基于乘法器的混频器设计.docx

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基于乘法器的混频器设计

桂林航天工业学院

电子工程系

毕业设计任务书

装订线

专业：

通信技术　　　　　　　　　年级：

2009级

姓名

陈良

学号

200904120227

指导教师（签名）

毕业设计题目

基于乘法器的混频器设计

任务下达日期

2012年1月10日

设计提交期限

2012年6月10日

设计主要内容

运用乘法器MC1596设计一个混频器，实现本地振荡信号与高频输入信号的乘积运算，并通过带通滤波器提取出混频后的中频信号。

主要技术参数指标

（1）MC1596的工作频率范围0～300MHz;

（2）系统电路要求正负双电源供电，静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态即晶体管的基极间的电压应大于或等于2V，小于或等于最大允许工作电压。

成果提交形式

实物和论文

设计进度安排

2012年3月查找资料；

2012年4月制作电路板；

2012年5月写论文、调试、修改；

2012年6月1日总结、交论文

教研室

意见

签名：

2012年月日

系主任

意见

签名：

2012年月日

桂林航天工业学院

电子工程系

毕业设计开题报告

装订线

姓名

陈良

学号

200904120227

指导教师

邓莉

毕业设计题目

基于乘法器的混频器设计

同组

设计目的意义

混频器在通信工程和无线电子技术中，应用非常广泛，在调制系统中，输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号，在解调过程中，接收的已调高频信号也要经过频率的转换，变成对应的中频信号。

通过本次课题设计，对制作电路板的全部过程有了进一步学习，同时让我懂得混频电路是应用电子技术和无线电技术必须掌握的。

方案论证

首先就是对整个混频电路的分析，重点掌握：

一是混频电路的基本组成模型及主要技术特点；二是混频电路的基本原理及混频的计算方法；三是应用电路的分析。

然后是对选择的乘法器MC1596的工作原理进行分析，重点掌握其在整个混频电路中的工作。

最后是整个电路的设计，要清楚地了解所有元器件的工作原理，然后将所有元器件进行组合。

时间安排

2012年3月查找资料；

2012年4月制作电路板；

2012年5月写论文、调试、修改；

2012年6月1日总结、交论文

指导教师

意见

签字：

年月日

审核小组意见

组长签字：

年月日

中文摘要

Protel99SE是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于初级的模拟/数字电路板的设计工作，包含电路原理图图形及电路硬件描述语言的输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

集成模拟乘法器是继集成运算放大器后最通用的模拟集成电路之一，是一种多用途的线性集成电路。

可用作宽带、抑制载波双边平衡调制器，不需要耦合变压器或调谐电路，还可以作为高性能的SSB乘法检波器，AM调制/解调器、FM解调器、混频器、倍频器、鉴相器等，它与放大器相结合还可以完成许多的数学运算，如乘法、除法、乘方、开方等。

主要内容为基于MC1596的混频器应用设计与仿真。

阐述了混频电路的基本原理，并在电路设计与仿真平台Protel99SE仿真环境中创建集成模拟乘法器MC1596电路模块，利用模拟乘法器MC1596完成各项电路的设计与仿真，并结合双踪示波器实现对信号的混频。

关键词：

Protel99SE，模拟乘法器MC1596，混频器

ABSTRACT

Protel99SEistheUnitedStatesNationalInstruments（NI）LimitedlaunchedtheWindowsbasedsimulationtool,appliedtotheprimaryanaloganddigitalcircuitdesign,includingcircuitprinciplediagramandthecircuithardwaredescriptionlanguageinputmethods,withextensivesimulationanalysis.

Integratedanalogmultiplieristheintegratedoperationalamplifierafterthemostgeneraloneofanalogintegratedcircuits,isamulti-purposelinearintegratedcircuit.Canbeusedasabroadband,carriersuppresseddoublebalancedmodulator,donotrequirecouplingtransformeroratunedcircuit,butalsocanbeusedasahighperformanceSSBmultiplicationdetector,AMmodulatoranddemodulator,FMdemodulator,mixer,afrequencymultiplier,aphasediscriminator,anditcanalsoperformmanyamplifiercombiningmathematicaloperationssuchasmultiplication,,division,involution,suchasprescribing.

ThemaincontentfortheanalogmultiplierbasedontheanalogmultiplierMC1596applicationdesignandsimulation.Elaboratedthedoublesidebandamplitudemodulationandamplitude,synchronousdemodulation,mixing,producttypediscriminatorcircuitprinciple,andthecircuitdesignandsimulationplatformforProtel99SEsimulationenvironmenttocreateintegratedanaloguemultiplierusingMC1596circuitmodule,analogmultiplierMC1596completionofthecircuitdesignandsimulation,andwithdoubleheddleoscilloscopetoachievetheeffectoffrequencymixing.

KEYWORDS：

Protel99SE,AnalogmultiplierMC1596，Frequencymixer

第一章绪论

通信就是信息的传输，在当今高度信息化的社会，信息和通信已经成为现代社会的“命脉”。

信息作为一种资源，应该得到很好地利用，因此我们必须对信息进行有效地传输。

通信的目的就是传递消息所包含的信息。

1837年莫尔斯发明的有线电报开创了利用电传输信息的新时代，从此，人类的信息的共享越来越好的得到了利用也是对于通信系统主要由以下几个模型组成：

图1-1通信系统的一般模型

模拟通信系统是用模拟信号来传递信息的通信系统，数字通信系统式利用数字信号来传递信息的通信系统，目前在无论是模拟通信还是数字通信，在现实中的通信业务都得到了广泛的应用，尤其是在通信系统的刚刚开始启蒙状态，模拟通信系统得到了比数字系统更为广泛的应用，但是在现在的数字通信系统的飞速发展，数字通信系统发展速度很明显超过模拟通信，成为数字当代通信技术的主流。

通信系统又具有很多的优点：

抗干扰能力强，噪声不积累，传输差错可控，易于加密处理，保密性好等等。

但是现实中存在的基本上都是模拟信号，所以我们通信要进行模数转换，装换成数字信号后，我们就要对数字信号序列进行数字传输。

数字通信系统虽然有这么多的优势，但是，模拟通信系统仍然得到了很好的利用，这是由于在模拟通信在一些通信地方仍然具有其自己的特点，如模拟通话，模拟通信系统占有的带款展，在通信的路数不需要很多的情况下，我们的模拟通信系统就具有数字通信系统的不具有的经济性。

在通信中有两大资源，一个是信道带宽，另一个是送源功率，能很好的减少这两种资源或者得到有效的利用，我们就认为这个通信系统在这种情况下就是较好的通信系统。

数字通信系统的模型如下：

图1-2数字通信系统的一般模型

数字调制与解调模块是此论文设计的内容，论文设计是一次综合实验的检测，是对整个通信系统的更好的实际性的理解，在设计时遇到的问题，得到解决的同时，更好的理解了我们通信系统的设计的思路和对通信系统的印象的加深。

数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成合适的在信道中传输带通信号。

基本的数字调制有振幅调制（ASK）、频移键控（FSK）、绝对相移键控（PSK）、相对相移键控（DPSK）。

在接受端可以采用相关解调和非相干解调还原数字基带信号。

数字解调就是还原基带信号。

第二章系统设计

二.3模拟乘法器MC1596工作原理

模拟乘法器是对两个模拟信号（电压或电流）实现相乘功能的有源非线性器件，主要功能是实现两个互不相关信号的相乘，即输出信号与两输入信号相乘积成正比。

它有两个输入端口，即X和Y输入端口。

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离器件如二极管和三极管要简单的多，而且性能优越。

所以目前在无级通信、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[7]。

根据双差分对模拟相乘器基本原理制成的单片集成模拟相乘器MC1496是四象限的乘法器[8]。

其内部电路如图2-1所示，其中

、

、

、

、

、

和

等组成多路电流源电路，

、

、

为电流源的基准电路，

、

分别供给

、

管恒值电流

，

为外接电阻，可用以调节

的大小。

由

、

两管的发射极引出接线端2和3，外接电阻

，利用

的负反馈作用，以扩大输入电压

的动态范围。

为外接负载电阻。

根据差分电路的基本工作原理，可以得到

（2-1）

（2-2）

（2-3）

式中

、

、

、

、

、

分别是三极管

、

、

、

、

、

的集电集电流。

为温度的电压当量，在常温T=300K时，

。

MC1596管脚和符号如图2-1、2-2所示：

图2-1MC1596的管脚排列

图2-2MC1596符号

二.4幅度调制

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离器件如二极管和三极管要简单得多，而且性能优越。

目前无线通信、广播电视等方面应用较多[9]。

在幅度调制过程中，根据所取出已调信号的频谱分量不同，分为普通调幅（AM）、抑制载波的双边带调幅（DSB）等。

它们的主要区别如表2-1所示。

表2-1普通调幅与双边带调幅的区别

普通调幅

抑制载波双边带调幅

电压表达式

波形图

信号带宽

如果把已调调幅波加到负载电阻R上，则载波和边频都将给电阻传送功率，它们的功率分别表示为：

载波功率：

（2-8）

每个边频功率（上边频或下边频）：

（2-9）

上、下边频总功率：

（2-10）

称为调幅指数即调幅度，是调幅波的主要参数之一，它表示载波电压振幅受调制信号控制后改变的程度，一般

。

普通调幅电路的原理框图如图2-3（a）所示，双边带调幅电路的原理框图如图2-3（b）所示

图2-3（a）普通调幅波实现框图

图2-3（b）双边带调幅波实现框图

二.5MC1596的特性及应用

MC1596的特性

MC1596是MOTOROLA公司设计的一种多功能集成电路，有金属封装，陶瓷封装和塑料封装三种形式。

作平衡调制器使用时，它具有很好的载波抑制能力，典型值是：

（1）f（出）=0.5MHz时为65dB;

（2）f（入）=10MHz时为50dB,具有平衡输出平衡输入的特性，高的共模抑制（典型值为85dB）,增益可调，信号变化范围宽，功耗低（典型值为33mW）。

通常在+12V电源供电下工作，温度范围（民品）MC1496为0～70℃

（军品）MC1596为-55～125℃

工作原理

MC1596的内部电路如图（2-4）所示，它由2个恒流源（T7、T8）、2个标准差分放大器（T5、T6）推动上部分的两对晶体管差分对（T1-T2；T3-T4）所组成。

该电路属典型的双差分对调制电路，交叉耦合的集电极构成推挽输出（6脚和9脚），每个输出端通过外加负载（电阻）接到电源正端。

输入也是推挽方式，也是在单元两半部分之间进行交叉耦合。

在双端输出时，其输出电压正比于i8—i9,其中i6=i1+i3,i9=i2+i4，所以

i=i6-i9

=（i1+i3）-（i2+i4）

=（i1-i2）-（i4-i3）（2-11）

式中（i1-i2）是由T1、T2和恒流I5组成的差分对的输出电流。

这两个差分对的输入的输出电流，（i4-i3）是T3、T4和恒流源I6组成的差分对的输出电流。

这两个差分对的输入差模电压都是UC（载波信号电压），由理论上已经证明，差分都每一管的电流随输入差模电压的变化可以表示为双曲线正切函数，即：

（i1-i2）=i5th（quc/2KT）

（i4-i3）=i9th（quc/2KT）

代入

（1）式得

i=（i5-i6）th（quc/2KT）（2-12）

式中（i5-i6）是由T3、T4和恒流源Ie（i7或i8）组成差分对的输出电流，这个差分对的输入差模电压为Uc（调制信号电压），所以，

（i5-i6）=Ioth（quc/2KT）

将上式代入

（2）式，得

i=Ioth（quc/2KT）th（quc/2KT）（2-13）

当（qu/2KT）<（1/2），即u<26mV时，th（qu/2KT）≈qu/2KT。

所以Uc、Ui小于26mV时：

i≈IO（q/2KT）2ucui=Kucui

设

Ui=Ucmcoswrt·Uc=UsmcosΩst

则

i=KUcmUsmcoswrtcosΩst（2-14）

由上式可见，输出电流就是抑制载波的双边点信号。

当载波电压较大时th（qucmcoswct/2KT）同样可以用富氏级数展开，这时输出电流除了双边带信号以外，还有3Wc±Ωs、5WC±Ωs等奇数谐波所产生的和频及差额分量。

由此可见，这种连接方式，输出的主要成分是两输入信号的和频分量和差频分量。

其余分量例如两输入信号（和作平衡调制器使用时，一个为调制信号，一个为载波信号），以及二者谐波的和频，差频分量，均受到不同程度的抑制。

因此它可用于平衡调制器，双平衡混频器、乘积检波器和倍频器等。

MC1596是单片集成模拟乘法器，以实现输出电压为两个输入电压的线性积。

它以双差分电路为基础,在Y输入通道加入了反馈电阻,故Y通道输入电压动态范围较大,X通道输入电压动态范围很小。

如下图是MC1596内部电路图。

图2-4MC1596内部结构图

MC1596工作频率高,常用作调制、解调和混频,通常X通道作为载波或本振的输入端,而调制信号或已调波信号从Y通道输入。

当X通道输入是小信号（小于26mV）时,输出信号是X、Y通道输入信号的线性乘积。

信号增益和最大输入电压等级

低频时的信号增益为

为了使上部三极管开通和两个三极管关断，需要直流偏置（VC=0.5Vdc）,这样形成一个栅型差分放大器。

VS≤I5RE（Voltspeak）

工模摆动

共模摆幅是两个差分信号放大器基极间的电压，这种摆动随具体电路和偏置条件而改变。

能量消耗

集成电路中的能量消耗PD，应按照每个端口的电压电流乘积来计算，例如V12=V6,I5=I6=I12，并忽略基极电流时PD=2I5（V6-V14+I5）V5-V14

设计方程式

以下是部分设计方程式（在其他电源和信号输入条件下）。

A．操作电流

内部偏置电流由5脚设定。

假设I5=I6=I12对所有晶体管IB≤IC。

R5为5脚和地之间电阻。

在TA=+25℃时Φ=0.75

在MC1496中，I5的推荐值为1.0mA。

B．静态共模输出电压

V6=V12=V5−I5RL

偏置

MC1596需要外加直流偏置电压。

建立这三种等级的方案是三极管的集电极和基极电压不小于2.0V，并且不能超出以下范围

30Vdc≥[（V6,V12）-（V8,V10）]≥2Vdc

30Vdc≥[（V8,V10）-（V1,V4）]≥2.7Vdc

30Vdc≥[（V1,V4）-（V5）]≥2.7Vdc

前述所有的前提是基本满足：

V6=V12，V8=V10，V1=V4

进入引脚1，4，8，10的偏置电流是三极管的基极电流在外部偏置被设计为不小于1.0mA时可以忽略。

传输带宽

载波的传输带宽是器件的3dB带宽，由下式确定：

信号的传输带宽是器件的3dB带宽，由下式确定：

操作信息

集成电路内部含有由双电流源驱动的上部差分放大器，输出集电极连至一起以平衡乘法器的输入电压，这样输出信号就是输入信号乘积的常数倍。

由对线性直流模拟乘法器的数学分析可知：

输出信号的范围仅包含输入信号频率的和与差两部分。

所以MC1596可用于调制器、混频器、乘法器、倍频器以及其他的需要类似信号特征信号输出的场合。

低倍差分放大器的发射极连至芯片的引脚，以便外接发射极电阻。

同样，在芯片的输出端同样需要外接负载电阻。

信号等级

上部的嵌入式差分放大器可工作与线性区和饱和区，下部的差分放大器在大多数情况下都工作于线性区。

当输入信号都为较低等级的时候，输出将包括输入信号的共频和差频部分，输出信号的幅度是输入信号幅度绩的函数。

当输入的载波信号是较高等级并且调制信号输入端工作与线性区时，输出信号将包括调制信号的差频、共频信号和载波的基波与其奇数倍的谐波信号。

输出信号幅度是输入信号的常数倍，载波信号的幅度变动一般不会在输出信号中体现出来。

差分放大部分的线性信号处理能力已被很好地界定出来。

在发射极不恶化的时候，输入信号的线性操作范围可达到25mV，由于上部差分放大器的发射极在芯片内部连在一起，这使载波输入在任何情况下都能满足。

下部的差分放大器需要外接发射极电阻，他的线性信号处理范围可由用户设定。

最大的线性信号输入范围由下式决定

V=（I5）（RE）Voltspeak

由此式可计算出在一定输入电压下的RE值。

第三章混频器

三.3混频原理及特点

混频是将已调波中载波频率变换为中频频率，而保持调制规律不变的频率变换过程。

fI=fL-fC或fI=fL+fC（其中fI表示中频频率，fL表示本振频率，fC表示载波频率。

一般取差频）

图3-1是混频电路组成原理图。

混频电路的输入是载频为fc的高频已调波信号us（t）和频率为fL的本地正弦波信号（称为本振信号）uL（t）,输出是中频为fI的已调波信号uI（t）。

通常取fI=fL-fc。

以输入是普通调幅信号为例,若us（t）=Ucm［1+mauΩ（t）］cos2πfct,本振信号为uL（t）=ULmcos2πfLt,则输出中频调幅信号为uI（t）=UIm［1+mauΩ（t）］cos2πfIt。

可见,调幅信号频谱从中心频率为fc处平移到中心频率为fI处,频谱宽度不变,包络形状不变。

图3-2是相应的频谱图。



图3-1混频电路原理图

图3-2（a）混频前（b）混频后

中频调幅波上下边带与原调幅波上下边带是倒置的本地振荡信号为高频等幅波

虽然混频电路与调幅电路、检波电路同属于线性频率变换电路,但它却有两个明显不同的特点:

①混频电路的输入输出均为高频已调波信号。

由前几节的讨论可知,调幅电路是将低频调制信号搬移到高频段,检波电路是将高频已调波信号搬移到低频段,而混频电路则是将已调波信号从一个高频段搬移到另一个高频段。



②混频电路通常位于接收机前端,不但输入已调波信号很小,而且若外来高频干扰信号能够通过混频电路之前的选频网络,则也可能进入混频电路。

选频网络的中心频率通常是输入已调波信号的载频。

混频电路中的非线性器件对于实现频谱搬移这一功能是必不可少的。

但是另一方面,其非线性特性不但会产生许多无用的组合频率分量,给接收机带来干扰,而且会使中频分量的振幅受到干扰,这两类干扰统称为混频干扰。

它们都会使有用信号产生失真。

由于以上两个特点,混频电路的干扰来源比其它非线性电路要多一些。

分析这些干扰产生的具体原因,提出减小或避免干扰的措施,是混频电路讨论中的一个关键问题。

三.3.1混频器的主要性能指标

一、混频增益

混频增益（或混频损耗）是评价混频器性能的重要指标。

混频增益是指混频器输出中频信号电压振幅对输入高频信号电压振幅的比值，用分贝表示，即AUC=201gVim/Vsm

在相同输入信号情况下，分贝数越大，表明混频增益越高，混频器将输入信号变换为输出中频信号的能力越强。

接收机的灵敏度越高。

混频损耗是对不具备混频增益的混频器而言的，它定义为在最大功率传输条件下，输入信号功率PS。

对输出中频功率PI的比值用dB（分贝）表示，即LC=101gPS/pI（dB）

显然，在相同输入信号情况下，分贝数越大，即混频损耗越大，混频器将输入信号变换为输出中频信号的能力越差。

二、噪声系数

混频器的输入信号噪声功率之比（PS/Pn）i对输出中频信号噪声功率之比（PI/Pn）o的比值，用分贝表示，定义为噪声系数

（dB）

三、选择性

混频器的有用成分为中频，输出应该只有中频信号，实际上由于各种因素会混杂很多干扰信号。

因此为了抑制中频以外的不需要的干扰，就要求混频器的高频输入、中频输出回路有良好的选择性，即回路应有较理想的谐振曲线。

四、混频失真

混频失真包括频率失真、非线性失真以及各种非线性干扰，如组合频率干扰、交叉调制、互相调制等等。

混频失真的存在，将影响通信质量。

五、隔离度

理论上要求混频器的各端口之间是隔离的，任一端口上的功率不会窜通到其它端口。

但在实际电路中，总有极少量功率在各端口之间窜通，隔离度就是用来评价这种窜通大小的一个性能指标，定义为本端口功率与窜通到其它端口的功率之比，用分贝数表示。

三.3.2混频器的类型

晶体管混频器、场效晶体管混频器、二极管平衡混频器、二极管环形混频器及集成模拟混频器等

三.4混频的干扰

一、干扰哨声——有用信号和本振产生的组合频率干扰

（1）产生的原因：

输入到混频器的有用信号与本振信号，由于非线性作用，除了产生有用的中频外，还产生许多无用的组合频率分量，如果它们中的有些频率分量正好