混頻器的設(shè)計(jì)與仿真知識(shí)講解

1、混頻器的設(shè)計(jì)與仿真目錄前言 0工程概況 0正文 13.1 設(shè)計(jì)的目的及意義 13.2 目標(biāo)及總體方案 13.2.1 課程設(shè)計(jì)的要求 13.2.2 混頻電路的基本組成模型及主要技術(shù)特點(diǎn) 13.2.3 混頻電路的組成模型及頻譜分析 13.3 工具的選擇 Multiusim 10 33.3.1 Multiusim 10 簡(jiǎn)介 33.3.2 Multisim 10 的特點(diǎn) 33.4 混頻器 33.4.1 混頻器的簡(jiǎn)介 33.4.2 混頻器電路主要技術(shù)指標(biāo) 43.5 混頻器的分類 43.6 詳細(xì)設(shè)計(jì) 53.6.1 混頻總電路圖 53.6.2 選頻、放大電路 53.6.3 仿真結(jié)果 63.7 調(diào)試分析 9

2、致謝 9參考文獻(xiàn) 10附錄 元件匯總表 10混頻器的設(shè)計(jì)與仿真 前言 混頻器在通信工程和無(wú)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(hào)都要經(jīng)過(guò)頻率的轉(zhuǎn)換變成高頻已調(diào)信號(hào)。在解調(diào)過(guò)程中，接收的已 調(diào)高頻信號(hào)也要經(jīng)過(guò)頻率的轉(zhuǎn)換，變成對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)。特別是在超外差式接 收機(jī)中，混頻器應(yīng)用較為廣泛，如 AM 廣播接收機(jī)將已調(diào)幅信號(hào) 535KHZ-一 1605KHZ要變成為 465KHZ中頻信號(hào)，電視接收機(jī)將已調(diào) 485M一 870M 的圖像 信號(hào)要變成 38MHZ的中頻圖像信號(hào)。移動(dòng)通信中一次中頻和二次中頻等。在發(fā) 射機(jī)中，為了提高發(fā)射頻率的穩(wěn)定度，采用多級(jí)式發(fā)射機(jī)。用一個(gè)頻率較低石 英晶

3、體振蕩器作為主振蕩器，產(chǎn)生一個(gè)頻率非常穩(wěn)定的主振蕩信號(hào)，然后經(jīng)過(guò) 頻率的加、減、乘、除運(yùn)算變換成射頻，所以必須使用混頻電路，又如電視差 轉(zhuǎn)機(jī)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(jiàn)，混頻電路是應(yīng)用電子技術(shù)和無(wú)線電專業(yè)必須掌握的關(guān)鍵電路。工程概況混頻的用途是廣泛的，它一般用在接收機(jī)的前端。除了在各類超外差接收 機(jī)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(lái)進(jìn) 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(jī)把微波頻率變換 為中頻，在中頻上進(jìn)行放大，取得足夠的增益后，在利用混頻器把中頻變換為 微波頻率，轉(zhuǎn)發(fā)至下一站此外，在測(cè)量?jī)x器中如

4、外差頻率計(jì)，微伏計(jì)等也都采 用混頻器。因此，做有關(guān)混頻電路的課題設(shè)計(jì)很能檢驗(yàn)對(duì)高頻電子線路的掌握 程度；通過(guò)混頻器設(shè)計(jì)，可以鞏固已學(xué)的高頻理論知識(shí)。混頻器是頻譜線性搬 移電路，能夠?qū)⑤斎氲膬陕沸盘?hào)進(jìn)行混頻。具體原理框圖如圖 2-1 所示。圖 2-1 具體原理框圖正文3.1 設(shè)計(jì)的目的及意義（1）加深對(duì)混頻理論方面的理解，提高用程序?qū)崿F(xiàn)相關(guān)信號(hào)處理的能力（2）掌握 multisim 實(shí)現(xiàn)混頻器混頻的方法和步驟（3）掌握用 muitisim 實(shí)現(xiàn)混頻的設(shè)計(jì)方法和過(guò)程，為以后的設(shè)計(jì)打下良 好的基礎(chǔ)（4）加深對(duì)高頻知識(shí)的理解3.2 目標(biāo)及總體方案3.2.1 課程設(shè)計(jì)的要求將頻率為 10MHZ的輸入信號(hào)

5、，和頻率為 16.465MHZ的本振信號(hào)，利用 MC1496模擬乘法器進(jìn)行混頻，再利用中周得到頻率為 464KHZ的輸出信號(hào)。由于我們的設(shè)計(jì)是通過(guò)軟件模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)，所用的軟件版本中沒(méi)有MC1496芯片，在方案里我選用相乘器來(lái)代替。3.2.2 混頻電路的基本組成模型及主要技術(shù)特點(diǎn) 混頻，工程上也稱變頻，是將信號(hào)的頻率由一個(gè)數(shù)值變成另一個(gè)數(shù)值的過(guò) 程，實(shí)質(zhì)上也是頻譜線性搬移過(guò)程，完成這種功能的電路就稱為混頻電路或變 頻電路。3.2.3 混頻電路的組成模型及頻譜分析（1）混頻器的組成模型圖圖3-1混頻器組成模型圖(2) 混頻電路的基本原理U s (t)為輸入信號(hào)， Uc(t) 為本振信號(hào)。 Ui(t)

6、輸出信號(hào)。 當(dāng)Us(t) Usm cos st則Up(t) Us(t)Uc(t) U sm cos stU cm cos ct Amcos st cos ct其中： Am U smU cm對(duì)上式進(jìn)行三角函數(shù)的變換則有U p(t1)Amcos st cos ct1 Amcos( cs)t cos( cs)t從上式可推出， Up(t) 含有兩個(gè)頻率分量的和量和差量。若選頻網(wǎng)絡(luò)是理想1上邊帶濾波器則輸出為 Ui(t) 21 Amcos( c s)t ，若選頻網(wǎng)絡(luò)是理想下邊帶濾波器則輸出：1Ui(t) 12 Amcos( cs )t 。在工程應(yīng)用中，我們多選用的是差頻分量。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)題目的分析，要想得

7、到 465KHZ的輸出信號(hào)，是不可能通過(guò)一次 混頻直接得到的。必須要在經(jīng)過(guò)二次混頻。通過(guò)分析：第一次混頻會(huì)出現(xiàn)兩個(gè) 頻率分量： 26.465MHZ和6.465MHZ的輸出信號(hào)。我在這里選擇了 6.465MHZ的輸出 信號(hào)作為二次混頻的輸入信號(hào)，選擇 6.93MHZ的信號(hào)作為二次混頻的本振信號(hào)。 這樣在最終的相乘器輸出端里就含有我們所需要的 465KHZ的信號(hào)。3.3 工具的選擇 Multiusim 103.3.1 Multiusim 10 簡(jiǎn)介Multisim 是美國(guó)國(guó)家儀器（ NI）有限公司推出的以 Windows為基礎(chǔ)的仿真 工具，適用于板級(jí)的模擬 / 數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原

8、理圖的圖形 輸入、電路硬件描述語(yǔ)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(duì)電路進(jìn)行仿 真。 Multisim 提煉了 SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無(wú)需懂得深入的 SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電 子學(xué)教育。通過(guò) Multisim 和虛擬儀器技術(shù)， PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)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(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜 合設(shè)計(jì)流程。NI Multisim 軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕 松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借 NI Multi

9、sim ，您可以立即創(chuàng)建具有 完整組件庫(kù)的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè) 的高級(jí) SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速 驗(yàn)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(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測(cè)量。3.3.2 Multisim 10 的特點(diǎn)通過(guò)直觀的電路圖捕捉環(huán)境 , 輕松設(shè)計(jì)電路通過(guò)交互式 SPICE仿真 , 迅速了解電路行為借助高級(jí)電路分析 , 理解基本設(shè)計(jì)特征通過(guò)一個(gè)工具鏈 , 無(wú)縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試通過(guò)改進(jìn)、整合設(shè)計(jì)流程 , 減少建模

10、錯(cuò)誤并縮短上市時(shí)間3.4 混頻器3.4.1 混頻器的簡(jiǎn)介輸出信號(hào)頻率等于兩輸入信號(hào)頻率之和、差或?yàn)閮烧咂渌M合的電路。 混頻器通常由非線性元件和選頻回路構(gòu)成。變頻（或混頻），是將信號(hào)頻率由一個(gè)量值變換為另一個(gè)量值的過(guò)程。具有這種功能的電路稱為變頻器（或混頻器）。一般用混頻器產(chǎn)生中頻信號(hào)：混頻器將天線上接收到的信號(hào)與本振產(chǎn)生的信號(hào)混頻：cos cos cos() cos()/2可以這樣理解， 為信號(hào)頻率量， 為本振頻率量，產(chǎn)生和差頻。當(dāng)混頻 的頻率等于中頻時(shí)，這個(gè)信號(hào)可以通過(guò)中頻放大器，被放大后，進(jìn)行峰值檢 波。檢波后的信號(hào)被視頻放大器進(jìn)行放大，然后顯示出來(lái)。由于本振電路的振 蕩頻率隨著時(shí)間變化

11、，因此頻譜分析儀在不同的時(shí)間接收的頻率是不同的。當(dāng) 本振振蕩器的頻率隨著時(shí)間進(jìn)行掃描時(shí)，屏幕上就顯示出了被測(cè)信號(hào)在不同頻 率上的幅度，將不同頻率上信號(hào)的幅度記錄下來(lái)，就得到了被測(cè)信號(hào)的頻譜。 3.4.2 混頻器電路主要技術(shù)指標(biāo)（ 1）變頻增益 ge射頻輸入功率電平與混頻器中頻輸出功率電平之比稱為變頻增益 ge（2）變頻壓縮點(diǎn) 變頻壓縮點(diǎn)用來(lái)表示混頻器的非線性失真程度。混頻器在射頻輸入電平遠(yuǎn)小于本振電 平時(shí)，混頻器處于線性運(yùn)行狀態(tài)下。此時(shí)，中頻輸出隨輸入射頻電平的增長(zhǎng)而線性地增 長(zhǎng)。但是，當(dāng)射頻輸入增加到一定程度后，中頻輸出隨射頻輸入增加的速度變慢，混頻器 開(kāi)始進(jìn)入飽和狀態(tài)。（3）三階互調(diào)阻斷點(diǎn)

12、 三階互調(diào)阻斷點(diǎn)又稱為三階截點(diǎn)或三階交點(diǎn)，它是表征混頻器線性性能的指標(biāo)?；祛l 器非線性特性中的立方項(xiàng)會(huì)引起互調(diào)失真，輸入功率每增加1db，互調(diào)失真功率就要增加3db，隨輸入按照 3：1的速度上升，而正常接收射頻所產(chǎn)生的中頻輸出是按照1：1 的速度上升。當(dāng)互調(diào)輸出功率電平與中頻輸出功率電平相等時(shí)，通信機(jī)無(wú)法進(jìn)行正常通信。三階 截點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的射頻輸入功率，是混頻器的非線性互調(diào)失真使收信機(jī)無(wú)法正常收信時(shí)的最大 射頻輸入功率，工程上用 ip3 （ dbm）表示?？梢?jiàn)， ip3 越大，表明混頻器的線性運(yùn)行范圍 越寬。（4）噪聲系數(shù) nf混頻器的噪聲系數(shù) nf 可以用輸入、輸出信號(hào)功率和噪聲的比值的對(duì)數(shù)來(lái)定

13、義（5）隔離度隔離度是表征混頻器內(nèi)部電路平衡度的一個(gè)指標(biāo)，即表示混頻器各端口之間泄露和 竄透的大小。3.5 混頻器的分類（1）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(chǎng)效應(yīng)管混頻器；（4）差分對(duì)混頻器。（2）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。3.6 詳細(xì)設(shè)計(jì)3.6.1 混頻總電路圖XSC1Ext TriAB0A1U1200kOPAMP_3T_BASIC20R41.015M C11pF 1pFR11.3R532M 5 R16 R2 8290kC31pF101pF2.1C243M0R8R5455k1BASXFC1圖 3-2

14、 混頻總電路圖3.6.2 選頻、放大電路圖 3-3 選頻、放大電路這是一個(gè)典型的帶通濾波器，他是選用有源二階低通濾波器和有源二階高 通濾波器的串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能的。這個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)不僅有很好的選頻特 性，同時(shí)也具備放大功能。（1） 低通濾波器的具體參數(shù)分析：通帶放大倍數(shù)： Aup 1 R2 1 1015 1.75upR11353品質(zhì)因數(shù)：0.8通帶截止頻率：3 Aup1.25550KHZ2 RC(2) 高通濾波器的具體參數(shù)分析：通帶放大倍數(shù)： Aup 1 RR12 1 12519233 1.75品質(zhì)因數(shù)：11.250.8通帶截止頻率：350KHZ2 RC帶通濾波器的通頻帶： 350KHZ 55

15、0KHZ3.6.3 仿真結(jié)果圖 3-4 一次混頻后的波形圖 3-5 二次混頻后的波形圖 3-6 二次混頻后的傅里葉分析圖由幅頻特性可以看出有四個(gè)主要的頻率分量有： 465KHZ、 13.395MHZ、 19.535MHZ、33.395MHZ。下邊依次對(duì)其中的三個(gè)干擾頻分量進(jìn)行分析：之所以會(huì)出現(xiàn) 13.395MHZ的干擾分量是因?yàn)樵诙位祛l的時(shí)候，我們輸入的頻率為 6.465MHZ的輸入信號(hào)和次混頻的頻率為 6.93MHZ的本振信號(hào)之間的干擾產(chǎn)生的出現(xiàn) 19.353MHZ的干擾分量是因?yàn)樵诘谝淮位祛l的時(shí)候由于頻率為 10MHZ 的輸入信號(hào)與一次混頻的頻率為 16.465MHZ的本振信號(hào)之間產(chǎn)生的

16、干擾，因?yàn)?在一次混頻與二次混頻之間沒(méi)有加選頻網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致這一干擾信號(hào)隨著二次混頻 的輸入信號(hào)一同輸入到了二次混頻的相乘電路當(dāng)中。致使這個(gè)外來(lái)干擾與二次 混頻的本振之間產(chǎn)生了 19.353MHZ的差頻干擾分頻。出現(xiàn) 33.395MHZ與 19.353MHZ的原因是一樣的， 33.395MHZ的干擾分頻是 二次混頻的外來(lái)干擾與本振信號(hào)之間的和頻的干擾分頻。由此波形可以計(jì)算得出：T2 T1 2.1523 s464.6 KHZ465 KHZ圖 3-7 最終輸出的波形圖 3-8 最終輸出頻率3.7 調(diào)試分析 在仿真時(shí)輸出的波形有可能會(huì)失真，這是將信號(hào)源和本振的幅值調(diào)整到 2V 的時(shí)候產(chǎn)生的輸出失真，造成

17、這種失真的主要原因是，有源濾波器中的有源器 件的直流工作電壓是 -10V+10V，當(dāng)選 2V 的電壓時(shí)，最終的放大后輸出的波形 的幅值將會(huì)大于有源器件的工作電壓。所以會(huì)被切割了頂部，所以可以調(diào)節(jié)輸 入信號(hào)電壓的大小，那么，輸出波形就可為標(biāo)準(zhǔn)的輸出波形致謝經(jīng)過(guò)十天的學(xué)習(xí)，我完成了這個(gè)課程設(shè)計(jì)，在這次課程設(shè)計(jì)期間，我認(rèn) 為，在這學(xué)期的實(shí)驗(yàn)中，不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動(dòng)手操作的能力，在各種其他 能力上也都有了提高更重要的是，要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí) 踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對(duì)于我們的將來(lái)也有很大的幫助。以后，不管有多 苦，我想我們都能變苦為樂(lè)，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。就像中 國(guó)提倡

18、的艱苦奮斗一樣，我們都可以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后變的更加成熟，會(huì)面對(duì)需 要面對(duì)的事情?；仡櫰鸫苏n程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在這 段日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時(shí)不僅可 以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)，感謝老師對(duì)我的指導(dǎo)，也感謝同學(xué)們對(duì)我的幫助，在遇到一些小問(wèn)題或課程設(shè) 計(jì)之外的問(wèn)題時(shí)，就沒(méi)有必要再去麻煩老師了，同學(xué)之間自己就可以解決了，增加了我與同學(xué)們之間的溝通，也增強(qiáng)了同學(xué)們自己思考問(wèn)題和自己動(dòng)手的能力，還可以相互之間進(jìn)行學(xué)習(xí)，因?yàn)橥瑢W(xué)們選的題目都不一樣，這樣可以了解 的多一點(diǎn)參考文獻(xiàn)1 曹才開(kāi)，高頻電子線路原理與實(shí)踐，（第 1 版），中南大學(xué)出版 社， 2010 年2 黃智偉，基于 Multisim 2001 的電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分 析，（第 1 版），電子工業(yè)出版社， 2004年2 曹才開(kāi)，高頻電子線路原理與實(shí)踐，中南大學(xué)出版社， 2010 年3 閻石，數(shù)字電子技術(shù)，（第四版），高等教育出版社 .2009 年4 謝自美，電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，（第二版），華中科技大 學(xué)，2010年5 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分，（第五版），華中科技