高頻模擬乘法器的綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1、學(xué)生學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)課成績毀旗?星三此專生實(shí)驗(yàn)報(bào)實(shí)驗(yàn)課程名稱高頻電子線路實(shí)驗(yàn)開課學(xué)院信息工程學(xué)院-1指導(dǎo)教師姓名 學(xué)生姓名 學(xué)生專業(yè)班級(jí)2001420015學(xué)年 第學(xué)期實(shí)驗(yàn)課程名稱：高頻電子線路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱模擬乘法器的綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)成績實(shí)驗(yàn)者專業(yè)班級(jí)組另U25同組者無實(shí)驗(yàn)日期2014年12月13日、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、意義1了解模擬乘法器(MC149的電路組成結(jié)構(gòu)與工作原理。2 .掌握利用乘法器實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制、同步檢波、倍頻與混頻等幾種頻率變換電路的原理及-9 -設(shè)計(jì)方法。3 .學(xué)會(huì)綜合地、系統(tǒng)地應(yīng)用已學(xué)到模、數(shù)字電與高頻電子線路技術(shù)的知識(shí)，掌握對振幅調(diào)制、同步檢波、混頻和倍頻電路的制作與仿真技術(shù)，提高獨(dú)立

2、設(shè)計(jì)高頻單元電路和解決問題的能力。二.設(shè)計(jì)任務(wù)與要求(1)設(shè)計(jì)任務(wù)：用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制 (含AM與DSB卜同步檢波、混頻、倍頻等頻率變換電路的設(shè)計(jì),已知：模擬乘法器為1496,采用雙電源供電，Vcc=12V Vee=-8V.(2)設(shè)計(jì)要求: 全載波振幅調(diào)制與抑制載波振幅調(diào)制電路的設(shè)計(jì)與仿真:基本條件：1MHz/100mV 調(diào)制信號(hào)：1-3KHz/200mV,模擬乘法器采用 LM149&并按信號(hào)流程記錄各級(jí)信號(hào)波形。計(jì)算此條件時(shí)的AM調(diào)制信號(hào)的調(diào)制度 m=?,分析AM與DSB信號(hào) m 100%寸，過零點(diǎn)的特性。 同步檢波器電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)對DSB信號(hào)的解調(diào)?；緱l件；載波信號(hào) UX f=

3、1MHZ /50-100mV,調(diào)制信號(hào) Uy： f=2KHz/200mV，并按信號(hào)流程記錄各級(jí)信號(hào)波形。 混頻器電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的混頻?；緱l件：AM信號(hào)條件：(載波信號(hào) UX f=1MHZ/50mV，調(diào)制信號(hào) Uy： f=2KHz/200mV,M=30%中頻信號(hào)：465KHZ本地載波：按接收機(jī)制式自定。記錄各級(jí)信號(hào)波形。 倍頻器電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的倍頻?；緱l件：Ux=Uy(載波信號(hào) UX f=1MHZ /50mV)，并記錄各級(jí)信號(hào)波形。推證輸入、輸出信號(hào)的關(guān)系。 整理所測數(shù)據(jù)及波形，認(rèn)真分析各種頻率變換電路工作原理，畫出所測波形，寫出符合 規(guī)范的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并談?wù)勛约?/p>

4、的體會(huì)。三.實(shí)驗(yàn)原理與電路設(shè)計(jì)仿真1、集成模擬乘法器1496的內(nèi)部結(jié)構(gòu)集成模擬乘法器是完成兩個(gè)模擬量(電壓或電流)相乘的電子器件。在高頻電子線路中, 振幅調(diào)制、同步檢波、混頻、倍頻、鑒頻、鑒相等調(diào)制與解調(diào)的過程，均可視為兩個(gè)信號(hào)相乘 或包含相乘的過程。采用集成模擬乘法器實(shí)現(xiàn)上述功能比采用分立器件如二極管和三極管要簡 單的多，而且性能優(yōu)越。所以目前在無線通信、廣播電視等方面應(yīng)用較多。集成模擬乘法器的 常見產(chǎn)品有 BG314 F1595、F1596、MC1495 MC1496集成模擬乘法器。(1) MC1496的內(nèi)部結(jié)構(gòu)LM1595 LM1596 等。下面介紹 MC1496*測1 IM-1142J

5、112-StewLlIl-411ewA5Th*0UTWI-6s-7A-如in-CARRIER MPUr-OfilLR HPUMC1496(a)1496內(nèi)部電路(b)1496引腳圖圖1 MC1496的內(nèi)部電路及引腳圖MC1496是目前常用的平衡調(diào)制/解調(diào)器。它的典型應(yīng)用包括乘、除、平方、開方、倍頻、調(diào)制、混頻、檢波、鑒相、鑒頻、動(dòng)態(tài)增益控制等。MC1496的和內(nèi)部電路與外部引腳圖如圖1(a)(b)所示。它內(nèi)部電路含有8個(gè)有源晶體管，引腳 8與10接輸入電壓VX、1與4接另一輸入電壓VY，6與12接輸出電壓 V0。一個(gè)理想乘法器的輸出為VO=KVXV,Y而實(shí)際上輸出存在著各種誤差，其輸出的關(guān)系為：

6、VO=K(VX +VXOS(VY+VYOS +VZOX為了得到好的精度，必須消除VXOS VYOSf VZOX三項(xiàng)失調(diào)電壓。引腳2與3之間需外接電阻，對差分放大器 T5與T6產(chǎn)生交流負(fù)反饋，可調(diào)節(jié)乘法器的信號(hào)增益，擴(kuò)展輸入電壓的線性動(dòng)態(tài)范圍。各引腳功能如下:表1 MC1496引腳功能引腳功能引腳功能1SIG+信號(hào)輸入正端2GADJ增益調(diào)節(jié)端3GADJ增益調(diào)節(jié)端4SIG-信號(hào)輸入負(fù)端5BIAS偏置端6OUT+正電流輸出端7NC空腳8CAR+載波信號(hào)輸入正端9NC空腳10CAR-載波信號(hào)輸入負(fù)端11NC空腳12OUT-負(fù)電流輸出端13NC空腳14V-負(fù)電源(2) Multisim 建立MC1496

7、電路模塊啟動(dòng)multisim11程序，Ctrl+N新建電路圖文件，按照MC1496內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，將元器件放到/輸出。電子工作平臺(tái)的電路窗口上，按住鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)，全部選中。被選擇的電路部分由周圍的方框 標(biāo)示，表示完成子電路的選擇。為了能對子電路進(jìn)行外部連接，需要對子電路添加輸入單擊Place / HB/SB Connecter命令或使用Ctrl+I 快捷操作，屏幕上出現(xiàn)輸入 /輸出符號(hào),將其與子電路的輸入/輸出信號(hào)端進(jìn)行連接。帶有輸入 /輸出符號(hào)的子電路才能與外電路連接。單擊Place/Replace by Subcircuit命令，屏幕上出現(xiàn) Subcircuit Name對話框，在對話框中 輸

8、入MC1496單擊OK完成子電路的創(chuàng)建選擇電路復(fù)制到用戶器件庫，同時(shí)給出子電路圖標(biāo)。雙擊子電路模塊，在出現(xiàn)的對話框中單擊Edit Subcircuit 命令，屏幕顯示子電路的電路圖,可直接修改該電路圖。MC1496內(nèi)部結(jié)構(gòu)multisim 電路圖和電路模塊如圖2所示。108 -1012IO10 -106104103101 102105-1014IOBIOS101 6-:M222JQ22N22Z2Q3C2H22221012皿陣Q4 2H22221042H222Z2ti2222101C1103101ID3iO21021050IO 5L01 rih5713如3 50(QQ7C2M2222qe2soo

9、n9O0Q0141014MC1496圖2 MC1496的內(nèi)部電路及電路模塊引腳圖2、AM與DSB電路的設(shè)計(jì)與仿真調(diào)幅就是用低頻調(diào)制信號(hào)去控制高頻振蕩（載波）的幅度，使高頻振蕩的振幅按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。 把調(diào)制信號(hào)和載波同時(shí)加到一個(gè)非線性元件上（例如晶體二極管或晶體三體管 ），AM信號(hào)，抑制載波的雙經(jīng)過非線性變換電路，就可以產(chǎn)生新的頻率成分，再利用一定帶寬的諧振回路選出所需的頻率 成分就可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。幅度調(diào)制信號(hào)按其不同頻譜結(jié)構(gòu)分為普通調(diào)幅（ 邊帶（DSB信號(hào)，抑制載波和一個(gè)邊帶的單邊帶（ SSB信號(hào)。利用模擬乘法器相乘原理實(shí)現(xiàn)調(diào)幅是很方便的，工作原理如下：在乘法器的一個(gè)輸入端輸十3叫入載波信號(hào)

10、另一輸入端輸入調(diào)制信號(hào)i人J /）=匕葉cowl”，則經(jīng)乘法器相乘，可得輸出抑制載波的雙邊帶調(diào)幅信號(hào)的表達(dá)為：V,O） = K心=Ki；* 3 % wsQf=J；歸皿如+F十一川二嶺脇叫綁若要輸出普通調(diào)幅信號(hào)，只要調(diào)節(jié)外部電路的平衡電位器，使輸出信號(hào)中有載波即可。輸 出信號(hào)表達(dá)式為:3所示5二丿：屛（1亠#川3客（”）85卸普通振幅調(diào)制電路的原理框圖與抑制載波雙邊帶振幅調(diào)制電路的原理框圖如圖XyX2乘法畧丟珂S丟司隔框羽 乘法器買現(xiàn)取邊調(diào)弒框a圖3普通振幅調(diào)制電路與抑制載波雙邊帶振幅調(diào)制電路原理框圖AM與DSB電路的設(shè)計(jì)4所示。查集成模擬乘法器 MC1496應(yīng)用資料（附錄1）,得典型應(yīng)用電路如

11、圖IPuf【|r51.1心 2/V3.3 k ornrr-L_1 L(Hh-T.TA-M；DR=- O-iTS IMy /疇 h訂 tU M. Ill A I. hl Jflr rr I Hil lh- it5.JirTriKL 三-_ h - -圖4 1496 構(gòu)成的振幅調(diào)制電路電原理圖圖中載波信號(hào)經(jīng)高頻耦合電容C1輸入到UC端，C3為高頻旁路電容，使交流接地。調(diào)制信號(hào)經(jīng)高頻耦合電容 C2輸入到UQ端，C5為高頻旁路電容，使交流接地。調(diào)制信號(hào)UAmRb到地。因此，改變 R也可以調(diào)節(jié)1。的從（12）腳單端輸出。電路采用雙電源供電，所以腳接 大小，即:則：當(dāng)VEE=-8V, l5=1mA寸，可算

12、得：（MC1496器件的靜態(tài)電流一般取1。= l5= 1mA左右）3R95= ( 8-0.75 ) / (1X10 ) -500=6.75K Q 取標(biāo)稱電阻，則 R9=6.8KQMC1496的腳外接電阻 RB對差分放大器 T5、T6產(chǎn)生電流負(fù)回授，可調(diào)節(jié)乘法器的增益，擴(kuò)展輸入信號(hào) UQ動(dòng)態(tài)范圍。因?yàn)椋篣QW I 5RB式中I 5為5腳的電流，當(dāng)選l5=1mA Uy=1V（峰值）時(shí)，由上式可確定 RB:RB UQ /I5=1/1X10-3=1KQ，即 R11=1KQo負(fù)載電阻RC的選擇由于共模靜態(tài)輸出電壓為：U6=U2=Vc（-I5R式中Ub、U2是6腳與12腳的靜態(tài)電壓。當(dāng)選 U6=U2=8V

13、, VCc=12V, I 5=1mA時(shí),R.= (V3C-U6)/I 5=(12-8)/(1X10-3)=4K Q,取標(biāo)稱電阻 RL=3.9K Qo電阻 R1、 R2、 R3與 RC1RC2提供芯片內(nèi)晶體管的靜態(tài)偏置電壓，保證各管工作在放大狀態(tài)。阻值的選取應(yīng)滿足如下關(guān)系:V8V10,V1V4,V6V1215V(V6 V8)2V ,15V (V8 vi)2.7V ,15V(V1V5) 2.7V所以?。篟5=R6=1KQ R3=51 QR7=R8=R10=51Q,R4=R14=1hQ, WR1=50 KQ電阻R5 R6 WR1 R7和R8用于將直流負(fù)電源電壓分壓后供給MC1496的1、4腳內(nèi)部的差

14、分對三極管基極偏置電壓。通過調(diào)節(jié)RP,可使MC1496的1、4端的直流電位差為零，即UQ輸入端只有調(diào)制信號(hào)輸入而沒有直流分量，則調(diào)幅電路的輸出為抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波；若調(diào) 節(jié)RP,使MC1496的1、4端的直流電位差不為零，則電路有載波分量輸出，為普通調(diào)幅波。耦合電容與高頻電容的選擇電容C1與C2應(yīng)選擇得使其電抗在載波頻率上低于5Q,即:5o1/ 3 C1=1/3 C2 5 Q所以取 C1=C3=0.1uf,C2=C5=4.7uf,由此得到實(shí)際的模擬乘法器1496構(gòu)成的振幅調(diào)制電路與測量系統(tǒng)電原理圖，如圖11C3HHiMiiFluaIT=1巒F 吉;、JiUHzT f y Jitnt3rCJ

15、i7EG44TjrAmIK曲才HISRt tg.hill 馨0IT一雷a h LT；圖5 1496構(gòu)成的振幅調(diào)制電路電原理圖AM與DSB電路的仿真1)全載波振幅調(diào)制(AM(1)按設(shè)計(jì)電路設(shè)置元件參數(shù)并用Multisim完成電路連接。12。(2)當(dāng)電路平衡時(shí)，即 UQ =0,Uo=0 ,模擬乘法器1496的靜態(tài)特性數(shù)據(jù)如表表2靜態(tài)數(shù)據(jù)引腳(12)(14)電壓(V)5.995.99-0.01-0.01-6.857.95-0.64-0.647.95-866(3 )調(diào)R15 ( 99%,使模擬乘法器腳間電壓為+200mV,即電路不平衡。按設(shè)計(jì)要求加入信號(hào)，載波信號(hào) UX f=1MHZ /100mV調(diào)制

16、信號(hào) Uy： f=2KHz/2000mV,此時(shí)實(shí)現(xiàn) AM調(diào)制。信號(hào)時(shí)域波形和頻域圖形如圖6所示。求出此條件時(shí)的 M=70%ma M 100%日寸同O.mofl漁進(jìn)AO-UCKlvO.DUO V反向3O.OCO V0-QCM V0.000 V惺TTQ.CWQsO-QCW VQ.OOO VB寸間 4.000 ms-211.0 nV1希諂且2796 e辰向6.000 initlO-tiOl mVrai-r-2.OQQ ms-47. 2Oa pV2.ai6 mVFS-Tt-i希 iB B比例1 |1 V/Prv丫位H1-1電平AC 1 a h DC - 1 E-15振幅調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過程稱為檢波。常用

17、方法有包絡(luò)檢波和同步檢波兩種。由于普通調(diào)幅波（AM信號(hào)的包絡(luò)直接反映了調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律,可以用二極管包絡(luò)檢波的方法進(jìn)行解調(diào)。10所示。圖10同步檢波解調(diào)器電路原理框圖11X1 V.fVOV,1iivR1Vrtf仆nV2R1SSOkQC5ClT卜47uF丄2-a而雙邊帶或單邊帶振幅調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)不能直接反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，所以無法用包絡(luò)檢 波進(jìn)行解調(diào)，必須采用同步檢波方法。MC1496莫擬乘法器構(gòu)成的同步檢波解調(diào)器電路原理框圖其中y端輸入同步載波信號(hào) UC，x端輸入已調(diào)波信號(hào) US。解調(diào)器輸出信號(hào)經(jīng)低通后輸出解調(diào)信號(hào)。其1496構(gòu)成的同步檢波電路與外接元件參數(shù)與AM調(diào)制電路無異，僅需接一低

18、通濾波器實(shí)際設(shè)計(jì)電路如圖 11所示。圖11同步檢波器電路同步檢波器電路仿真1、按設(shè)計(jì)電路設(shè)置元件參數(shù)并用EWB完成電路連接。2、調(diào)RW1使電路平衡時(shí)，即 Uc=in =0,Uo=03、按設(shè)計(jì)要求加入信號(hào)，（載波信號(hào) UX f=1MHZ /50mV 調(diào)制信號(hào) Uy： f=2KHz/200mV）,a .按已知條件產(chǎn)生 DSB信號(hào)b.按同步檢波工作原理加入信號(hào)，得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖12所示。1 1 *+ln nnn -q謹(jǐn)謔 曲 門 nnn n nnn 7?邇這 U門 non Vn nnn vT2 *LJ pJ MJJ AS.MO msLH RJ LJU T2.023 rVTJ U LJU V1.231

19、ljVJ UTJhJ V fil.OlTuVu mu/ V 棚.5右fi nV你TVT嚴(yán)T S.DOD itA:LD衛(wèi)2 PV1,23 tuVe3.D17ijVnVcro廠發(fā)褐02M nV/Divo眥例電平CAC III Q lllfpg _J(T t? (T忑陀赫卷1自卸r證I圖12同步檢波器電路仿真波形(3)混頻器電路設(shè)計(jì)與仿真混頻電路的作用是在本地振蕩電壓的作用下，將載頻為fc的高頻已調(diào)信號(hào)不失真地變換為載頻為f的中頻已調(diào)信號(hào)。13所示:由于乘法器可以產(chǎn)生只包含兩個(gè)輸入信號(hào)之和頻及差頻分量的輸出信號(hào)，所以用模擬乘法器和帶通濾波器可以方便地實(shí)現(xiàn)混頻功能。其原理框圖如圖V4*帶通濾波器1乘法

20、器混頻原理框圖圖13乘法器混頻原理框圖用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)混頻，就是在Ux端和Uy端分別加上兩個(gè)不同頻率的信號(hào)，相差一中頻,再經(jīng)過帶通濾波器取出中頻信號(hào)?；祛l器電路設(shè)計(jì)由1496模擬乘法器構(gòu)成混頻電路和外接元件參數(shù)與AM調(diào)制電路無異，僅輸出端需接465KHZ諧振回路，其設(shè)計(jì)的電路如圖14所示。但必須保證模擬乘法器工作在平衡狀態(tài)。11C3*iknR1laC W-144lie.：3湖1?VI:Il id12 VgKXR*3U孑林DbMif r、MHWiiirLViT戶iuF；2 簾* jKklQ2mi YSZ2丄a，阿3H3EHX-t1ME 砂芮WrTHTuT卜luF啊kD1iiHIt亠V2pr=Lf

21、?pF旳出 I M2AH-3圖14乘法器混頻電路正弦波由10端（X輸入端）注入，高頻信號(hào)源輸出的正弦波由1端（丫輸入端）輸入，混頻后的中頻電壓由6端經(jīng)帶通濾波器輸出，其中8C、2L、5C、17R構(gòu)成一選頻濾波回路，調(diào)節(jié)2可變電阻12R能使1、4腳直流電位差為零，可以減小輸出信號(hào)的波形失真，使電路平衡。在、3腳之間加接電阻，可擴(kuò)展輸入信號(hào)SU的線性范圍?；祛l器電路仿真1、按設(shè)計(jì)電路設(shè)置元件參數(shù)并完成電路連接。2、調(diào)RW1使電路平衡時(shí)，即 Uc=in =0,Uo=03、按設(shè)計(jì)要求加入信號(hào)，得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖15所示-17 -命耒JB繪畑：2iT1 *1 *T/祠亙T2”Tl圧ra口.ODD SD.DO

22、D V .O Vfi.OOU mi11-脛a uv1.073 UV5,00口IJK衛(wèi) UViS.S R(7匕仟y 130 UV/DIVla-B A500 mVJOlvjTH5帯卜15AC I 口 IDUEn匸Q二I Efi J問帥岀忡I hoo us./DfvthPPl Ig舌 oI s .加鞍1屮I A IExt. T唱ObL圖15乘法器混頻電路波形（4）倍頻器電路設(shè)計(jì)與仿真倍頻器電路設(shè)計(jì)Ux Xy-16所示:由模擬相乘器構(gòu)成的倍頻器電路原理框圖如圖當(dāng)輸入信號(hào)為:UxUy Ui ,即模擬相乘器接成如圖 16所示， 就構(gòu)成了平方運(yùn)算電路，其輸出與輸入的關(guān)系是:uo KUxUy Kui2如果 ux uy ui uim si nwt則有 u。K(uim si nwt)2 Kuim