基于Mutisim的模擬乘法器的應(yīng)用設(shè)計與仿真(共23頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于Multisim10的模擬乘法器應(yīng)用設(shè)計與仿真摘 要作為電子線路仿真與設(shè)計的 EDA 工具軟件Multisim是其中之一。Multisim在教育教學(xué)與生產(chǎn)生活中被廣泛應(yīng)用于電路學(xué)習(xí)、電路圖設(shè)計以及模擬仿真。利用Multisim和虛擬儀器技術(shù)，可以很好地將理論教學(xué)與實際動手實驗相結(jié)合，可以提高學(xué)習(xí)的積極性。利用這些虛擬儀器與元器件，為模擬乘法器的電路設(shè)計與應(yīng)用提供了先進的設(shè)計方法并且可以預(yù)防電路設(shè)計中的錯誤，并模擬預(yù)期效果，提高成功性，調(diào)試比較方便。模擬乘法器是對兩個模擬信號（電壓或電流）實現(xiàn)相乘功能的的有源非線性器件。主要功能是實現(xiàn)兩個互不相關(guān)信號相乘，即輸出信號

2、與兩輸入信號相乘積成正比。它有兩個輸入端口，即X和Y輸入端口。設(shè)計的主要內(nèi)容為在Multisim10軟件工具下創(chuàng)建集成電路模塊，Multisim軟件工具提供了原理圖輸入工具、仿真器和波形分析功能對模擬乘法器構(gòu)成的電路進行仿真。然后對設(shè)計的電路進行測試和仿真結(jié)果分析。關(guān)鍵詞：Multisim10；模擬乘法器；仿真專心-專注-專業(yè)Application of Design and Simulation of Analog Multiplier Based on MultisimAbstract As electronic circuit simulation and design EDA tool

3、 software Multisim is one of them. Multisim in education teaching and life are widely used in circuit, circuit design and simulation study. Use Multisim and virtual instrument technology, is a good way to combining theory teaching and practical experiment, can improve the enthusiasm of learning. Use

4、 these virtual instruments and components for the circuit design and application of analog multiplier provides advanced design method and can prevent the errors in the circuit design, and simulation of the desired effect, improve the success, debugging more convenient.Analog multiplier is two analog

5、 signals (voltage or current) to realize the multiplication function of active nonlinear devices. Main function is to realize the two orthogonal signals multiplication, the output signal is proportional to the product of two input signals. It has two input ports, the X and Y input port.The main cont

6、ent of design for under Multisim10 software tools to create integrated circuit module, Multisim software tools provide principle diagram input tool, simulators and waveform analysis function of analog multiplier circuit simulation. And then to design the circuit testing and the analysis of simulatio

7、n results.Key Words：Multisim10; Analog multiplier; simulatian目 錄引言對于一些如乘方、開方、乘法、除法等模擬量的運算，集成模擬乘法器應(yīng)用較廣泛，在頻率變換中，模擬乘法器也可以完成如調(diào)制解調(diào)、混頻、鑒頻、鑒相等非線性電路功能。它作為一種通用性比較強的非線性電子器件，目前已有多種形式的單片集成電路，也是現(xiàn)代一些模擬集成系統(tǒng)的重要單元。人類社會的信息化離不開電子產(chǎn)品的進步，EDA技術(shù)是以計算機為工作平臺，輔助進行電路板的設(shè)計與制作，使得電子線路的設(shè)計方法取得極大的進步。EDA軟件不僅為電子設(shè)計師提供從概念、算法等的電子設(shè)計系統(tǒng)，也在教學(xué)、

8、科研等方面提供進行電路的設(shè)計與仿真。Multisim軟件可以將電路原理圖創(chuàng)建、電路的準確性測試和結(jié)果的顯示等集成在電子平臺上，運用各種操作命令進行仿真分析。對于數(shù)字電路以及模擬電路和通信電路等都可以在該電路窗口中進行仿真。Multisim是一個專用于電路仿真的工具軟件，它的突出優(yōu)點是操作簡單、分析功能強大、界面直觀，增強了仿真電路的實用性。本次設(shè)計主要通過對模擬乘法器的基本概念和基本原理的了解與應(yīng)用，在電路設(shè)計過程中利用軟件multisim10作為一種高效的設(shè)計與仿真平臺，使得設(shè)計者對具體的電路可以直接控制和編輯，實時的更新分析內(nèi)容。繪制電路圖所需要的元器件、儀器等以圖標的形式出現(xiàn)，為模擬乘法

9、器的電路設(shè)計與應(yīng)用提供了先進的設(shè)計理念和方法，預(yù)防電路設(shè)計中的錯誤，并模擬預(yù)期效果，提高成功性。1 概述1.1 研究的背景和意義隨著集成技術(shù)的發(fā)展，集成模擬乘法器的應(yīng)用也越來越廣泛，通常廣泛的引入到通信電路中。在模擬集成電路中，模擬乘法器是最基本的電路之一，模擬乘法器具有頻率轉(zhuǎn)換的作用，可完成大量數(shù)字運算，并且應(yīng)用于振幅的調(diào)制解調(diào)、混頻、倍頻、鑒頻、鑒相等等，可以看出它是一種多功能應(yīng)用的基本電路單元。輸入阻抗無限大，零輸入阻抗是理想模擬乘法器應(yīng)具有的特性，實現(xiàn)模擬乘法的方法很多，例如由壓頻變換器構(gòu)成的乘法器，其缺點為線性差、溫度導(dǎo)致的比例系統(tǒng)的變化、輸入輸出失調(diào)等，因此沒有得到廣泛應(yīng)用。196

10、8年以后，如BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等產(chǎn)品廣泛供應(yīng)于市場，這些產(chǎn)品具有頻帶寬、線性好、動態(tài)范圍寬、穩(wěn)定性能好和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種集成電路系統(tǒng)中。模擬量的線性組合和線性運算主要歸功于集成運算放大器，集成運算放大器的應(yīng)用推動了線性電子線路的改革性的發(fā)展，然而集成模擬乘法器的出現(xiàn)，使得非線性電子線路的有了突破性的進展，推動了非線性電子線路的微型化與集成化。目前我國模擬乘法器的生產(chǎn)尚處于初期階段，使用范圍較窄而且價格較貴，但隨著集成電路技術(shù)不斷發(fā)展與普及，各類性能優(yōu)越的模擬乘法器將不斷得到應(yīng)用并且會越來越得到重視。隨著高頻電

11、子線路的迅速發(fā)展，在不久的將來，模擬乘法器會和集成運算放大器一樣在電子線路中有著普遍的應(yīng)用。因此設(shè)計與研究集成模擬乘法器應(yīng)給予足夠重視。1.2 研究狀況在當今市場需求的強烈推動下，集成電路及其電子技術(shù)發(fā)展也越來越快，其性能要求也越來越高，在數(shù)字領(lǐng)域方面應(yīng)用廣泛其設(shè)計也要有很大進展，因此要求其受到重視和研究，在通用數(shù)字集成電路設(shè)計內(nèi)容中模擬乘法器的應(yīng)用成為不可缺少的部分。然而現(xiàn)今的信號主要是模擬信號，即使數(shù)字技術(shù)發(fā)展較先進，模擬集成電路仍發(fā)揮著不可替代的作用。從1968年以后，模擬乘法器的設(shè)計已經(jīng)成為集成電路技術(shù)的一個重要研究方向。舉例來說，要作為通用型乘法器，必須對電路采取線性化措施，我國19

12、70年生產(chǎn)的產(chǎn)品BG314及美國Motorola公司生產(chǎn)的MC1595等都應(yīng)用了通用集成模擬乘法器，這種電路首先引入預(yù)失真網(wǎng)絡(luò)，在該變換電路后輸入信號，再送入差分電路輸入端，從而減小這種差分電路的線性動態(tài)范圍。國外的MC1596和國產(chǎn)的XCC、F1596等作為一種通用的單片集成模擬乘法器，其線性范圍較寬泛，這種電路首先引入負反饋，在雙差分電路的兩個發(fā)射極插入負反饋電阻，實現(xiàn)負反饋的串聯(lián)電流，使得線性范圍得到擴展。在無線電技術(shù)發(fā)展和使用已經(jīng)廣泛滲透到人們的生活和生產(chǎn)中，我們了解無線電通信系統(tǒng)中的許多頻率變換，對于振幅調(diào)制解調(diào)、混頻、倍頻、鑒頻等過程都可以由模擬乘法器來完成，來實現(xiàn)兩個信號相乘的功

13、能。因此使用通用型模擬乘法器來完成這些電路，性能優(yōu)良，而且調(diào)整比較方便。2 模擬乘法器的基本原理2.1 模擬乘法器的概念模擬乘法器是實現(xiàn)兩個模擬信號相乘的有源非線性器件，它是一個三端網(wǎng)絡(luò)具有兩個輸入和一個輸出端，假設(shè)A為比例系數(shù)，和分別為乘法器的兩個瞬時輸入電壓，輸入電壓可以是任意的即可認為是理想情況，則輸出信號為： （2-1）最簡單的模擬乘法器是由一個具有恒流源的差分放大器組成的電路，目前應(yīng)用最廣的是四象限模擬乘法器如MC1496，廣泛地應(yīng)用于模擬信號處理。我們可以假設(shè)模擬乘法器的兩個輸入信號分別為： （2-2） （2-3）則乘法器的輸出電壓為 （2-4）可見，在乘法器輸出中，有新的頻率分量

14、產(chǎn)生，可以說明乘法器具有頻率變換的作用，它被廣泛地應(yīng)用于通信系統(tǒng)中。MC1496集成模擬乘法器的內(nèi)部電路圖如圖2-1所示：圖2-1 MC1496內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖如圖：V1、V2與V3、V4組成雙差分放大器，V5、V6組成的單差分放大器用于激勵V1-V4。V7、V8及其偏置電路構(gòu)成恒流源電路。引腳8與10接輸入電壓VX,引腳1與4接另一輸入電壓Vy，輸出電壓V。從引腳6與12輸出。由VQ5、VQ6兩管的發(fā)射級引出接線端2和3，外接電阻Ry，利用Ry的負反饋作用可以擴展輸入電壓的線性動態(tài)范圍。MC1496型雙差分模擬乘法器一般工作在1MHz以下的頻率。MC1496/1495的差值輸出電流為： （2-

15、5）可見，輸出電流中包含兩個輸入信號的乘積。2.2 模擬乘法器的實現(xiàn)方法對于模擬乘法器的實現(xiàn)方法，目前最常用的是可變跨導(dǎo)相乘法，它是一種雙差分模擬乘法器，是采用雙差分電路實現(xiàn)的。若采用一些線性化措施，可以擴展線性范圍的通用型乘法器。雙差分模擬乘法器如下圖2-2所示。圖2-2雙差分模擬乘法器根據(jù)雙差分電路的特性和原理，可以歸納出雙差分模擬乘法器的輸出電流為： (2-6)式中是一個定值， 、為兩個輸入電壓幅度，由公式可以看出，只要輸入電壓足夠小，雙差分電路兩個輸入電壓的乘積正比于輸出電壓，所以輸出電流包含兩個輸入信號的乘積，雙差分電路具有理想的相乘作用。但這種乘法器線性范圍比較小，因此在實際應(yīng)用的

16、電路中受到限制。要作為通用型乘法器，必須要使電路的輸入線性動態(tài)范圍變小，因此要采取線性化措施。分為兩種措施：一是引入一個預(yù)失真網(wǎng)絡(luò)，二是引入負反饋，擴展線性范圍，使總的合成輸出與輸入直接成為線性關(guān)系，得到理想的乘法器2.3 模擬乘法器的應(yīng)用集成模擬乘法器廣泛應(yīng)用于模擬量的運算如乘方、開方、乘法、除法等基本的運算電路，在無線電通信系統(tǒng)中，如調(diào)幅、檢波、鑒頻、鑒相等也應(yīng)用廣泛。常用的模擬乘法器有MC1496、MC1596、四象限模擬乘法器BG314和XCC等。3 總體設(shè)計思想3.1 利用模擬乘法器實現(xiàn)幅度調(diào)制在無線電通信系統(tǒng)中，為了將信號從輸入端傳輸?shù)捷敵龆?，要進行幅度的調(diào)制與解調(diào)。幅度調(diào)制是由調(diào)

17、制信號去控制高頻載波的幅度，使之隨調(diào)制信號作線性變化的過程。由模擬乘法器構(gòu)成的振幅調(diào)制電路，可實現(xiàn)常規(guī)雙邊帶調(diào)制（AM）或抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB）。對于有載波的振幅調(diào)制波形，AM波的包絡(luò)與調(diào)制信號的形狀完全一樣，載波分量通過相乘器僅起著將調(diào)制信號頻譜搬移到載波的兩邊，并沒有體現(xiàn)調(diào)制信號的變化。而抑制載波的調(diào)幅波形中，不存在載波分量，全部功率用于信息的傳輸。3.1.1 普通調(diào)幅設(shè)載波為一高頻波，電壓表達式為：，調(diào)制信號的表達式為：，則已調(diào)信號的瞬時電壓值為：式中稱為調(diào)幅系數(shù)，調(diào)制電壓的振幅與調(diào)幅系數(shù)成正比，應(yīng)小于或等于1，越大，調(diào)幅波的幅度變化越大，如果大于1，這種情況稱為過調(diào)幅，此時波形

18、會出現(xiàn)失真現(xiàn)象。普通調(diào)幅波的表達式展開可得： （3-1）從此式可看出，調(diào)幅波有三個頻率分量，它是由三個高頻正弦波疊加得到的，第一項是載波的頻率分量，與調(diào)制信號無關(guān)；第二項和第三項分別是上邊頻和下邊頻，分別是載波頻率與調(diào)制信號頻率的和與差。上邊頻與下邊頻是產(chǎn)生的新的頻率，已調(diào)波的帶寬為AM調(diào)制模型如圖3-1所示。圖3-1 調(diào)制模型波形圖如圖3-2所示。圖3-2 波形圖3.1.2 抑制載波的雙邊帶調(diào)幅由于載波不攜帶信息，可以只發(fā)射上、下邊頻的含有信息的功率，而不發(fā)射載波。要得到抑制載波的雙邊帶信號DSB可以將AM標準調(diào)幅的調(diào)制模型中的直流去掉。雙邊帶信號可以寫成: （3-2）調(diào)制模型如圖3-3所示

19、。圖3-3 調(diào)制模型波形圖如圖3-4所示。圖3-4 波形圖3.2 利用模擬乘法器實現(xiàn)同步檢波解調(diào)（檢波）是指從高頻的調(diào)幅信號還原為基帶信號所需要的過程，解調(diào)的方法可分為相干解調(diào)（同步檢波）和非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）。不論哪種振幅調(diào)制信號，都可以采用一個乘法器和載波相乘輸出后經(jīng)過低通濾波器將高頻載波去除這種方法進行解調(diào)來實現(xiàn)，把已調(diào)信號的頻譜搬移回調(diào)制信號的位置。對于同步檢波，調(diào)幅波與載波信號同頻同相，即這兩個信號是完全同步的，同步檢波器不僅可用于AM調(diào)幅的解調(diào)，也可用于抑制載波的DSB調(diào)幅的解調(diào)過程。假設(shè)輸入的調(diào)幅信號為，經(jīng)限幅得到的電壓為，經(jīng)過模擬乘法器相乘得到的輸出信號為： （3-3）從上式

20、輸出電壓可看出，不僅有成分，還有，+成分，只要再通過低通濾波器就可以把高頻濾除，得到成分的調(diào)制信號，從而完成了檢波的作用。實現(xiàn)檢波的系統(tǒng)框圖如圖3-5所示。圖 3-5 實現(xiàn)檢波的系統(tǒng)框圖本實驗電路的輸出電流中，除了解調(diào)所需要的低頻分量外，其余所有分量都屬于高頻范圍，很容易通過低通濾波器LP濾波。本電路可以解調(diào)DSB或SSB信號，亦可解調(diào)AM信號。3.3 利用模擬乘法器實現(xiàn)混頻所謂混頻，就是為了獲得本振信號與輸入信號的差頻信號，而將本振信號和輸入高頻信號相乘即可獲得差頻和和頻信號，再通過帶通濾波器，即可獲得差頻信號。由模擬乘法器組成的混頻器，可以完成兩個輸入信號的乘積，并且可以減小失真和通道的干

21、擾等優(yōu)點。乘法器可以產(chǎn)生只包含兩個輸入信號之和頻及差頻分量的輸出信號，所以用乘法器實現(xiàn)混頻，只要在x、y端分別加上兩個不同頻率的信號，相差一中頻信號，再經(jīng)過帶通濾波器取出中頻信號。用乘法器實現(xiàn)混頻的原理圖為3-6所示。圖3-6 乘法器實現(xiàn)混頻原理圖若設(shè)， （3-4）經(jīng)過帶通濾波器濾波后，取差頻，為中頻頻率。3.4 利用模擬乘法器實現(xiàn)倍頻如果一個電路的輸出頻率是輸入頻率的整數(shù)倍， ，n為整數(shù)，則這種頻率變換電路可稱為倍頻器。當n=2時，稱為二倍頻器，利用模擬乘法器構(gòu)成的倍頻電路中，若 （3-5）則模擬乘法器的輸出電流為 （3-6）由此式可以看出，輸出電壓包含二倍頻分量和直流分量，可以通過隔直流電

22、容將直流分量濾除，最后在負載上得到二倍頻電壓。3.5 本章小結(jié)本章介紹了調(diào)幅、同步檢波、混頻、倍頻電路的設(shè)計思想，通過采用模擬乘法器可實現(xiàn)各種頻率的變換過程，使得調(diào)幅、檢波、混頻、倍頻等電路都應(yīng)用簡單且性能優(yōu)良，并且了解了各電路的基本原理以此打下了理論基礎(chǔ)，在理論上預(yù)測可能出現(xiàn)的失真現(xiàn)象，在設(shè)計中可以防患于未然。4 電路調(diào)試與仿真4.1 調(diào)幅的仿真AM調(diào)制：在Multisim軟件下仿真電路窗口創(chuàng)建普通調(diào)幅(AM)電路，ctrl+N新建原理圖，本電路需要用到信號源庫、基本元器件和示波器。將元器件放置到工作平臺上，然后進行電路的連線，直流電壓源Ec和調(diào)制信號Uo加到乘法器的Y輸入端口，載波信號Uc

23、加到乘法器的X輸入端口，電路連接之后再進行元器件的各種特性參數(shù)的設(shè)置與編輯。V1為載波信號，參數(shù)設(shè)置為：電壓幅值為0.5V ，頻率為 1KHz ，V2為調(diào)制信號，參數(shù)設(shè)置為：電壓幅值為2V，頻率為20KHz 。電壓源幅值為1V，此時的調(diào)幅指數(shù)為M=Uo/Ec=0.5，運行仿真按鈕，雙擊示波器圖標，可以得到仿真輸出AM調(diào)幅波形和輸入信號調(diào)制波形，從波形可以看出，高頻載波的振幅隨著調(diào)制信號的變換規(guī)律。 圖4-1 模擬乘法器實現(xiàn)普通調(diào)幅電路（AM）圖4-2 調(diào)幅電路輸出波形若把調(diào)制信號的電壓幅值變?yōu)?V，調(diào)幅指數(shù)則變?yōu)镸=1，這時輸出的電路波形與調(diào)幅曲線的形狀完全一樣。圖4-3 普通調(diào)幅波輸出波形若

24、把基帶信號的電壓幅值改為2V，調(diào)幅指數(shù)M將大于1，這時的電路輸出波形會出現(xiàn)過調(diào)幅現(xiàn)象。圖4-4 過調(diào)幅波輸出波形DSB調(diào)制：在Multisim軟件下仿真電路窗口創(chuàng)建電路，ctrl+N新建電路圖模塊，將元器件放到工作平臺上進行連接與編輯，V1是高頻載波信號，V2是調(diào)制信號，V1與V2經(jīng)過乘法器相乘輸出雙邊帶信號。 V1是高頻載波信號，參數(shù)設(shè)置為：電壓幅值為 1V ，頻率為1KHz ，V2是調(diào)制信號，參數(shù)設(shè)置為：電壓幅值為 20V，頻率為10KHz 。V1與V2經(jīng)過乘法器相乘輸出雙邊帶信號。電路連接完成后運行仿真按鈕，雙擊示波器，可得到仿真輸出調(diào)幅波波形，可以看出DSB信號的調(diào)制是抑制載波的雙邊帶

25、信號。圖4-5 雙邊帶調(diào)幅電路圖4-6 雙邊帶調(diào)幅波4.2 DSB信號調(diào)制與解調(diào)的仿真在Multisim仿真電路窗口創(chuàng)建如下電路，其中有雙邊帶調(diào)幅電路由高頻載波信號V1、低頻調(diào)制信號V2和乘法器A1構(gòu)成，經(jīng)相乘后由模擬乘法器輸出電壓，本機載波信號和乘法器A2組成抑制載波的雙邊帶解調(diào)電路，使高頻調(diào)制信號同步檢波出來。V1是載波信號，參數(shù)設(shè)置為:幅度為1.5V，頻率為1KHz，V2是調(diào)制信號，參數(shù)設(shè)置為：幅度為2V，頻率為10KHz，V1和V2經(jīng)過乘法器相乘，輸出雙邊帶信號，再與乘法器相乘進行解調(diào)，V3是恢復(fù)載波信號，參數(shù)設(shè)置為：幅值為2V，頻率為10KHz.運行仿真開關(guān)，雙擊示波器，可得到DSB

26、信號的調(diào)制與解調(diào)波形。圖4-7 抑制載波信號的調(diào)制與解調(diào)的仿真電路圖圖4-8 調(diào)制與解調(diào)波形圖4.3 混頻電路的仿真用模擬乘法器實現(xiàn)混頻，就是在Ux端和Uy端分別加上兩個不同頻率的信號，相差一中頻，再經(jīng)過帶通濾波器取出中頻信號就可以得到混頻輸出。在Multisim仿真電路窗口創(chuàng)建混頻電路，將所需要的信號源庫、基本元件庫、示波器、頻率計放到電子工作平臺上，然后進行鼠標連線搭建電路。對于元器件的各種特性參數(shù)設(shè)置，雙擊該元器件，在彈出的元器件特性對話框中，進行修改與編輯。載波頻率為1MHz，調(diào)制信號頻率為5KHz；輸入的本振信號為頻率為2MHz 。在向下的混頻中，輸出的中心頻率為464Hz。點擊仿真按鈕，雙擊示波器觀察輸出波形和頻率計示數(shù)。圖4-9 混頻電路的仿真圖4-10 示波器的波形圖4-11 頻率計示數(shù)4.4 倍頻電路的