高頻課程設(shè)計(jì)

1、 Hebei Normal University of Science & Technology專業(yè)：電子信息工程學(xué)號(hào)：0414110224 高頻電子線路 課程設(shè)計(jì)題 目： 環(huán)形混頻器的設(shè)計(jì) 院（系、部）： 機(jī)電工程學(xué)院 學(xué) 生 姓 名： 周彤 指 導(dǎo) 教 師： 杜殿會(huì) 楊英 2013年 12月 20 日河北科技師范學(xué)院教務(wù)處制 摘要混頻，又稱變頻，也是一種頻譜的線性搬移過程，它是是信號(hào)自某一個(gè)頻率變換成另一個(gè)頻率。完成這種功能的電路成為混頻器?；祛l技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛?；祛l器是超外差式收音機(jī)中的關(guān)鍵部件。直放式接收機(jī)高頻小信號(hào)檢波，工作頻率變化范圍大時(shí)，工作頻率對高頻通道的影響比較大，靈敏度較

2、低。采用超外差技術(shù)后，將接受信號(hào)混頻到一固定中頻，放大量基本不受接受頻率的影響，這樣。頻段內(nèi)信號(hào)的放大一致性好，靈敏度可以做的很高，選擇性也比較好。因?yàn)榉糯蠊δ苤饕旁谥蟹?，可以用良好的濾波電路。采用超外差接收后，調(diào)整方便，放大量、選擇性主要由中頻部分決定，且中頻較高頻信號(hào)的頻率低，性能指標(biāo)容易得到滿足?；祛l器在一些發(fā)射設(shè)備中也是必不可少的。在頻分多址信號(hào)的合成、微波接力通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中也有其重要的地位。此外，混頻器也是許多電子設(shè)備、測量儀器的重要組成部分。理論上所有中頻是直流耦合的混頻器均可作為鑒相器使用。將兩個(gè)頻率相同，幅度一致的射頻信號(hào)加到混頻器的本振和射頻端口，中頻端將輸出隨兩信

3、號(hào)相差而變的直流電壓。當(dāng)兩信號(hào)是正弦時(shí)，鑒相輸出隨相差變化為正弦，當(dāng)兩輸入信號(hào)是方波時(shí)，鑒相輸出則為三角波。使用功率推薦在標(biāo)準(zhǔn)本振功率附近，輸入功率太大，會(huì)增加直流偏差電壓，太小則使輸出電平太低。混頻器的本振功率是指最佳工作狀態(tài)時(shí)所需的本振功率。原則上本振功率愈大，動(dòng)態(tài)范圍增大，線性度改善（1dB壓縮點(diǎn)上升，三階交調(diào)系數(shù)改善）。關(guān)鍵詞：信號(hào)；頻率；混頻器II目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求11.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)11.2設(shè)計(jì)要求12 方案論證12.1二極管混頻器12.2本地振蕩器（石英晶體振蕩器）13 單元電路設(shè)計(jì)23.1混頻器的設(shè)計(jì)23.1.1混頻器原理：23.1.2二極管環(huán)形混頻器電路分析33.

4、1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果：453.2本地震蕩器的設(shè)計(jì)53.2.1晶體振蕩器原理53.2.2元器件參數(shù)的計(jì)算64 電路原理圖及PCB版圖94.1環(huán)形混頻器94.2振蕩器105 總結(jié)11參考文獻(xiàn)：12附錄：AB1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)本學(xué)期我們學(xué)習(xí)了高頻電子線路這一門課程，為了更好地掌握所學(xué)習(xí)的知識(shí)，特做此課程設(shè)計(jì)以加以鞏固，同時(shí)學(xué)習(xí)并加深Multisim軟件的使用。本次設(shè)計(jì)是混頻器的設(shè)計(jì)，我們要好好掌握其設(shè)計(jì)原理?；祛l器在通信工程和無線電技術(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)過頻率的轉(zhuǎn)換變成高頻已調(diào)信號(hào)。在解調(diào)過程中，接收的已調(diào)高頻信號(hào)也要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換，變成對應(yīng)的中

5、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)和無線電專業(yè)必須掌握的關(guān)鍵電路。1.

6、2設(shè)計(jì)要求1、設(shè)計(jì)二極管環(huán)形混頻器、本地振蕩器電路。2、在Multisim仿真軟件上繪制電路圖，并進(jìn)行仿真得到預(yù)期結(jié)果。3、繪制PCB電路圖，為做出實(shí)物做出準(zhǔn)備。2 方案論證2.1二極管混頻器二極管環(huán)形混頻器各端口有良好的隔離性，而且有組合頻率少、動(dòng)態(tài)范圍大、噪聲小、本振電壓無反向輻射等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是混頻增益小于1，且隨著工作頻率提高而下降。相比于二極管平衡混頻器可以進(jìn)一步抑制一些非線性產(chǎn)物。而且二極管環(huán)形混頻器具有電路簡單易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。因此我們選擇二極管混頻器為我們的混頻單元。2.2本地振蕩器（石英晶體振蕩器）晶體管的內(nèi)部工作原理石英晶體具有壓電效應(yīng)。當(dāng)對它施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷；加電

7、壓時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，稱此為壓電效應(yīng)。給石英設(shè)置電極加電壓時(shí)所得到的電學(xué)的固有振動(dòng)不怎么受所加電壓或環(huán)境溫度的影響。因此，如果把石英振子用于振蕩電路，將會(huì)得到頻率非常穩(wěn)定的振蕩輸出。石英晶體作為振蕩回路元件能使振蕩器的頻率穩(wěn)定度大大提高的原因在于：1) 石英晶體的物理和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定，因此，它的等效諧振回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性；2) 它具有正、反壓電效應(yīng)，而且在諧振頻率附近，晶體的等效參數(shù)Lq很大、Cq很小、Rq也不高。因此，晶體的Q值可高達(dá)數(shù)百萬數(shù)量級(jí)；3) 在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi)，具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。石英晶體振蕩器與其它LC振蕩器相比具有

8、更穩(wěn)定的震蕩頻率，為了得到穩(wěn)定的頻率輸出因而我們選擇使用晶體振蕩器作為本地震蕩單元。3 單元電路設(shè)計(jì)3.1混頻器的設(shè)計(jì)3.1.1混頻器原理：當(dāng)器件的伏安特性是非線性時(shí)，能實(shí)現(xiàn)混頻。當(dāng)忽略三次方以上的各項(xiàng)時(shí)，非線性器件的輸出電流與輸入電壓之間的關(guān)系可以表示為i=bo+b1v+b2v2，式中bo、b1、b2分別為各項(xiàng)的系數(shù)。若v=VscosSt+VLcosLt，代入上式并利用三角公式進(jìn)行變換，則得到：i=b0+b1VscosSt+b1VLcosLt+12b2Vs2+12b2Vs2cos2St+12b2VL2+12b2VL2cos2Lt+b2VsVLcosL-St+cosL+St。其中b2VsVLc

9、osL-St就是所需的頻率分量，即中頻。只要在輸出端接上諧振頻率為中頻的諧振回路，就能濾除不需要的頻率分量，選出中頻電壓?？梢姡?dāng)兩個(gè)不同頻率的高頻電壓作用于非線性器件時(shí)，將產(chǎn)生直流、二次諧波、和頻。二極管環(huán)形混頻器工作原理：混頻器就是對某信號(hào)進(jìn)行頻率交換，將其載頻變換到某一固定的頻率上，而保持原信號(hào)的調(diào)制規(guī)律不變?；祛l是一種頻譜搬移電路，混頻前后，信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)并不發(fā)生變化。當(dāng)兩個(gè)不同頻率的正弦電壓，同時(shí)作用在一個(gè)非線性元件上時(shí)，就會(huì)在它的輸出電流中，產(chǎn)生許多組合頻率分量，選用合適的濾波器選出所需的頻率分量，此時(shí)就完成了混頻。3.1.2二極管環(huán)形混頻器電路分析圖等效電路（a）在本振電壓的正半

10、周，二極管D1與D3導(dǎo)通，D2與D4截止。此時(shí)，混頻器相當(dāng)于一個(gè)二極管反向型平衡混頻器，如圖.在輸出變壓器T2初級(jí)產(chǎn)生的電流為：i=i_1-i_3=1/(r_d+R_L ) S(t)v_s在本振電壓的負(fù)半周，二極管D2與D4導(dǎo)通，D1與D3截止。此時(shí)，混頻器也相當(dāng)于一個(gè)二極管平衡混頻器如圖。圖等效電路（b）這時(shí)輸出變壓器T2初級(jí)產(chǎn)生的電流為：i=i4-i2=1rd+RLS*(t)(-vs2-v0)-1rd+RLS*(t)(vs2-v0)=-1rd+RLS*tvs;式中，S*t是相應(yīng)于圖2中本振電壓極性的開關(guān)函數(shù)，它St的區(qū)別僅在于二者在開關(guān)時(shí)間上相差半個(gè)震蕩電壓周期。環(huán)形混頻器輸出電流i=i+

11、i，由以上推導(dǎo)得：i=1rd+RLSt-S*(t)vs;式中：St-S*t=4cos0t-43cos30t+因此：i=1rd+RL4cos0t-43cos30t+vs;射頻本振圖射頻、本振波形令vs=cosst代入上試，可見，輸出電流中即有差頻0-s，經(jīng)過檢波則可得到我們所需要的中頻：0-s。3.1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果：圖混頻后波形有計(jì)算值與仿真值的比較可得輸出波形包含射頻信號(hào)和本振信號(hào)的差頻、和頻等混頻結(jié)果，基本完成了設(shè)計(jì)要求， 仿真值基本滿足要求，說明電路各部分均正常工作。美中不足的是仿真結(jié)果同理論值仍存在一定的誤差，需要進(jìn)一步改善電路的性能，使電路更加精確和抗干擾能力更強(qiáng)。3.2本地震蕩器的設(shè)計(jì)

12、3.2.1晶體振蕩器原理并聯(lián)諧振型晶體振蕩器原理與一般反饋式LC振蕩器相同，只是把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的震蕩回路之中，作為一個(gè)感性元件，并與其它回路元件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成三端振蕩器。根據(jù)這個(gè)理論可以構(gòu)成三種類型的基本電路。本設(shè)計(jì)中我們使用c-b型并聯(lián)晶體振蕩器，其電路圖如下：圖（）c-b型并聯(lián)晶體振蕩器實(shí)際線路圖（）c-b型并聯(lián)晶體振蕩器等效線路3.2.2元器件參數(shù)的計(jì)算A、直流參數(shù)的計(jì)算正確的靜態(tài)工作點(diǎn)是振蕩器能夠正常工作的關(guān)鍵因素，靜態(tài)工作點(diǎn)主要影響晶體管的工作狀態(tài)，若靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置不當(dāng)則晶體管無法進(jìn)行正常的放大，振蕩器在沒有對反饋信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)是無法工作的。振蕩器主電路的靜態(tài)工

13、作點(diǎn)主要由R1、R2、R4決定。圖直流通路將電感短路，電容斷路，得到其直流通路，如下圖所示：高頻振蕩器的工作點(diǎn)要合適，若偏低、偏高都會(huì)使振蕩波形產(chǎn)生嚴(yán)重失真，甚至停振。實(shí)際中取=0.55mA之間，若取=2mA，則有：為提高電路的穩(wěn)定性，Re值可適當(dāng)增大，取Re=1，則Rc=2，則有： 若取流過的電流為10，則=10=0.33mA，則?。簩?shí)際電路中，可用10與50電位器串聯(lián)，Rb2可以取6.2，以便工作點(diǎn)的調(diào)整。B、交流參數(shù)的確定對于振蕩器，當(dāng)電路接為并聯(lián)型振蕩器時(shí)，晶體起到等效電感的作用，輸出頻率應(yīng)為2.5MHZ，則由f0=1/2知C3=30p、C4=30p、C6=30p。與C4并聯(lián)一30pF

14、可調(diào)電容，用于對頻率進(jìn)行調(diào)整。為了提高振蕩器的工作性能和穩(wěn)定度，在電路中還應(yīng)有高頻扼流圈，一般取扼流圈L1=100uH。 圖振蕩頻率C、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：起振過程：圖二、起振中圖一、起振前圖三、起振后4 電路原理圖及PCB版圖4.1環(huán)形混頻器圖環(huán)形混頻器電路圖振蕩器原理圖圖環(huán)形混頻器板圖4.2振蕩器圖振蕩器板圖5 總結(jié)通過設(shè)計(jì)晶體振蕩器電路，使我的動(dòng)手能力和經(jīng)驗(yàn)有了一定程度的提高。我更好地了解了石英晶體的結(jié)構(gòu)和特性。剛拿到設(shè)計(jì)題目時(shí)一頭霧水，不知道該怎樣去實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。于是便拿起教材與實(shí)驗(yàn)手冊，對知識(shí)系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請教，終于熟練掌握了基本理論知識(shí)，而且領(lǐng)悟諸多平時(shí)

15、學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識(shí)，學(xué)會(huì)了如何思考的思維方式，對設(shè)計(jì)有了初步的思路。有了方案還不夠，還要去論證其可行性，前四天都是在網(wǎng)上和圖書館中查資料，論證電路的可行性。在這方面我們進(jìn)行了深刻的探討，加深了我們對其更好的理解和認(rèn)識(shí)。由于知識(shí)水平有限，這次設(shè)計(jì)存在很多不完善之處，同時(shí)也深刻地意識(shí)到自己在設(shè)計(jì)方面能力的欠缺，以往都是只學(xué)習(xí)原理，對設(shè)計(jì)方面的知識(shí)了解不多，而我們這專業(yè)要求最重要的就是實(shí)踐能力。以后我要多看專業(yè)書，多做些實(shí)際電路以加強(qiáng)這方面的鍛煉?？傊?，通過這次設(shè)計(jì)電路，我收獲挺大。感謝老師的辛勤教導(dǎo)，以后我會(huì)加倍努力。參考文獻(xiàn)：1張肅文.高頻電子線路.北京：高等教育出版社，2004.11（

16、2006 重?。?康光華.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.第五版.華中科技大學(xué)出版社.2005.73曹開才.電路分析基礎(chǔ).第四版.北京.清華大學(xué)出版社.20094曾興雯，高頻電路原理與分析.西安電子科技大學(xué)出版社，2004.015吉雷,Protel 99從入門到精通.西安電子科技大學(xué)出版社,2000.10附錄：混頻器：數(shù)量描述參考標(biāo)識(shí)2TRANSFORMER,TS_RF2T2, T14DIODE, 1N1200CD4, D3, D2, D13RESISTOR, 30R1, R6, R96RESISTOR, 1kR2, R3, R5, R4, R7, R8振蕩器：數(shù)量描述參考標(biāo)識(shí)1RESISTOR, 5.1kR71RESISTOR, 6.2kR21INDU