三極管混頻器課程設(shè)計

1、 通信電子線路課程設(shè)計說明書 三極管混頻器 系 、 部： 電氣與信息工程系 學生姓名： 指導教師： 職稱 講師 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 完成時間： 2010年12月20日 摘 要 混頻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，輸入的基帶信號都要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換變成高頻已調(diào)信號。在解調(diào)過程中，接收的已調(diào)高頻信號也要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換，變成對應(yīng)的中頻信號。特別是在超外差式接收機中，混頻器應(yīng)用較為廣泛，如AM 廣播接收機將已調(diào)幅信號535KHZ-一1605KHZ要變成為465KHZ中頻信號，電視接收機將已調(diào)485M一870M 的圖象信號要變成38MHZ的中頻圖象信號。移動通信中一次

2、中頻和二次中頻等。在發(fā)射機中，為了提高發(fā)射頻率的穩(wěn)定度，采用多級式發(fā)射機。用一個頻率較低石英晶體振蕩器做為主振蕩器，產(chǎn)生一個頻率非常穩(wěn)定的主振蕩信號，然后經(jīng)過頻率的加、減、乘、除運算變換成射頻，所以必須使用混頻電路，又如電視差轉(zhuǎn)機收發(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。人們一直都在尋求快速遠距離通信的手段。但是，直到十八世紀中葉才有了現(xiàn)代意義上的快速遠距離通訊手段，這歸功于無線電的發(fā)明。一個多世紀以來，通信的方式和內(nèi)容不斷更新發(fā)展，從最初的莫爾斯電碼到現(xiàn)在的衛(wèi)星通訊，現(xiàn)代通訊技術(shù)正成為人們?nèi)粘Ｉ钪性絹?/p>

3、越重要的角色。作為無線傳輸體系中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，混頻技術(shù)，如晶體管混頻，二極管混頻以及場場效應(yīng)管混頻等，被廣泛應(yīng)用于各種通訊設(shè)備中， 實現(xiàn)信號頻譜的搬移?；祛l的用途是廣泛的，它一般用在接收機的前端。除了在各類超外差接收機中應(yīng)用外在頻率合成器中為了產(chǎn)生各波道的載波振蕩，也需要用混頻器來進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把微波頻率變換為中頻，在中頻上進行放大，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，在測量儀器中如外差頻率計，微伏計等也都采用混頻器。因此，做有關(guān)混頻電路的課題設(shè)計很能檢驗對高頻電子線路的掌握程度；通過混頻器設(shè)計，可以鞏固已學的

4、高頻理論知識。此外為輔助電路，此次的課程設(shè)計還應(yīng)用了LC諧振回路以及RC二階有源濾波器，以實現(xiàn)對干擾信號的有效抑制。關(guān)鍵詞： 混頻器；超外差接收機；有源濾波器目錄摘要1第一章 系統(tǒng)分析41.1設(shè)計課題任務(wù)41.2課題基本原理41.3混頻電路的分類51.4混頻電路的實際應(yīng)用6第二章 軟件介紹72.1 工具的選擇Multisim 10 簡介72.2 Multisim 10 的特點7第三章 設(shè)計課題的仿真分析晶體管混頻器虛擬實現(xiàn)83.1設(shè)計課題的參數(shù)選擇83.2晶體三極管混頻器設(shè)計及課題的仿真結(jié)果103.3設(shè)計課題的調(diào)試15第四章 結(jié)論18致謝19參考文獻20附錄21第一章 系統(tǒng)分析1.1設(shè)計課題任

5、務(wù)設(shè)計一混頻電路要求輸入信號為10MHz正弦波，本振信號為16.465MHz正弦波，輸出為465KHz的正弦波，諧振回路選用465KHz的中周。1.2基本原理混頻電路是一種頻率變換電路，是時變參量線性電路的一種典型應(yīng)用。如一個振幅較大的振蕩電壓（使器件跨導隨此頻率的電壓作周期變化）與幅度較小的外來信號同時加到作為時變參量線性電路的器件上，則輸出端可取得此二信號的差頻或和頻，完成變頻作用。它的功能是將已調(diào)波好的載波頻率變化換成固定的中頻載頻率。而保持其調(diào)制規(guī)律不變，也就是說它是一個線性頻率譜搬電路，對于調(diào)幅波、調(diào)頻波或調(diào)相波通過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

6、規(guī)律是不變的。非線性器件帶通濾波器本地振蕩器輸入輸出圖1.1調(diào)幅波以下是調(diào)幅波頻率形圖和混頻前后的頻譜原理圖：圖1.2調(diào)幅波變頻波形圖調(diào)幅波的混頻示意圖中，混頻器上加了倆個信號載頻為1.76MHZ的調(diào)幅波Vs（輸入信號）和頻率為2.16516.465MHZ的等幅波Vo(本振信號)，經(jīng)過變頻后，輸出為465KHz的中頻調(diào)波Vi。輸出的中頻調(diào)幅波與輸入的高頻調(diào)幅波調(diào)幅規(guī)律完全相同，即載沒振幅的包絡(luò)形狀完全相同，唯一差別就是頻率不同。下面我們來研究變頻是頻譜的變化，從示意圖我們可以看出經(jīng)過混頻，高頻已調(diào)波變成中頻已調(diào)波，只是把已調(diào)波的頻譜從高頻率位置到了中頻率位置，輸入信號中每個頻率分量的位置及相對

7、大小、相互間距不發(fā)生變化，當應(yīng)注意高頻率已調(diào)波的上、下邊頻搬到中頻位置后，分別成了下、上邊頻。圖1.3變頻前后的頻譜圖1.3混頻電路的分類混頻電路是基于某些器件的非線性遠離工作的，其核心部件就是非線性元件。根據(jù)所用器件不同，混頻器主要有：1） 晶體管混頻器；2） 二極管混頻器；3） 場效應(yīng)管混頻器；4） 差分對混頻器。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)分有：1） 單管混頻器；2） 平衡混頻器；3） 環(huán)形混頻器。1.4混頻電路的實際應(yīng)用 超處差式接收機的主要特點是，把被接收的已調(diào)波信號的載波的頻率c先變?yōu)轭l率較低的（或較高的）但是固定不變的中間頻率i（稱為中頻），而其振幅的變化規(guī)律保持不變，即是由低頻調(diào)制信號來決定，

8、然后利用中頻放大器加以放大送至檢波器進行檢波。解調(diào)出與調(diào)制信號U(t) 線性關(guān)系的輸出電壓。隨后通過低頻電壓放大、功率放大、由揚聲器還原為原來的聲音，因為中頻放大器的中心頻率是固定不變的，中頻放大器容易取得較大的增益和近似理想的選擇性曲線。而接收器的主要放大倍數(shù)由中頻放大承擔所以整機增益在接收頻率范圍內(nèi)，高端和底端的差別就會很小，即易于獲得較高的靈敏度和臨道選擇性。對于調(diào)諧來說需要對混頻器的選頻輸入回路和本機振蕩器進行同步調(diào)諧，這是容易實現(xiàn)的。 第二章 軟件介紹2.1 工具的選擇Multisim 10 簡介 Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，

9、適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。 NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設(shè)計和驗證

10、。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。 2.2 Multisim 10的特點通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計電路通過交互式SPICE仿真, 迅速了解電路行為借助高級電路分析, 理解基本設(shè)計特征通過一個工具鏈, 無縫地集成電路設(shè)計和虛擬測試通過改進、整合設(shè)計流程, 減少建模錯誤并縮短上市

11、時間第三章 設(shè)計課題的仿真分析晶體管混頻器虛擬實現(xiàn)3.1設(shè)計課題的參數(shù)選擇晶體管的原理電路如圖所示，圖中，本振電壓和信號電壓都加在 晶體管的基極與發(fā)射極之間，在混頻過程中，跨導隨本振電壓做周期變換，混頻管可看成線性參變組件。當高頻信號通過線性參變組件時，便產(chǎn)生各種頻率分量，達到變頻目的。 圖3.1 晶體管原理電路 晶體管混頻器的電路有多種形式。一般按照晶體管組態(tài)和本地振蕩電壓注入點的不同有圖4所示的四種基本電路。圖中（a）和（b）為共發(fā)混頻電路。圖（a）信號電壓由基極輸入，本振電壓也由基極注入。圖（b）表示信號電壓由基極輸入，本振電壓由發(fā)射極注入。圖（c）和（d）為共基混頻電路。圖（c）和（d

12、）為共基混頻電路。圖（c）表示信號電壓由發(fā)射極輸入，本振電壓也由發(fā)射極注入。圖（d）表示信號電壓由發(fā)射極輸入，本振電壓由基極注入。這四種電路組態(tài)各有其優(yōu)缺點。圖3.2晶體管混頻器的電路4種形式 圖（a）電路對振蕩電壓來說是共發(fā)電路，輸入阻抗較大，因此用做混頻時，本地振蕩電路比較容易起振，需要的本振注入功率也較小。這是它的優(yōu)點。但是因為信號輸入電路與振蕩電路相互影響較大（直接耦合），可能產(chǎn)生牽引現(xiàn)象。這是它的缺點。當s與0的相對頻差不大時，牽引現(xiàn)象比較嚴重，不宜采用此種電路。圖（b）電路的輸入信號與本振電壓分別從基極輸入和發(fā)射極注入，因此，相互干擾產(chǎn)生牽引現(xiàn)象的可能性小。同時，對于本振電壓來說是

13、共基電路，其輸入阻抗較小，不易過激勵，因此振蕩波形好，失真小。這是它的優(yōu)點。但需要較大的本振注入功率；不過通常所須功率也只有幾十mW，本振電路是完全可以供給的。因此，這種電路應(yīng)用較多。圖（c）和（d）兩種電路都是共基混頻電路。在較低的頻率工作時，變頻增益低，輸入阻抗也較低，因此在頻率較低時一般都不采用。但在較高的頻率工作時（幾十MHz），因為共基電路的比共發(fā)電路的要大很多，所以變頻增益較大。因此在較高頻率工作時也有采用這種電路的。3.2晶體三極管混頻器設(shè)計及課題的仿真結(jié)果綜上所述，圖 3.2（b）比較適合本設(shè)計，電路的輸入信號與本振電壓分別從基極輸入和發(fā)射極注入本課程設(shè)計-晶體三極管混頻器實驗

14、電路如圖圖 3.3 晶體三極管混頻器實驗電路該電路主要由Q1 和6.5MHz 選頻回路組成?；祛l信號V1，V2分別由基極和發(fā)射級輸入。通過改變電阻R4的值來改變混頻器晶體工作點，使其工作在合適的非線性區(qū)域，同時也可以用來調(diào)節(jié)混頻增益。 圖 3.3 晶體管工作點調(diào)節(jié)電路 不合適的工作點將導致輸出信號不穩(wěn)定，甚至不能工作。下面圖 3.4, 圖 3.5，圖 3.6，是R4在不同值時系統(tǒng)的輸出信號波（V1,V2電壓為1V） 圖 3.4 未接入R4時的輸出信號波形 圖 3.6 當R4等于100k時的輸出信號波形 輸入信號頻率fs =10MHz ,本振頻率f0 =16.455MHz，其選頻回路選出差拍的中

15、頻信號fi =465.168kHz。當選頻回路的參數(shù)不合適時，輸出信號會被嚴重衰減和失真。如圖所示 當R4等于80k時獲得最佳波形。輸出頻率經(jīng)測量得到頻率為465.168kHz，與預(yù)期的465kHz一致，略有些誤差。 下面看一下輸入信號V1,V2在不同電壓下及電壓相同電壓值不同時的（電阻R4等于80K并保持不變）系統(tǒng)輸出的信號波形。 當保持V1為500mV時，通過改變V2電壓看輸出波形當保持V2為500mV時，通過改變V2電壓看輸出波形表二：V1電壓50mV100mV300mV500mvV輸出波形情況失真失真失真不失真 3.3設(shè)計課題的調(diào)試 混頻器的各種非線性干擾是很重要的問題，并且在討論各種

16、混頻器時，把非線性產(chǎn)物的多少，作為衡量混頻器質(zhì)量的標準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頻段之外, 可以避免中頻干擾和最強的干擾哨聲2：提高混頻電路之前選頻網(wǎng)絡(luò)的選擇性, 減少進入混頻電路的外來干擾, 這樣可減小交調(diào)干擾和互調(diào)干擾。對于鏡頻可采用陷波電路將它濾掉。 3：采用具有平方律特性的場效應(yīng)管、 模擬乘法器或利用平衡抵消原理組成的平衡混頻電路或環(huán)形混頻電路, 可以大大減少無用組合頻率分量的數(shù)目, 尤其是靠近有用頻譜的無用組合頻率分量, 從而

17、降低了各種組合頻率干擾產(chǎn)生的可能性。 在本課程設(shè)計中，高頻干擾由LC諧振網(wǎng)絡(luò)及RC有源濾波器共同完成，故效果較好。濾波器由RC網(wǎng)絡(luò)和運放組成，具有高輸入阻抗低輸出阻抗的特點，具有緩沖作用。在設(shè)計過程中取f0為6.455MHz, 通帶增益1，帶寬500kHz. 根據(jù)公式：取， 則：3.1 3.2 3.3 3.4由于本實驗的目的是演練二階有源濾波器的設(shè)計，電路中采用理想元件。實際電路中采用了精密可調(diào)元件代替。圖 3.13 RC有源二階濾波 經(jīng)仿真，該帶通濾波器的幅頻特性如下：圖 3.14帶通濾波器的幅頻特性下面的兩個輸出波形可以生動展示該RC有源二階濾波器在本混頻系統(tǒng)中的作用。圖 3.15濾波前后

18、波形對比左邊為經(jīng)過RC有源二階濾波器的輸出信號波形，每個周期的信號幅值較為一致。而右變未經(jīng)過RC有源二階濾波器的輸出信號每個周期的信號幅值顯然有起伏。這說明有部分殘留的干擾信號被該帶通濾波器有效地抑制了。 接待測網(wǎng)絡(luò)的輸出。關(guān)鍵點是必須在網(wǎng)絡(luò)的輸入端在并接一個函數(shù)信號發(fā)生器。第四章 結(jié)論這次課程設(shè)計我們按照課程設(shè)計上的程序以及導師指導下一步一步完成，先復(fù)習混頻電路的原理，然后選擇電路，計算關(guān)鍵元件的值，學習Multisim的使用，最后連線調(diào)試出預(yù)期的混頻和濾波效果,然后做出實際電路。在做開題報告時我對混頻的認識只限于基本原理和理論-在通信接受機中，混頻電路的作用在于將不同載頻的高頻已調(diào)波信號變

19、換為同一個固定載頻（中頻）的高頻已調(diào)波信號。調(diào)幅信號頻譜寬度不變，包絡(luò)形狀不變。正式開始設(shè)計后，在對電路的實現(xiàn)中，我先學習了Multisim軟件的使用，這個虛擬電子實驗室可以仿真各種電路。應(yīng)用過程中我發(fā)現(xiàn)這個軟件確實功能強大，操作簡單，可以免去直接用硬件做實驗帶來的各種麻煩。而且這個軟件是英文版的，使我的專業(yè)英語的詞匯量大大增加。同時對設(shè)計格式的嚴格要求，也讓我掌握了WORD 的一些高級編輯技巧。在搭設(shè)實際電路的過程中，我對混頻電路有了進一步的認識，將理論知識加入實際設(shè)計當中去，更加加深了我對理論知識的理解和認識。在設(shè)計過程中曾遇到高頻干擾，輸出波形失真相當嚴重，經(jīng)過老師和同學的幫助，通過加入各種濾波電路，失真現(xiàn)象有了明顯的改善，最終得到比較理想的結(jié)果。同時也演練了LC濾波器和RC有源二階濾波器的