高频模拟乘法器的综合应用设计实验.docx
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高频模拟乘法器的综合应用设计实验
学生学号
实验课成绩
学生实验报告书
实验课程名称
高频电子线路实验
开课学院
信息工程学院
指导教师姓名
学生姓名
学生专业班级
20014
--
20015
学年
第
一
学期
实验课程名称：
_高频电子线路
实验项目名称
模拟乘法器的综合应用设计实验
实验成绩
实验者
专业班级
组别
25
同组者
无
实验日期
2014年12月13日
一、实验目的、意义
1．了解模拟乘法器（MC1496）的电路组成结构与工作原理。
2．掌握利用乘法器实现振幅调制、同步检波、倍频与混频等几种频率变换电路的原理及设计方法。
3．学会综合地、系统地应用已学到模、数字电与高频电子线路技术的知识，掌握对振幅调制、同步检波、混频和倍频电路的制作与仿真技术，提高独立设计高频单元电路和解决问题的能力。
二．设计任务与要求
（1）设计任务:
用模拟乘法器实现振幅调制（含AM与DSB）、同步检波、混频、倍频等频率变换电路的设计，
已知：
模拟乘法器为1496，采用双电源供电，Vcc=12VVee=-8V.
（2）设计要求：
①全载波振幅调制与抑制载波振幅调制电路的设计与仿真：
基本条件：
1MHz/100mV，调制信号：
1-3KHz/200mV，模拟乘法器采用LM1496。
并按信号流程记录各级信号波形。
计算此条件时的AM调制信号的调制度m=?
分析AM与DSB信号m＞100%时，过零点的特性。
②同步检波器电路设计与仿真
实现对DSB信号的解调。
基本条件；载波信号UX：
f=1MHZ/50-100mV,调制信号Uy：
f=2KHz/200mV，并按信号流程记录各级信号波形。
③混频器电路设计与仿真
实现对信号的混频。
基本条件：
AM信号条件：
（载波信号UX：
f=1MHZ/50mV，调制信号Uy：
f=2KHz/200mV，M=30%）中频信号：
465KHZ，本地载波：
按接收机制式自定。
记录各级信号波形。
④倍频器电路设计与仿真
实现对信号的倍频。
基本条件：
Ux=Uy（载波信号UX：
f=1MHZ/50mV），并记录各级信号波形。
推证输入、输出信号的关系。
⑤整理所测数据及波形，认真分析各种频率变换电路工作原理，画出所测波形，写出符合规范的综合设计性实验报告，并谈谈自己的体会。
三．实验原理与电路设计仿真
1、集成模拟乘法器1496的内部结构
集成模拟乘法器是完成两个模拟量（电压或电流）相乘的电子器件。
在高频电子线路中，振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。
采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分立器件如二极管和三极管要简单的多，而且性能优越。
所以目前在无线通信、广播电视等方面应用较多。
集成模拟乘法器的常见产品有BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等。
下面介绍MC1496集成模拟乘法器。
（1）MC1496的内部结构
（a）1496内部电路（b）1496引脚图
图1MC1496的内部电路及引脚图
MC1496是目前常用的平衡调制/解调器。
它的典型应用包括乘、除、平方、开方、倍频、调制、混频、检波、鉴相、鉴频、动态增益控制等。
MC1496的和内部电路与外部引脚图如图1（a）（b）所示。
它内部电路含有8个有源晶体管，引脚8与10接输入电压VX、1与4接另一输入电压VY，6与12接输出电压VO。
一个理想乘法器的输出为VO=KVXVY，而实际上输出存在着各种误差，其输出的关系为：
VO=K（VX+VXOS）（VY+VYOS）+VZOX。
为了得到好的精度，必须消除VXOS、VYOS与VZOX三项失调电压。
引脚2与3之间需外接电阻，对差分放大器T5与T6产生交流负反馈，可调节乘法器的信号增益，扩展输入电压的线性动态范围。
各引脚功能如下：
表1MC1496引脚功能
引脚
功能
引脚
功能
1
SIG+信号输入正端
2
GADJ增益调节端
3
GADJ增益调节端
4
SIG-信号输入负端
5
BIAS偏置端
6
OUT+正电流输出端
7
NC空脚
8
CAR+载波信号输入正端
9
NC空脚
10
CAR-载波信号输入负端
11
NC空脚
12
OUT-负电流输出端
13
NC空脚
14
V-负电源
（2）Multisim建立MC1496电路模块
启动multisim11程序，Ctrl+N新建电路图文件，按照MC1496内部结构图，将元器件放到电子工作平台的电路窗口上，按住鼠标左键拖动，全部选中。
被选择的电路部分由周围的方框标示，表示完成子电路的选择。
为了能对子电路进行外部连接，需要对子电路添加输入/输出。
单击Place/HB/SBConnecter命令或使用Ctrl+I快捷操作，屏幕上出现输入/输出符号，将其与子电路的输入/输出信号端进行连接。
带有输入/输出符号的子电路才能与外电路连接。
单击Place/ReplacebySubcircuit命令，屏幕上出现SubcircuitName对话框，在对话框中输入MC1496，单击OK，完成子电路的创建选择电路复制到用户器件库，同时给出子电路图标。
双击子电路模块，在出现的对话框中单击EditSubcircuit命令，屏幕显示子电路的电路图，可直接修改该电路图。
MC1496内部结构multisim电路图和电路模块如图2所示。
图2MC1496的内部电路及电路模块引脚图
2、AM与DSB电路的设计与仿真
调幅就是用低频调制信号去控制高频振荡（载波）的幅度，使高频振荡的振幅按调制信号的规律变化。
把调制信号和载波同时加到一个非线性元件上（例如晶体二极管或晶体三体管），经过非线性变换电路，就可以产生新的频率成分，再利用一定带宽的谐振回路选出所需的频率成分就可实现调幅。
幅度调制信号按其不同频谱结构分为普通调幅（AM）信号，抑制载波的双边带（DSB）信号，抑制载波和一个边带的单边带（SSB）信号。
利用模拟乘法器相乘原理实现调幅是很方便的，工作原理如下：
在乘法器的一个输入端输入载波信号
另一输入端输入调制信号
，则经乘法器相乘，可得输出抑制载波的双边带调幅信号的表达为：
若要输出普通调幅信号，只要调节外部电路的平衡电位器，使输出信号中有载波即可。
输出信号表达式为：
普通振幅调制电路的原理框图与抑制载波双边带振幅调制电路的原理框图如图3所示
图3普通振幅调制电路与抑制载波双边带振幅调制电路原理框图
①AM与DSB电路的设计
查集成模拟乘法器MC1496应用资料（附录1），得典型应用电路如图4所示。
图41496构成的振幅调制电路电原理图
图中载波信号经高频耦合电容C1输入到Uc⑩端，C3为高频旁路电容，使⑧交流接地。
调制信号经高频耦合电容C2输入到UΩ④端，C5为高频旁路电容，使①交流接地。
调制信号UAM从⑿脚单端输出。
电路采用双电源供电，所以⑤脚接Rb到地。
因此，改变R5也可以调节I0的大小，即：
则：
当VEE=-8V，I5=1mA时，可算得：
（MC1496器件的静态电流一般取I0＝I5＝1mA左右）
R95={（8-0.75）/（1X10-3）}-500=6.75KΩ取标称电阻，则R9=6.8KΩ
MC1496的②③脚外接电阻RB，对差分放大器T5、T6产生电流负回授，可调节乘法器的增益，扩展输入信号UΩ动态范围。
因为：
UΩ≤I5RB
式中I5为5脚的电流，当选I5=1mA，Uy=1V（峰值）时，由上式可确定RB：
RB≥UΩ/I5=1/1X10-3=1KΩ，即R11=1KΩ。
负载电阻RC的选择
由于共模静态输出电压为：
U6=U12=VCC-I5RL
式中U6、U12是6脚与12脚的静态电压。
当选U6=U12=8V，VCC=12V，I5=1mA时，
RL=（VCC-U6）/I5=（12-8）/（1X10-3）=4KΩ，取标称电阻RL=3.9KΩ。
电阻R1、R2、R3与RC1、RC2提供芯片内晶体管的静态偏置电压，保证各管工作在放大状态。
阻值的选取应满足如下关系：
，
，
所以取：
R5=R6=1KΩR3=51ΩR7=R8=R10=51Ω，R4=R14=1KΩ，WR1=50KΩ
电阻R5、R6、WR1、R7和R8用于将直流负电源电压分压后供给MC1496的1、4脚内部的差分对三极管基极偏置电压。
通过调节RP，可使MC1496的1、4端的直流电位差为零，即UΩ输入端只有调制信号输入而没有直流分量，则调幅电路的输出为抑制载波的双边带调幅波；若调节RP，使MC1496的1、4端的直流电位差不为零，则电路有载波分量输出，为普通调幅波。
耦合电容与高频电容的选择
电容C1与C2应选择得使其电抗在载波频率上低于5Ω，即：
1/ωC1=1/ωC2≤5Ω所以取C1=C3=0.1uf,C2=C5=4.7uf,
由此得到实际的模拟乘法器1496构成的振幅调制电路与测量系统电原理图，如图5。
图51496构成的振幅调制电路电原理图
②AM与DSB电路的仿真
1）全载波振幅调制（AM）
（1）按设计电路设置元件参数并用Multisim完成电路连接。
（2）当电路平衡时，即UΩ=0,Uo=0,模拟乘法器1496的静态特性数据如表12。
表2静态数据
引脚
⑿
⒁
电压（V）
5.99
5.99
-0.016
-0.016
-6.85
7.95
-0.64
-0.64
7.95
-8
（3）调R15（99%），使模拟乘法器③④脚间电压为+200mV,即电路不平衡。
按设计要求加入信号，载波信号UX：
f=1MHZ/100mV调制信号Uy：
f=2KHz/2000mV，此时实现AM调制。
信号时域波形和频域图形如图6所示。
求出此条件时的M=70%
图6AM波形及频谱
（4）调R15使AM信号过调制，即使M＞100%。
当M＞100%时，过零点为一条直线。
实验测得信号波形如图7所示。
图7AM过调制过零点波形
2）抑制载波振幅调制（DSB）
（1）令UΩ=0，调WR1，使模拟乘法器
脚间电压为0V,即电路平衡。
按设计要求加入信号，载波信号UX：
f=1MHZ/100mV调制信号Uy：
f=2KHz/200mV，此时实现DSB调制。
信号的时域和频域波形如图8所示。
图8DSB波形及频谱
实验测得DSB过零点信号波形如图9所示。
为M曲线。
图9DSB过调制过零点波形
（2）同步检波器电路设计与仿真
①同步检波器电路设计
振幅调制信号的解调过程称为检波。
常用方法有包络检波和同步检波两种。
由于普通调幅波（AM）信号的包络直接反映了调制信号的变化规律，可以用二极管包络检波的方法进行解调。
而双边带或单边带振幅调制信号的包络不能直接反映调制信号的变化规律，所以无法用包络检波进行解调，必须采用同步检波方法。
MC1496模拟乘法器构成的同步检波解调器电路原理框图10所示。
图10同步检波解调器电路原理框图
其中y端输入同步载波信号UC，x端输入已调波信号US。
解调器输出信号经低通后输出解调信号。
其1496构成的同步检波电路与外接元件参数与AM调制电路无异，仅需接一低通滤波器实际设计电路如图11所示。
图11同步检波器电路
②同步检波器电路仿真
1、按设计电路设置元件参数并用EWB完成电路连接。
2、调RW1使电路平衡时，即Uc=UΩ=0,Uo=0
3、按设计要求加入信号，（载波信号UX：
f=1MHZ/50mV调制信号Uy：
f=2KHz/200mV），
a．按已知条件产生DSB信号
b.按同步检波工作原理加入信号，得实验数据如图12所示。
图12同步检波器电路仿真波形
（3）混频器电路设计与仿真
混频电路的作用是在本地振荡电压的作用下，将载频为fc的高频已调信号不失真地变换为载频为f的中频已调信号。
由于乘法器可以产生只包含两个输入信号之和频及差频分量的输出信号，所以用模拟乘法器和带通滤波器可以方便地实现混频功能。
其原理框图如图13所示：
图13乘法器混频原理框图
用模拟乘法器实现混频，就是在Ux端和Uy端分别加上两个不同频率的信号，相差一中频，再经过带通滤波器取出中频信号。
①混频器电路设计
由1496模拟乘法器构成混频电路和外接元件参数与AM调制电路无异，仅输出端需接465KHZ谐振回路，其设计的电路如图14所示。
但必须保证模拟乘法器工作在平衡状态。
图14乘法器混频电路
正弦波由10端（X输入端）注入，高频信号源输出的正弦波由1端（Y输入端）输入，混频后的中频电压由6端经带通滤波器输出，其中8C﹑2L﹑5C﹑17R构成一选频滤波回路，调节可变电阻12R能使1﹑4脚直流电位差为零，可以减小输出信号的波形失真，使电路平衡。
在2﹑3脚之间加接电阻，可扩展输入信号su的线性范围。
②混频器电路仿真
1、按设计电路设置元件参数并完成电路连接。
2、调RW1使电路平衡时，即Uc=UΩ=0,Uo=0
3、按设计要求加入信号，得实验数据如图15所示
图15乘法器混频电路波形
（4）倍频器电路设计与仿真
①倍频器电路设计
由模拟相乘器构成的倍频器电路原理框图如图16所示：
图16倍频器电路原理框图
当输入信号为：
，即模拟相乘器接成如图16所示，就构成了平方运算电路，其输出与输入的关系是：
如果
则有
因此，只要在图14的输出端加一隔直电容，便可实现正弦波的二倍频。
其输出电压即为
依据以上原理，设计出的实际倍频电路如图17所示：
图17倍频器电路
②倍频器电路仿真
1、按设计电路设置元件参数并完成电路连接。
2、调RW1使电路平衡时，即Uc=UΩ=0,Uo=0
3、按设计要求加入信号，得实验数据如图18所示。
图18倍频器电路波形
四．体会与建议
通过本次设计性实验的操作及报告的撰写，我对Multisim仿真软件的使用更加熟悉了，同时也领略到了该软件强大的仿真能力。
在设计及仿真的过程中，我对模拟乘法器的原理以及应用有了更深刻的理解和记忆，再动手进行设计仿真时，真正认识到了自己理论知识的不足，并将自己的短板弥补回来，真是受益匪浅。
附录1：
MC1496资料
序号
元器件名称
型号规格
数量
1
电阻
500Ω
3
2
三极管
2N2222
8
3
二极管
1N5719
1
4
IO接口
/
10
教师签名______________
升级会员 