模擬乘法器的應(yīng)用

1、摘要隨著電子技術(shù)的發(fā)展，集成模擬乘法器應(yīng)用也越來越廣泛，它不僅應(yīng)用于模擬量的運(yùn)算，還廣泛應(yīng)用于通信、測量儀表、自動控制等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。用集成模擬乘法器可以構(gòu)成性能優(yōu)良的調(diào)幅和檢波電路，其電路元件參數(shù)通常采用器件 典型應(yīng)用參數(shù)值。作調(diào)幅時，高頻信號加到輸入端，低頻信號加到Y(jié)輸入端；作解調(diào)時，同步信號加到X輸入端，已調(diào)信號加到Y(jié)輸入端。調(diào)試時，首先檢查器件各管腳直流電位應(yīng)符合要求，其次調(diào)節(jié)調(diào)零電路，使電路達(dá)到平衡。集成模擬乘法器是實(shí)現(xiàn)兩個模擬信號相乘的器件，它廣泛用于乘法、除法、乘方和開方等模擬運(yùn)算，同時也廣泛用于信息傳輸系統(tǒng)作為調(diào)幅、解調(diào)、混頻、鑒相和自動增益控制電路，是一種通用性很強(qiáng)的非線性電

2、子器件，目前已有多種形式、多品種的單片集成電路，同時它也是現(xiàn)代一些專用模擬集成系統(tǒng)中的重要單元。作調(diào)幅時，高頻信號加到輸入端，低頻信號加到Y(jié)輸入端；作檢波時，同步信號加到X輸入端，已調(diào)信號加到Y(jié)輸入端。調(diào)試時，首先檢查器件各管腳直流電位應(yīng)符合要求，其次調(diào)節(jié)調(diào)零電路，使電路達(dá)到平衡。還需注意：（1）Y端輸入信號幅度不應(yīng)超過允許的線性范圍，其大小與反饋電阻RY有關(guān)，否則輸出波形會產(chǎn)生嚴(yán)重失真；（2）X端輸入信號可采用小信號（小于26mV）或者大信號（大于260mV），采用大信號可獲得較大的調(diào)幅或解凋信號輸出。信息傳輸系統(tǒng)中，檢波是用以實(shí)現(xiàn)電信號遠(yuǎn)距離傳輸及信道復(fù)用的重要手段。由于低頻信號不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)

3、距離傳輸，若將它裝載在高頻信號上，就可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，當(dāng)使用不同頻率的高頻信號，可以避免各種信號之間的干擾，實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。關(guān)鍵詞：模擬乘法器，調(diào)幅器，檢波器，MC1496 目錄第一章、集成模擬乘法器的工作原理2第一節(jié)、模擬乘法器的基本特性2一、模擬乘法器的類型2第二節(jié)、變跨導(dǎo)模擬乘法器的基本工作原理2第三節(jié)、單片集成模擬乘法器3第二章、 集成模擬乘法器的應(yīng)用4第一節(jié)、基本運(yùn)算電路4一、平方運(yùn)算4二、除法運(yùn)算器5三、平方根運(yùn)算5四、壓控增益5第二節(jié)、倍頻、混頻與鑒相6一、倍頻電路6二、混頻電路6三、鑒相電路6第三節(jié)、調(diào)幅與解調(diào)7一、信息傳輸?shù)幕靖拍?二、調(diào)幅原理8三、采用乘法器實(shí)現(xiàn)解調(diào)(檢波

4、)10第三章、 MC1496模擬乘法器構(gòu)成的振幅器10第一節(jié)、振幅調(diào)制的基本概念10第二節(jié)、抑制載波振幅調(diào)制13第三節(jié)、有載波振幅調(diào)制14第四章、MC1496模擬乘法器構(gòu)成的同步檢波器14總 結(jié)18參考文獻(xiàn)18附 錄19第一章、集成模擬乘法器的工作原理第一節(jié)、模擬乘法器的基本特性模擬乘法器是實(shí)現(xiàn)兩個模擬量相乘功能的器件，理想乘法器的輸出電壓與同一時刻兩個輸入電壓瞬時值的乘積成正比，而且輸入電壓的波形、幅度、極性和頻率可以是任意的。其符號如下圖所示，K為乘法器的增益系數(shù)。一模擬乘法器的類型理想乘法器對輸入電壓沒有限制， ux= 0 或 uy = 0 時，uO = 0，輸入電壓的波形、幅

5、度、極性和頻率可以是任意的 。實(shí)際乘法器ux= 0 ， uy = 0 時，uO ¹ 0，此時的輸出電壓稱為輸出輸出失調(diào)電壓。ux= 0，uy ¹ 0 （或 uy = 0，ux ¹ 0）時，uO ¹ 0，這是由于uy（ux ）信號直接流通到輸出端而形成的，此時  的輸出電壓為uy（ux ）的輸出饋通電壓。第二節(jié)、變跨導(dǎo)模擬乘法器的基本工作原理 變跨導(dǎo)模擬乘法器是在帶電流源差分放大電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本原理電路如下圖所示。 在室溫下，K為常數(shù)，可見輸出電壓uO與輸入電壓uy、ux的乘積成正比，所以差分放大電路具有乘法功能。但uy必須為正才能

6、正常工作，故為二象限乘法器。當(dāng) uY 較小 時，相乘結(jié)果誤差較大，因 IC3 隨 uY 而變，其比值為電導(dǎo)量，稱變跨導(dǎo)乘法器 .第三節(jié)、單片集成模擬乘法器實(shí)用變跨導(dǎo)模擬乘法器由兩個具有壓控電流源的差分電路組成，稱為雙差分對模擬乘法器，也稱為雙平衡模擬乘法器。屬于這一類的單片集成模擬乘法器有MC1496、MC1595等。MC1496內(nèi)部電路如下圖所示。   第二章、 集成模擬乘法器的應(yīng)用第一節(jié)、基本運(yùn)算電路一、平方運(yùn)算將模擬乘法器的兩個輸入端輸入相同的信號，平方運(yùn)算電路如下圖所示：二、除法運(yùn)算器由集成運(yùn)放和模擬乘法器組成，除法運(yùn)算電路如上圖所示。當(dāng) u1 > 0 時，u

7、O < 0，為使 u3 < 0，則 u2 > 0 ； 當(dāng) u1 < 0 時，uO > 0，為使 u3 > 0，則 u2 > 0 。三、平方根運(yùn)算四、壓控增益    改變直流電壓UXQ的大小，就可以調(diào)節(jié)電路的增益。第二節(jié)、倍頻、混頻與鑒相一、倍頻電路當(dāng)兩個輸入信號為同頻率的信號即可實(shí)現(xiàn)兩倍頻作用。如下圖所示。 二、混頻電路模擬乘法器的輸出為兩個輸入信號的和頻和差頻信號，即實(shí)現(xiàn)了混頻作用，若用濾波器取出和頻（信或差頻）號輸出，就稱為混頻，電路如下圖所示。三、鑒相電路鑒相電路用來比較兩個輸入信號的相位差，即它的輸出電壓

8、與兩輸入信號之間的相位差成正比，用模擬乘法器構(gòu)成的鑒相電路如下圖所示。作出uo與的關(guān)系曲線稱為鑒相特性曲線，當(dāng)|0.5rad（約30°）時，sin，鑒相特性接近于線性。第三節(jié)、調(diào)幅與解調(diào)一、信息傳輸?shù)幕靖拍?1)、對傳輸信號進(jìn)行調(diào)制的原因A、 根據(jù)電磁波理論，天線尺寸大于信號波長的十分之一，信號才能有效發(fā)射。如聲音信號的頻率范圍為 0.1 6 kHz。設(shè) f = 1 kHz，=C/=3×108/103=3×105（m），顯然，低頻信號直 接發(fā)射是不現(xiàn)實(shí)的。B、 使接收者能區(qū)分不同信號。 （2）、調(diào)制和解調(diào)調(diào)制(Modulation) 將低頻信號裝載于高頻信號。解

9、調(diào)(Demodulation) 將已調(diào)信號還原為低頻信號。（3）、調(diào)制(解調(diào))的方式調(diào)幅 AM (檢波) 、調(diào)頻 FM (鑒頻) 、調(diào)相 PM (鑒相)（4）、信息傳輸系統(tǒng)        二、調(diào)幅原理用低頻信號去改變高頻信號的幅度，稱為調(diào)幅。經(jīng)調(diào)幅后的高頻信號稱調(diào)幅信號，把沒有調(diào)幅的等幅高頻信號稱為載波信號，它是運(yùn)載低頻信號的工具。（1）、單頻調(diào)制波形（2）、采用乘法器實(shí)現(xiàn)調(diào)幅采用模擬乘法器構(gòu)成的調(diào)幅電路如下圖所示。調(diào)幅系數(shù)表示載波受低頻信號控制的程度，為了不產(chǎn)生調(diào)幅失真，要求UYQUm。 （3）、調(diào)幅波(已調(diào)波)

10、頻譜 （4）、雙邊帶調(diào)幅和單邊帶調(diào)幅由于載波本身不包含信息，為了提高設(shè)備的功率利用率，可以不傳送載波而只傳送兩個邊帶信號，這種調(diào)制方式稱為抑制載波雙邊帶調(diào)幅，簡稱雙邊調(diào)幅，用DSB表示。    由于上、下邊頻帶中的任何一個邊頻帶以及功能包含調(diào)制信號的全部信息，因此為了節(jié)省占有的頻帶、提高波段利用率，可以只傳送兩個邊帶信號中的任何一個，稱為抑制載波單邊帶調(diào)幅，簡稱單邊調(diào)幅，用SSB表示。三、采用乘法器實(shí)現(xiàn)解調(diào)(檢波) 調(diào)幅波的解調(diào)又稱幅度檢波，簡稱檢波，它是調(diào)幅的反過程。 第三章、 MC1496模擬乘法器構(gòu)成的振幅器第一節(jié)、振幅調(diào)制的基

11、本概念振幅調(diào)制是使載波信號的峰值正比于調(diào)制信號的瞬時值的變換過程。通常載波信號為高頻信號，調(diào)制信號為低頻信號。設(shè)載波信號的表達(dá)式為，調(diào)制信號的表達(dá)式為=,則調(diào)幅信號的表達(dá)式為圖3.1 振幅調(diào)制由圖可見，調(diào)幅波中載波分量占有很大比重，因此信息的傳輸效率較低，稱這種調(diào)制為有載波調(diào)制。為提高信息傳輸效率，廣泛采用抑制載波的雙邊帶或單邊帶調(diào)幅調(diào)制。雙邊帶調(diào)幅波的表達(dá)式為單邊帶調(diào)幅波的表達(dá)式為 MC1496構(gòu)成的調(diào)幅器電路圖如下： 圖3.2 MC1496 構(gòu)成的振幅調(diào)制器電路其中載波信號UC 經(jīng)高頻耦合電容C2 從ux 端輸入，C3 為高頻旁路電容，使8 腳接地。調(diào)制信號U經(jīng)低頻耦合電容C1 從uy 端

12、輸入，C4 為低頻旁路電容，使4 腳接地。調(diào)幅信號U0 從12 腳單端輸出。器件采用雙電源供電方式，所以5 腳的偏置電阻R5 接地，可計算出器件的靜態(tài)偏置電流I5 或I0，即腳2 與3 間接入負(fù)反饋電阻RE，以擴(kuò)展調(diào)制信號的U的線性動態(tài)范圍，RE 增大，線性范圍增大，但乘法器的增益隨之減少。電阻R6、R7、R8 及RL 為器件提供靜態(tài)偏置電壓，保證器件內(nèi)部的各個晶體管工作在放大狀態(tài)，所以阻值的選取應(yīng)滿足要求。對于圖3.2 所示電路參數(shù)，測量器件的靜態(tài)（UC=0，U=0）偏制電壓為 u8 u10 u1 u4 u6 u12 u2 u3 u56V 6V 0V 0V 8.6V 8.6V -0.7V -

13、0.7V -6.8VR1、R2 與電位器RP 組成平衡調(diào)節(jié)電路，改變RP 可以使乘法器實(shí)現(xiàn)抑制載波的振幅調(diào)制或有載波的振幅調(diào)制。第二節(jié)、抑制載波振幅調(diào)制Ux 端輸入載波信號Uc（t），其頻率fc=20.945MHz，峰峰值Ucp-p=40mV。uy端輸入調(diào)制信號U（t），其頻率f=1kHz，先使峰-峰值UP-P=0，調(diào)節(jié)RP，使輸出U0=0（此時U4=U1），在逐漸增加UP-P，則輸出信號U0（t）的幅度逐漸增大，最后出現(xiàn)如圖3.3（a）所示的抑制載波的調(diào)幅信號。由于器件內(nèi)部參數(shù)不可能完全對稱，致使輸出出現(xiàn)漏信號。腳1 和4 分別接電阻R3 和R4 可以較好地抑制載波漏信號和改善溫度性能。（a

14、）抑制載波調(diào)幅波 (b) 有載波調(diào)幅波圖3.3 乘法器輸出的調(diào)幅波第三節(jié)、有載波振幅調(diào)制Ux 端輸入載波信號Uc（t），其頻率fc=20.945MHz，峰峰值Ucp-p=40mV，調(diào)節(jié)平衡電位器Rp，使輸出信號Uo（t）中有載波輸出(此時U1和U4不相等)。再從Uy端輸入調(diào)制信號，其fo=1kHz，當(dāng)Ucp-p由零逐漸增大時，則輸出信號Uo（t） 的幅度發(fā)生變化，最后出現(xiàn)如圖3.3(b)所示的有載波調(diào)幅信號的波形，調(diào)幅系數(shù)m第四章、MC1496模擬乘法器構(gòu)成的同步檢波器振幅調(diào)制信號的解調(diào)過程稱為檢波。常用方法有包絡(luò)檢波和同步檢波兩種。由于有載波振幅調(diào)制信號的包絡(luò)直接反映了調(diào)制信號的變化規(guī)律，可

15、以用二極管包絡(luò)檢波的方法進(jìn)行解調(diào)。而抑制載波的雙邊帶或單邊帶振幅調(diào)制信號的包絡(luò)不能直接反映調(diào)制信號的變化規(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。同步檢波又分為疊加型同步檢波和乘積型同步檢波。利用模擬乘法器的相乘原理，實(shí)現(xiàn)同步檢波是很方便的，其工作原理如下：在乘法器的一個輸入端輸入振幅調(diào)制信號如抑制載波的雙邊帶信號us（t）= usmcoswctcost，另一輸入端輸入同步信號（即載波信號）uc（t）=ucmcoswc(t)，經(jīng)乘法器相乘，可得輸出信號U0（t）為U0 (t) =1/2KEUcmCOS (wc+) t COSWct=1/4KEUsmCOSt +1/4KEUsmUc

16、mCOS (2Wc+) t（條件：Ux=Uc<26mV, Uy=Us 為大信號）上式中，第一項(xiàng)是所需要的低頻調(diào)制信號分量，第二項(xiàng)為高頻分量，也可以被低通濾波器濾掉。如果輸入信號Us (t) 為有載波振幅調(diào)制信號，同步信號為載波信號Uc (t) ,利用乘法器的相乘原理，同樣也能實(shí)現(xiàn)解調(diào)。設(shè)Us=Usm (1+MCOSt) COSWc (t), Uc (t) =UcmCOSWct,則輸出電壓Uo (t)為Uo (t) = KEUs (t) Uc (t)= 1/2KEUcm + 1/2KEmUcmCOSt + 1/2KEUsmUcmCOS2Wct+1/4KEmUsmUcmCOS (2Wc +)

17、 t+1/4KEmUsmUcmCOS (2Wc -) t（條件：Ux=Uc<26mV, Uy=Us 為大信號）上式中，第一項(xiàng)為直流分量，第二項(xiàng)是所需要的低頻調(diào)制信號分量，后面三項(xiàng)為高頻分量，利用隔直電容及低通濾波器可濾掉直流分量及高頻分量，從而實(shí)現(xiàn)了有載波振幅調(diào)制信號的解調(diào)。MC1496 模擬乘法器構(gòu)成的同步檢波解調(diào)器電路如圖3.4 所示。其中Ux 端輸入同步信號或載波信號UC, uy 端輸入已調(diào)波信號US。輸出端接有由R11 與C6、C7 組成的低通濾波器及隔直電容C8，所以該電路對有載波調(diào)幅信號及抑制載波的調(diào)幅信號均可實(shí)現(xiàn)解調(diào)。圖3.4 MC1496 構(gòu)成的同步檢波器電路電路的解調(diào)操

18、作過程如下:首先測量電路的靜態(tài)工作點(diǎn)C 應(yīng)與圖3.2電路的靜態(tài)工作點(diǎn)基本相同,再從ux 端輸入載波信號UC,其 fC=20.945MHz，UCP-P=100mV。先令uy=0,調(diào)節(jié)平衡電位器RP,使輸出U0=0,即為平衡狀態(tài).再從uy 端輸入有載波的調(diào)制信號US,其fC=20.945MHz，fn=1kHz，USP-P=200mV，調(diào)制度m=100%，這時乘法器的輸出U0（t）經(jīng)低通濾波器后的輸出U0（t），經(jīng)隔直電容C8 后的輸出U（t）的波形分別如圖3.5（a）所示。調(diào)節(jié)電位器RP 可使輸出波形U0（t）的幅度增大，波形失真減小。若US 為抑制載波的調(diào)制信號，經(jīng)MC1496 同步檢波后的輸出波形Un（t）如圖3.5（b）所示。(a) 有載波信號解調(diào) （b）抑制載波信號的解調(diào) 圖3.5