基于模擬乘法器MC1496的混頻器設(shè)計(jì)解讀

1、基于模擬乘法器MC1496勺混頻器設(shè)計(jì)摘要集成模擬乘法器是繼集成運(yùn)算放大器后最通用的模擬集成電路之一，是一種多用途的線性集成電路?？捎米鲗拵А⒁种戚d波雙邊平衡調(diào)制器，不需要耦合變壓器或調(diào)諧電路，還可以作為高性能的SSB乘法檢波器，AM調(diào)制/解調(diào)器、FM解調(diào)器、混頻器、倍頻器、鑒相器等，它與放大器相結(jié)合還可以完成許多的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如乘法、除法、乘方、開方等。本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用集成模擬乘法器MC1496實(shí)現(xiàn)以上功能。模擬乘法器的主要技術(shù)指標(biāo)是工作象限、線性度和饋通度。工作象限是指容許輸入變量的符號(hào)范圍。只容許ux和uy均為正值的相乘器稱為一象限的，而容許ux和uy都可以取正、負(fù)值的則稱為四象限的。線性度

2、是指相乘器的輸出電壓uo與輸入電壓ux（或uy）成線性的程度。饋通度是指兩個(gè)輸入信號(hào)中一個(gè)為零時(shí)，另一個(gè)在輸出端輸出的大小?；祛l是將載波為高頻的已調(diào)信號(hào)，不失真地變換為載波為中間的已調(diào)信號(hào)，必須保持調(diào)制類型，調(diào)制參數(shù)不變，即原調(diào)制規(guī)律不變。頻譜結(jié)構(gòu)不變，各頻率分量的相位大小，相互間隔不變。由于設(shè)計(jì)和制作增益高，選擇T好，工作頻率較原載頻低的固定中頻放大器比較容易，所以采用混頻方式可大大提高接收機(jī)的性能。此設(shè)計(jì)就是利用仿真軟件，采用模擬相乘器實(shí)現(xiàn)混頻電路的。關(guān)鍵詞：MATLAB模擬乘法器，混頻電路DESINGOFMIXERBASEDONTHEANALOGMULTIPLIERMC1496Abstr

3、actAftertheintegratedoperationalamplifierintheintegratedanalogmultiplierisoneofthemostcommonanalogintegratedcircuit,isakindofmulti-purposelinearintegratedcircuits.Modulatorcanbeusedasabroadband,suppressedcarrierbilateralbalance,don'tneedcouplingtransformerortunedcircuit,alsocanbeusedasahigh-perf

4、ormanceSSBmultiplicationdetector,AM,FMdemodulator,mixer/modemmodulation,frequencymultiplier,andphasediscriminator,combiningitwithamplifiercanalsodomanymathematicaloperation,suchasmultiplication,division,chengfang,root,etc.ThisdesignmainlyusedintegratedanalogmultiplierMC1496achieveabovefunctions.Anal

5、ogmultiplieristhemaintechniqueindexquadrant,linearityandfeedthroughwork.Workquadrantreferstoallowtheinputvariablesymbolscope.Onlyallowbothuxanduypositivemultiplieriscalledaquadrant,andallowtheuxanduycantakethepositiveandnegativeisknownasthefourquadrants.Linearityreferstothemultiplicationoftheinputvo

6、ltageandoutputvoltageuoux(oruy)intolineardegree.Feedthroughdegreeisreferstothetwoinputsignalsofaisequaltozero,theotherinthesizeoftheoutputterminaloutput.Mixingisthecarrierforthehighfrequencymodulatedsignal,nodistortionforthecarriertotransformtothemiddleofthemodulatedsignal,mustbekeptin(1)modulationt

7、ype,modulationparametersarethesame,namelytheoriginalmodulationlawremainsthesame.Thephaseofeachfrequencycomponentofthespectrumstructureremainsthesame,(2)thesizeandthespacingbetweenthesame.Duetothedesignandproductionofhighgain,goodselectivity,andworkingfrequencywaslowerthanthoseoftheoriginalcarrierfre

8、quencyfixedintermediatefrequencyamplifieriseasy,sothemixingmethodcangreatlyimprovetheperformanceofthereceiver.Thisdesignistheuseofsimulationsoftware,usinganalogmultipliertorealizemixingcircuit.Keywords:MATLAB,Analogmultiplier,mixingcircuit1 .緒論混頻技術(shù)在高頻電子線路和無線電技術(shù)中應(yīng)用的相當(dāng)廣泛。在調(diào)制過程中，輸入的基帶信號(hào)都要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換變成高頻的已調(diào)

9、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)過頻率轉(zhuǎn)換，變成對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)。混頻器也是超外差接收機(jī)中的關(guān)鍵部件。直放式接收機(jī)是高頻小信號(hào)檢波，工作頻率變化范圍大時(shí)，工作頻率對(duì)高頻通道的影響比較大（頻率越高，放大量越低，反之頻率低，增益高），而且對(duì)檢波性能的影響也較大，靈敏度較低。采用超外差技術(shù)，將接收信號(hào)混頻到一固定中頻，放大量基本不受接收頻率的影響，這樣，頻段內(nèi)信號(hào)的放大一致性好，靈敏度可以做得很高，選擇性也較好。因?yàn)榉糯蠊δ苤饕旁谥蟹?，因此可以用良好的濾波電路。采用超外差接收使得調(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)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

10、是必不可少的。在頻分多地址信號(hào)的合成、微波接力通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中也有其重要地位。此外，混頻器也是許多電子設(shè)備、測(cè)量儀器（如頻率合成器、頻譜分析儀）的重要組成部分。本實(shí)驗(yàn)中通過MC1946構(gòu)成的混頻器來對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，變成需要的中頻信號(hào)。2 .實(shí)驗(yàn)原理2.1 混頻器原理變頻電路的基本功能是保持已調(diào)信號(hào)的調(diào)制規(guī)律不變，僅改變其載波頻率處理過程。用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)混頻，只要在Ux端和Uy端分別加上兩個(gè)不同的頻率信號(hào)，相差一中頻，再經(jīng)過帶通濾波器取出中頻信號(hào)，其原理框圖如圖1。混頻電路的輸入是載頻為fo的高頻已調(diào)波信號(hào)us和頻率為fL的本地正弦波信號(hào)（標(biāo)為本振信號(hào)）ul，輸出是中頻為fi的已

11、調(diào)波信號(hào)ui，通常取fl=fL-fC。以輸入是普通調(diào)幅信號(hào)為例，若Mo鞏工1,本振信號(hào)為比2m“，則輸出中頻信號(hào)為山=UiJl+auuocosZ冗小?？梢?，調(diào)幅信號(hào)頻譜從中心頻率為fc處平移到中心頻率為fi處，頻譜寬度不變，包絡(luò)形狀不變。圖2是相應(yīng)的頻譜圖。f尸加力圖2（a）混頻前（b）混頻后2.2 模擬乘法器MC1596的工作原理模擬乘法器是對(duì)兩個(gè)模擬信號(hào)（電壓或電流）實(shí)現(xiàn)相乘功能的的有源非線性器件。主要功能是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)互不相關(guān)信號(hào)相乘，即輸出信號(hào)與兩輸入信號(hào)相乘積成正比。它有兩個(gè)輸入端口，即X和丫輸入端口。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

12、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)上述功能比采用分離器件如二極管和三極管要簡單的多，而且性能優(yōu)越。集成模擬乘法器的常見產(chǎn)品有BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等。根據(jù)雙差分對(duì)模擬相乘器基本原理制成的單片集成模擬相乘器MC1496是四象限的乘法器。其內(nèi)部電路如圖3所示：其中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以激勵(lì)V1V4;V7、R1、V8、R2、V9、R3和R5等組成多路電流源電路；V7、R5、R1為電流源的基準(zhǔn)電路；V8、V9分別供給V5、V6管恒值電流Io/2,R5為外接電阻，可用以

13、調(diào)節(jié)Io的大??；由V5、V6、兩管的發(fā)射極引出接線端2和3,外接電阻RY,利用RY的負(fù)反饋?zhàn)饔茫詳U(kuò)大輸入電壓u2的動(dòng)態(tài)范圍；Rc為外接負(fù)載電阻。引腳8與10接輸入電壓Ux,1與4接另一輸入電壓Uy.。MC1496的管腳排列如圖4所示，其符號(hào)如圖5所示。圖3MC1496內(nèi)部電路H1312)1104a口口cfcrim-LJLJLJLJ(23567圖4MC1496引腳排列圖5模擬乘法器電路符號(hào)2.3 調(diào)幅波原理設(shè)載波信號(hào)的表達(dá)式為'':'調(diào)制信號(hào)的表達(dá)式為一則乘法器輸出的DSB調(diào)幅信號(hào)的表達(dá)式為0(0=9用UEc醍(%+Q*+C8®_Q*=mUcosG)ttcos

14、OE2.4 帶通濾波器原理濾波器是一種對(duì)信號(hào)有處理作用的器件或電路。其主要作用是讓有用信號(hào)盡可能無衰減的通過，對(duì)無用信號(hào)盡可能大的衰減。帶通濾波器允許一定頻段的信號(hào)通過，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲，即能通過高于頻率且低于頻率3H的信號(hào)，頻率從零到3&以及頻率從3H到無窮大均為阻帶。3 .電路仿真及代碼3.1 電路圖由Multisimll程序得到仿真電路圖如圖6。圖6混頻電路3.2 程序代碼在Matlab中用如下代碼（如圖7）對(duì)該電路中各信號(hào)波形進(jìn)行仿真。t=0:0.00000001:0.001;U0=0.05;%載波信號(hào)振幅f0=10A6;%載波信號(hào)頻率w0=2*f0*pi

15、;m=0.3;%調(diào)制度f1=2000;%調(diào)制信號(hào)頻率%AM已調(diào)信號(hào)%本振信號(hào)頻率%本振信號(hào)電壓%本振信號(hào)表達(dá)式w1=2*pi*f1;U1=0.2;Uam=U0*(1+m*cos(w1).*t).*cos(w0).*t);f2=1456000;w2=2*pi*f2;U2=0.2;u3=U2*cos(w2).*t);%兩個(gè)信號(hào)相乘，設(shè)相乘系數(shù)為k=1u4=Uam;u5=u4.*u3;w3=w2-w0;%經(jīng)帶通濾波器的中心頻率u6=1/2*U0*U2*cos(w1).*t).*cos(w3).*t);%中頻信號(hào)表達(dá)式plot(t,Uam);title('AM已調(diào)信號(hào)波形');paus

16、e;plot(t,u3);title('本振信號(hào)');pause;plot(t,u5);title(,經(jīng)乘法器后的信號(hào)');pause;plot(t,u6);title('中頻信號(hào)');4 .實(shí)驗(yàn)分析4.1 調(diào)幅電路幅度調(diào)制電路按輸出功率的高低，可分為高電平調(diào)幅電路和低電平調(diào)幅電路。低電平調(diào)幅電路包括：（1）簡單的二極管調(diào)幅電路；（2）.平衡調(diào)制器；（3）環(huán)形調(diào)制器。高電平調(diào)幅電路根據(jù)調(diào)制信號(hào)控制方式的不同，可分為基極調(diào)幅和集電極調(diào)幅。m稱為調(diào)幅指數(shù)即調(diào)幅度，是調(diào)幅波的主要參數(shù)之一，它表示載波電壓振幅受調(diào)制信號(hào)控制后改變的程度，一般m越大，調(diào)制幅度越深。

17、當(dāng)m=0時(shí)，表示未調(diào)幅；當(dāng)m=1時(shí)，調(diào)制系數(shù)的百分比達(dá)到100%;當(dāng)m>1時(shí)，已調(diào)波的包絡(luò)形狀與調(diào)制信號(hào)的不一樣，產(chǎn)生嚴(yán)重的包絡(luò)失真，所以一般取0<m<1。在此次實(shí)驗(yàn)中取m=0.3。且采用的是AM單頻調(diào)幅波。采用模擬乘法器和加法器產(chǎn)生AM信號(hào)，得到的調(diào)幅波的波形為（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%）。4.2 模擬乘法器模擬乘法器是一種完成兩個(gè)模擬信號(hào)（連續(xù)變化的電壓或電流）相乘作用的電子器件,通常具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，電路符號(hào)如圖11所示。圖7模擬乘法器電路符號(hào)若輸入信號(hào)為Ux,Uy,則輸出信號(hào)Uo

18、為：Uo=kUyUx式中：k為乘法器的增益系數(shù)或標(biāo)尺因子，單位為VI.一個(gè)理想的乘法器中，其輸出電壓與在同一時(shí)刻兩個(gè)輸入電壓瞬時(shí)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。對(duì)于一個(gè)理想的乘法器，當(dāng)Ux、Uy中有一個(gè)或兩個(gè)都為零時(shí)，但在實(shí)際乘法器中，由于工作環(huán)境、制造工藝及元件特性的非理想性，當(dāng)Ux=0,Uy=0時(shí)，Uo不為0,通常把這時(shí)的輸出電壓稱為輸出失調(diào)電壓；當(dāng)Ux=0,Uy不為0（或Uy=0,Ux不為0）時(shí)，Uo不為0,這是由于Uy（或Ux）信號(hào)直接流通到輸出端而形成的，稱這時(shí)的輸出電壓為Uy（或Ux）的輸出饋通電壓。輸出是調(diào)電壓和輸出饋通電壓越小越好。此外，實(shí)際乘

19、法器中增益系數(shù)K并不能完全保持不變，這將引起輸出信號(hào)的非線性失真，在應(yīng)用時(shí)需加注意。經(jīng)過乘法器后的波形如下圖所示：4.3 混頻電路由模擬乘法器和帶通電路組成，輸出中頻信號(hào)。其波形如下圖所示:6111111ddI.-00.10.20.30.40.5060.70.80.91x1。*4.3.1 混頻增益混頻增益Kvc是評(píng)價(jià)混頻器性能的重要指標(biāo)?；祛l增益是指混頻器輸出中頻信號(hào)電壓振幅對(duì)輸入高頻信號(hào)電壓振幅的比值。在相同輸入信號(hào)情況下，分貝數(shù)越大，表明混頻增益越高，混頻器將輸入信號(hào)變換為輸出中頻信號(hào)的能力越強(qiáng)，接收機(jī)的靈敏度越高。本實(shí)驗(yàn)中，Kvc=Ui/Us=0.005/0.05=0.1,用分貝數(shù)表示K

20、vc=20lg（Ui/Us）（dB）=-20d4.3.2 噪聲系數(shù)混頻器的噪聲系數(shù)Nf定義為Nf=輸入信噪比（信號(hào)頻率）/輸出信噪比（中頻頻率）4.3.3 變頻壓縮（抑制）理論上，在混頻器中，輸出與輸入信號(hào)幅度成線性關(guān)系。而在實(shí)際中，由于非線性器件的限制，當(dāng)輸入信號(hào)增加到一定程度時(shí)，中頻輸出信號(hào)的幅度與輸入不再成線性關(guān)系。如圖12。中頻輸出電平/dB圖84.3.4 選擇性混頻器在理論上只輸出中頻信號(hào)，但實(shí)際會(huì)混雜很多干擾信號(hào)。而在本次實(shí)驗(yàn)中，得到的輸出波形良好，說明此混頻器的高頻輸入、中頻輸出回來有良好的選擇性，即回路有較理想的諧振曲線，有效抑制了中頻以外的不需要的干擾。4.3.5 干擾干擾噪

21、聲蛆合頻率干擾混頻干擾有Y非線性失直寄生通道干擾交叉調(diào)制互相調(diào)制包絡(luò)失真和強(qiáng)信號(hào)阻塞4.3.5.1 組合頻率干擾組合頻率干擾主要分為干擾噪聲和寄生通道干擾，此處主要討論干擾噪聲，即有用信號(hào)和本振產(chǎn)生的組合頻率干擾（1）產(chǎn)生的原因：輸入到混頻器的有用信號(hào)與本振信號(hào)，由于非線性作用，除了產(chǎn)生有用的中頻外，還產(chǎn)生許多無用的組合頻率分量，如果它們中的有些頻率分量正好接近中頻（或落在中頻通帶內(nèi)），則這些成分將和有用中頻同時(shí)經(jīng)過中放加到檢波器上。通過檢波器的非線性特性，這些接近中頻的組合頻率與有用中頻差拍檢波，產(chǎn)生差拍信號(hào)（可聽音頻），形成干擾哨聲。如二極管電路i=a0+a1v+a2V2+a3V3+.當(dāng)v

22、=vc+vL時(shí)，代入即可得到電流中包含的頻率分量為：當(dāng)上士=（可聽視頻）時(shí)，他們將和有用信號(hào)fL同時(shí)經(jīng)過中放到達(dá)檢波器，檢波器的非線性作用產(chǎn)生差拍信號(hào)（F）形成干擾哨聲。（2）形成的條件：C=A土”ps-P;，土1.f>xF工念FJ一般"一所以上式可為：”戶此式說明：a、當(dāng)fL選定后，只要fc接近此時(shí)所計(jì)算的值，即能產(chǎn)生干擾哨聲。b、若p、q取不同的正整數(shù)，或產(chǎn)生干擾的輸入信號(hào)頻率有限多個(gè)，但當(dāng)有p+q>5時(shí),幅度已很小可以忽略如當(dāng)fc=918時(shí)，fL=918+456=1383,2fc-fL=1836-1383=453,F=456-453=12在中頻通帶以外，不會(huì)形成干擾

23、。又如，當(dāng)fc=931KHz時(shí)，本振頻率fL=（931+456）=1396KHz這時(shí)P=1,q=2所對(duì)應(yīng)的組合頻率分量為fpq=2fc-fL=2X931-1396=466KHz,它與有用中頻頻率只差1KHz,顯然可以通過中頻放大器進(jìn)入檢波器，與有用中頻fI=465KHz找信號(hào)作用后產(chǎn)生F=466-465=1KHz的差拍信號(hào)，在輸出端產(chǎn)生1KHZ的干擾哨叫聲。所以為了避免干擾，應(yīng)合理選擇電臺(tái)的發(fā)射載波頻率，使組合頻率在中放通帶以外。c、由兀="土1兀r知。當(dāng)p=0,q=1時(shí)，fc=fI這種干擾最強(qiáng)。所以為了避免Q一整這種干擾，應(yīng)使在接收頻段之外，如465在535-1605外。（3）克服方法：a、選定合理的Q點(diǎn)，減少濾波分量。b、限制Uc（t）的幅度