1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)6 1.2 設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)6

9、1.3 三極管混頻器總體方案介紹及工作原理說(shuō)明62 三極管混頻器的仿真分析 2.1 混頻電路分析 7 2.2 仿真結(jié)果113 仿真結(jié)果分析、干擾及解決辦法、設(shè)計(jì)總結(jié) 3.1 仿真結(jié)果分析16 3.2 干擾及解決辦法16 3.3 設(shè)計(jì)總結(jié)16參考文獻(xiàn)17致謝18附錄191 設(shè)計(jì)要求及指標(biāo)1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo) 設(shè)計(jì)一個(gè)三極管混頻器。1.2 設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo) 設(shè)計(jì)一個(gè)三極管混頻器。要求中心頻率為10mhz,本振頻率為16.455mhz。1.3 混頻電路的基本原理 混頻電路是一種頻率變換電路，是時(shí)變參量線性電路的一種典型應(yīng)用。如一個(gè)振幅較大的振蕩電壓（使器件跨導(dǎo)隨此頻率的電壓作周期變化）與幅度較小的外來(lái)

10、信號(hào)同時(shí)加到作為時(shí)變參量線性電路的器件上，則輸出端可取得此二性號(hào)的差頻或和頻，完成變頻作用。他的功能是將已調(diào)波好的載波頻率變換成固定的中頻載頻率。而保持其調(diào)制規(guī)律不變，也就是說(shuō)它是一個(gè)線性頻率譜搬電路，對(duì)于調(diào)幅波、調(diào)頻波或調(diào)相波通過(guò)變頻電路后仍然是調(diào)幅波，調(diào)頻波或調(diào)相波。只是其載波頻率變化了，其調(diào)制規(guī)律是不變的。常用的有模擬相乘混頻器、二極管平衡混頻器、環(huán)型混頻器、三極管混頻器等。其中三極管混頻器最為常用。正弦波振蕩器模擬乘法器選頻、放大電路高頻信號(hào)源 圖1.3.1 混頻原理框圖2.、三極管混頻器的仿真分析2.1.1 混頻電路分析對(duì)于混頻電路的分析，重點(diǎn)應(yīng)掌握，一是混頻電路的基本組成模型及主要

11、技術(shù)特點(diǎn)，二是混頻電路的基本原理及混頻跨導(dǎo)的計(jì)算方法，三是應(yīng)用電路分析?；祛l電路的基本組成模型及主要技術(shù)特點(diǎn)：混頻，工程上也稱變頻，是將信號(hào)的頻率由一個(gè)數(shù)值變成另一個(gè)數(shù)值的過(guò)程，實(shí)質(zhì)上也是頻譜線性搬移過(guò)程，完成這種功能的電路就稱為混頻電路或變頻電路。混頻電路的組成模型及頻譜分析：圖a是混頻電路的組成模型，可以看出是由三部分基本單元電路組成。分別是相乘電路、本級(jí)振蕩電路和帶通濾波器(也稱選頻網(wǎng)絡(luò))。當(dāng)為接收機(jī)混頻電路時(shí)，其中us(t)是已調(diào)高頻信號(hào)。ul(t)是等幅的余弦型信號(hào)，而輸出則是ui(t)為中頻信號(hào)?；祛l電路的基本原理： 圖2中，us(t)為輸入信號(hào)，uc(t)為本振信號(hào)。ui(t)輸

12、出信號(hào)。分析：當(dāng)2.1則= = 2.2其中：對(duì)上式進(jìn)行三角函數(shù)的變換則有：2.3從上式可推出，up(t)含有兩個(gè)頻率分量和為(c+s)，差為(c-s)。若選頻網(wǎng)絡(luò)是理想上邊帶濾波器則輸出為2.4若選頻網(wǎng)絡(luò)是理想下邊帶濾波器則輸出： 2.5以下是調(diào)幅波頻率形圖和混頻前后的頻譜原理圖： 圖1.3.2 調(diào)幅波變頻波2.1.2 總體方案介紹高頻電路中的混頻器利用電路中的非線性，可以對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行頻率加或減，產(chǎn)生和頻信號(hào)或差頻信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)采用晶體三極管作混頻電路,產(chǎn)生差頻信號(hào)，將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成低頻信號(hào)。采用共射混頻電路。信號(hào)電壓由基極輸入，本振電壓由發(fā)射極注入。采用此電路，相互干擾產(chǎn)生牽引現(xiàn)象的可能

13、性小。同時(shí)，對(duì)于本振電壓來(lái)說(shuō)是共基電路，其輸入阻抗小，使本振負(fù)重較重，雖不易起振但也不易過(guò)激，因此振蕩波形好，失真小。三極管混頻電路原理圖如下圖1.3.3所示。其中，晶體管起信號(hào)的混頻作用，兩個(gè)輸入信號(hào)分別為和；電容cin1、cin2、cout為信號(hào)輸入和輸出的耦合電容，起到隔直流的作用，使前后級(jí)的直流電位不相互影響，保證各級(jí)工作的穩(wěn)定性；電容ce對(duì)高頻交流信號(hào)相當(dāng)于短路，消除偏置電阻re對(duì)高頻信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，提高高頻信號(hào)的增益；電阻元件rb1、rb2、re決定晶體管的工作點(diǎn)；電路中的電感l(wèi)和電容c組成的諧振電路起選頻作用，在產(chǎn)生的組合頻率中選擇所需要的中頻輸出信號(hào)。vin1vccrb1r

14、b2re cevoutlccin1coutcin2vin2 圖1.3.3 晶體管混頻器實(shí)驗(yàn)原理電路圖2.1.3 工作原理說(shuō)明 晶體三極管混頻器的原理性電路如圖1.3.4所示，在發(fā)射結(jié)上作用有三個(gè)電壓，即直流偏置電壓vbb信號(hào)電壓us和本振電壓ul 。為了減小非線性器件產(chǎn)生的不需要分量，一般情況下，選用本振電壓振幅ulm usm，也就是本振電壓為大信號(hào)，而輸入信號(hào)電壓為小信號(hào)。在一個(gè)大信號(hào)ul 和一個(gè)小信號(hào)us 同時(shí)作用于非線性器件時(shí)，晶體管可近似看成小信號(hào)的工作點(diǎn)隨大信號(hào)變化而變化的線性元件，如圖1-5所示。t1時(shí)刻，在偏壓vbb和本振電壓ul的共同作用下，它的工作點(diǎn)在a點(diǎn)，此時(shí)us較小。因此

15、，對(duì)us 而言，晶體管可以被近似看成工作于線性狀態(tài)。在另一時(shí)刻t2，對(duì)于us 而言，由于偏壓和本振電壓的作用，工作點(diǎn)移到b點(diǎn)，這時(shí)對(duì)us 仍可看成工作于線性狀態(tài)。雖然兩個(gè)時(shí)刻均工作于線性狀態(tài)，但工作點(diǎn)不同，這兩個(gè)時(shí)刻的線性參數(shù)就不一樣。因?yàn)閡s 的工作點(diǎn)隨ul 的變化而變化，所以線性參量也就隨著ul 變化而變化，可見線性參量是隨時(shí)間變化的，這種隨時(shí)間變化的參量稱為時(shí)變參量。這樣的電路稱為線性時(shí)變電路。應(yīng)當(dāng)注意，雖然這種線性時(shí)變電路是由非線性器件組成。但對(duì)于小信號(hào)us來(lái)說(shuō)，它工作于線性狀態(tài)，因此，當(dāng)有多個(gè)小信號(hào)同時(shí)作用于此種電路的輸入端時(shí)，可以應(yīng)用疊加原理。 圖1.3.4 一個(gè)大信號(hào)和一個(gè)小信號(hào)

16、同時(shí)作用于非線性原件 圖1.3.4 晶體三極管混頻器的等效原理圖 晶體三極管混頻器的等效原理圖如圖1.3.5所示。在晶體三極管的發(fā)射極上作用有三個(gè)電壓，即直流偏置電壓vbb，信號(hào)電壓us和本振電壓ul，通常本振電壓振幅ulus，也就是本振信號(hào)為大信號(hào)，而輸入信號(hào)為小信號(hào)，在大信號(hào)ul和小信號(hào)us同時(shí)作用于非線性器件時(shí)，vbb+ul可認(rèn)為是時(shí)變偏置電壓，它決定了混頻器的工作點(diǎn)。而對(duì)于小信號(hào)us來(lái)說(shuō)是工作在時(shí)變狀態(tài)下的線性工作方式?；祛l器的集電極電流ic可以表示為 。因?yàn)閡s很小，在us的變化范圍內(nèi)，正向傳輸時(shí)線性的，在vbb+ul上對(duì)us泰勒展開為：（忽略高階影響）。設(shè)本振電壓，在沒(méi)有信號(hào)輸入的

17、情況下，式中io，icm1，icm2，g0，g1，g2分別是只加本振電壓時(shí)，集電極時(shí)變電流中的直流分量，基波分量，二次諧波分量的幅值以及時(shí)變跨導(dǎo)中的平均分量，基波分量，二次諧波分量的幅值。若輸入信號(hào)電壓，可得=+= 2.6 若帶通濾波器的中心頻率取差頻，則通過(guò)帶通濾波器輸出的中頻電流為 2.7 該電路由lc正弦波振蕩器高頻信號(hào)源三極管混頻器以及選頻放大電路組成。lc正弦波振蕩器產(chǎn)生的10mhz正弦波與高頻信號(hào)源所產(chǎn)生的16.455mhz正弦波通過(guò)三極管進(jìn)行混頻后產(chǎn)生雙邊帶調(diào)幅信號(hào)，然后通過(guò)選頻放大器選出有用的頻率分量，即頻率6.455mhz的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行放大輸出，最終輸出6.455mhz的正

18、弦波信號(hào)。三極管混頻器仿真電路見附錄一該電路主要由q1 和6.5mhz 選頻回路組成。混頻信號(hào)v1，v2分別由基極和發(fā)射級(jí)輸入。通過(guò)改變電阻r4的值來(lái)改變混頻器晶體工作點(diǎn)，使其工作在合適的非線性區(qū)域，同時(shí)也可以用來(lái)調(diào)節(jié)混頻增益。2.2 仿真結(jié)果在實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)r4,改變混頻器晶體工作點(diǎn)，穩(wěn)定的工作點(diǎn)，輸出信號(hào)穩(wěn)定，無(wú)失真；不合適的工作點(diǎn)將導(dǎo)致輸出信號(hào)不穩(wěn)定，甚至不能工作。下面波形是r4在不同值時(shí)系統(tǒng)的輸出信號(hào)波（v1,v2電壓為1v）圖2.2.1 接入r4=80時(shí)的輸出信號(hào)波形圖2.2.2 接入r4=10k時(shí)的輸出信號(hào)波形圖2.2.3 接入r4=100k時(shí)的輸出信號(hào)波形圖2.2.4 接入r4=2

19、40k時(shí)的輸出信號(hào)波形3 仿真結(jié)果分析、干擾及解決辦法、設(shè)計(jì)總結(jié)3.1 仿真結(jié)果分析綜上各圖，輸入信號(hào)頻率fs =10mhz ,本振頻率f0 =16.455mhz，其選頻回路選出差頻的中頻信號(hào)fi =6.455mhz。當(dāng)選頻回路的參數(shù)不合適時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)被嚴(yán)重衰減和失真。如圖所示 當(dāng)r4等于100k時(shí)獲得最佳波形。輸出頻率經(jīng)測(cè)量得到頻率為6.454mhz，與預(yù)期的6.455mhz一致，略有些誤差。3.2 干擾及解決辦法混頻器的各種非線性干擾是很重要的問(wèn)題，并且在討論各種混頻器時(shí)，把非線性產(chǎn)物的多少，作為衡量混頻器質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一非線性干擾中很重要的一類就是組合頻率干擾和副道波干擾。這類干擾是混頻器特有的。還有一些其他的干擾，比如交調(diào)互調(diào)，阻塞干擾等。干擾的解決辦法：1、選擇合適的中頻。如果將中頻選在接收信號(hào)頻段之外, 可以避免中頻干擾和最強(qiáng)的干擾哨聲2、提高混頻電路之前選頻網(wǎng)絡(luò)的選擇性, 減少進(jìn)入混頻電路的外來(lái)干擾, 這樣可減小交調(diào)