基于模擬乘法器MC1496的混頻器設(shè)計(jì)

基于模擬乘法器MC1496的混頻器設(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)值的那么稱為四象限的。線性度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，不失真地變換為載波為中間的已調(diào)信號，必須保持①調(diào)制類型，調(diào)制參數(shù)不變，即原調(diào)制規(guī)律不變。②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,選擇性好,工作頻率較原載頻低的固定中頻放大器比擬容易,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DESINGOFMIXERBASEDONTHEANALOGMULTIPLIERMC1496AbstractAftertheintegratedoperationalamplifierintheintegratedanalogmultiplierisoneofthemostcommonanalogintegratedcircuit,isakindofmulti-purposelinearintegratedcircuits.Modulatorcanbeusedasabroadband,suppressedcarrierbilateralbalance,don'tneedcouplingtransformerortunedcircuit,alsocanbeusedasahigh-performanceSSBmultiplicationdetector,AM,FMdemodulator,mixer/modemmodulation,frequencymultiplier,andphasediscriminator,combiningitwithamplifiercanalsodomanymathematicaloperation,suchasmultiplication,division,chengfang,root,etc.ThisdesignmainlyusedintegratedanalogmultiplierMC1496achieveabovefunctions.Analogmultiplieristhemaintechniqueindexquadrant,linearityandfeedthroughwork.Workquadrantreferstoallowtheinputvariablesymbolscope.Onlyallowbothuxanduypositivemultiplieriscalledaquadrant,andallowtheuxanduycantakethepositiveandnegativeisknownasthefourquadrants.Linearityreferstothemultiplicationoftheinputvoltageandoutputvoltageuoux(oruy)intolineardegree.Feedthroughdegreeisreferstothetwoinputsignalsofaisequaltozero,theotherinthesizeoftheoutputterminaloutput.Mixingisthecarrierforthehighfrequencymodulatedsignal,nodistortionforthecarriertotransformtothemiddleofthemodulatedsignal,mustbekeptin(1)modulationtype,modulationparametersarethesame,namelytheoriginalmodulationlawremainsthesame.Thephaseofeachfrequencycomponentofthespectrumstructureremainsthesame,(2)thesizeandthespacingbetweenthesame.Duetothedesignandproductionofhighgain,goodselectivity,andworkingfrequencywaslowerthanthoseoftheoriginalcarrierfrequencyfixedintermediatefrequencyamplifieriseasy,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，輸入的基帶信號都要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換變成高頻的已調(diào)信號。在解調(diào)過程中，接收的已調(diào)高頻信號也要經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換，變成對應(yīng)的中頻信號。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)是高頻小信號檢波，工作頻率變化范圍大時(shí)，工作頻率對高頻通道的影響比擬大〔頻率越高，放大量越低，反之頻率低，增益高〕，而且對檢波性能的影響也較大，靈敏度較低。采用超外差技術(shù)，將接收信號混頻到一固定中頻，放大量根本不受接收頻率的影響，這樣，頻段內(nèi)信號的放大一致性好，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、選擇性主要由中頻局部決定，且中頻較高頻信號低，性能指標(biāo)容易得到滿足。混頻器在一些發(fā)射設(shè)備中也是必不可少的。在頻分多地址信號的合成、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、測量儀器〔如頻率合成器、頻譜分析儀〕的重要組成局部。本實(shí)驗(yàn)中通過MC1946構(gòu)成的混頻器來對接收信號進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，變成需要的中頻信號。2.實(shí)驗(yàn)原理2.1混頻器原理變頻電路的根本功能是保持已調(diào)信號的調(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，相差一中頻，再經(jīng)過帶通濾波器取出中頻信號，其原理框圖如圖1。圖1混頻器原理框圖混頻電路的輸入是載頻為fo的高頻已調(diào)波信號us(t)和頻率為fL的本地正弦波信號〔標(biāo)為本振信號〕uL(t)，輸出是中頻為fI的已調(diào)波信號uI(t)，通常取fI=fL-fC。以輸入是普通調(diào)幅信號為例，假設(shè)，本振信號為，那么輸出中頻信號為。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兩個(gè)模擬信號〔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)信號相乘，即輸出信號與兩輸入信號相乘積成正比。它有兩個(gè)輸入端口，即X和Y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，均可視為兩個(gè)信號相乘或包含相乘的過程。采用集成模擬乘法器實(shí)現(xiàn)上述功能比采用別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)雙差分對模擬相乘器根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鼓勵V1～V4;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分別供應(yīng)V5、V6管恒值電流Io/2,R5為外接電阻，可用以調(diào)節(jié)Io的大小;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)反應(yīng)作用，以擴(kuò)大輸入電壓u2的動態(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，其符號如圖5所示。圖3MC1496內(nèi)部電路圖4MC1496引腳排列圖5模擬乘法器電路符號2.3調(diào)幅波原理設(shè)載波信號的表達(dá)式為調(diào)制信號的表達(dá)式為那么乘法器輸出的DSB調(diào)幅信號的表達(dá)式為2.4帶通濾波器原理濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路。其主要作用是讓有用信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。帶通濾波器允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲，即能通過高于頻率ωcL且低于頻率ωcH的信號，頻率從零到ωcL以及頻率從ωcH到無窮大均為阻帶。3.電路仿真及代碼3.1電路圖由Multisim11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〕對該電路中各信號波形進(jìn)行仿真。t=0:0.00000001:0.001;U0=0.05;%載波信號振幅f0=10^6; %載波信號頻率w0=2*f0*pi;m=0.3; %調(diào)制度f1=2000; %調(diào)制信號頻率w1=2*pi*f1;U1=0.2;Uam=U0*(1+m*cos((w1).*t)).*cos((w0).*t); %AM已調(diào)信號f2=1456000; %本振信號頻率w2=2*pi*f2;U2=0.2; %本振信號電壓u3=U2*cos((w2).*t);%本振信號表達(dá)式u4=Uam;u5=u4.*u3; %兩個(gè)信號相乘，設(shè)相乘系數(shù)為k=1w3=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);%中頻信號表達(dá)式plot(t,Uam);title('AM已調(diào)信號波形');pause;plot(t,u3);title('本振信號');pause;plot(t,u5);title('經(jīng)乘法器后的信號');pause;plot(t,u6);title('中頻信號');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上下，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)制信號控制后改變的程度，一般m越大，調(diào)制幅度越深。當(dāng)m=0時(shí)，表示未調(diào)幅；當(dāng)m=1時(shí)，調(diào)制系數(shù)的百分比到達(dá)100%；當(dāng)m>1時(shí)，已調(diào)波的包絡(luò)形狀與調(diào)制信號的不一樣，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，得到的調(diào)幅波的波形為〔AM信號條件：〔載波信號Ux：f=1MHZ/50mV，調(diào)制信號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〔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，電路符號如圖11所示。圖7模擬乘法器電路符號假設(shè)輸入信號為Ux,Uy,那么輸出信號Uo為：Uo=k

UyUx式中：k為乘法器的增益系數(shù)或標(biāo)尺因子，單位為V1.一個(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列圖所示：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。其波形如下列圖所示：4.3混頻增益Kvc是評價(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電壓振幅對輸入高頻信號電壓振幅的比值。在相同輸入信號情況下，分貝數(shù)越大，說明混頻增益越高，混頻器將輸入信號變換為輸出中頻信號的能力越強(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Kvc=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〔信號頻率〕/輸出信噪比〔中頻頻率〕。4.理論上，在混頻器中，輸出與輸入信號幅度成線性關(guān)系。而在實(shí)際中，由于非線性器件的限制，當(dāng)輸入信號增加到一定程度時(shí)，中頻輸出信號的幅度與輸入不再成線性關(guān)系。如圖12。圖84.混頻器在理論上只輸出中頻信號，但實(shí)際會混雜很多干擾信號。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。干擾.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與本振信號，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)〕，那么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〔可聽音頻〕，形成干擾哨聲。如二極管電路i=a0+a1v+a2v2+a3v3+...當(dāng)v=vc+vL時(shí)，代入即可得到電流中包含的頻率分量為：當(dāng)〔可聽視頻〕時(shí)，他們將和有用信號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〔△F〕形成干擾哨聲?！?〕形成的條件：一般所以上式可為：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、假設(shè)p、q取不同的正整數(shù)，或產(chǎn)生干擾的輸入信號頻率有限多個(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，不會形成干擾。又如，當(dāng)fc=931KHz時(shí)，本振頻率fL=(931+456)=1396KHz這時(shí)P=1,q=2所對應(yīng)的組合頻率分量為fpq=2fc-fL=2×931-1396=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找信號作用后產(chǎn)生△F=466-465=1KHz的差拍信號，在輸出端產(chǎn)生1KHZ的干擾哨叫聲。所以為了防止干擾，應(yīng)合理選擇電臺的發(fā)射載波頻率，使組合頻率在中放通帶以外。c、由知。當(dāng)p=0,q=1時(shí)，fc=fI這種干擾最強(qiáng)。所以為了防止這種干擾，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。c、選合理的fI.2非線性失真包絡(luò)失真和強(qiáng)信號阻