三极管混频器课程设计.doc

通信电子线路课程设计说明书 三极管混频器 系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 指导教师： 职称 讲师 专 业： 电子信息工程 班 级： 完成时间： 2010年12月20日 摘 要 混频器在通信工程和无线电技术中，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。特别是在超外差式接收机中，混频器应用较为广泛，如AM 广播接收机将已调幅信号535KHZ-一1605KHZ要变成为465KHZ中频信号，电视接收机将已调485M一870M 的图象信号要变成38MHZ的中频图象信号。移动通信中一次中频和二次中频等。在发射机中，为了提高发射频率的稳定度，采用多级式发射机。用一个频率较低石英晶体振荡器做为主振荡器，产生一个频率非常稳定的主振荡信号，然后经过频率的加、减、乘、除运算变换成射频，所以必须使用混频电路，又如电视差转机收发频道的转换，卫星通讯中上行、下行频率的变换等，都必须采用混频器。由此可见，混频电路是应用电子技术和无线电专业必须掌握的关键电路。人们一直都在寻求快速远距离通信的手段。但是，直到十八世纪中叶才有了现代意义上的快速远距离通讯手段，这归功于无线电的发明。一个多世纪以来，通信的方式和内容不断更新发展，从最初的莫尔斯电码到现在的卫星通讯，现代通讯技术正成为人们日常生活中越来越重要的角色。作为无线传输体系中不可缺少的重要环节，混频技术，如晶体管混频，二极管混频以及场场效应管混频等，被广泛应用于各种通讯设备中， 实现信号频谱的搬移。混频的用途是广泛的，它一般用在接收机的前端。除了在各类超外差接收机中应用外在频率合成器中为了产生各波道的载波振荡，也需要用混频器来进行频率变换及组合在多电路微波通信中，微波中继站的接收机把微波频率变换为中频，在中频上进行放大，取得足够的增益后，在利用混频器把次中频变换为微波频率，转发至下一站此外，在测量仪器中如外差频率计，微伏计等也都采用混频器。因此，做有关混频电路的课题设计很能检验对高频电子线路的掌握程度；通过混频器设计，可以巩固已学的高频理论知识。此外为辅助电路，此次的课程设计还应用了LC谐振回路以及RC二阶有源滤波器，以实现对干扰信号的有效抑制。关键词： 混频器；超外差接收机；有源滤波器ABSTRACTThe mixer in communication engineering and radio technology, are widely used in the modulation system, the input of baseband signal are through frequency conversion become already tuning frequency signal. In the process, receiving demodulation already tuning frequency signal also should pass frequency conversion, become the corresponding mid-frequency signal. Especially in specialized superheterodyne receivers of type, mixers are more widely application, such as kfi-am radio receiver will be already amplitude modulated signal 535KHZ - a 1605KHZ to become 465KHZ mid-frequency signal, for television receiver will have a 870M 4.85 M tone of image signal to become 38MHZ of intermediate frequency image signal.people are always looking for fast way to communicate over distance, to transfer or to exchange information. Modern long distance communication technology was invented in mid of 18th century thanks to the invention of radio technology. Since then, this technology was well developed and many new methods came out. From Morse code to satellite, modern communication is playing more and more important role. As a key part of radio technology mixing, e.g. transistor mixer, diode mixer and FET mixer, etc. are broadly used in different system，to shift frequency.The figure hereafter illustrated the basic components of a communication system. There are kinds of communication technology; they are not going to be introduced here one by one. However most of the transmitters and receivers are made by RF system. The topic of this document is to design and simulate a key unit circuit of wireless communication system - mixer.Mixing technology is very useful; normally they are applied by the front end of receiver. They are used by superheterodyne receiver, frequency synthesizer, microwave repeater and instruments. Therefore, this kind of design practice can greatly help to understand RF knowledge well.Furthermore, as auxiliary circuit, LC network and RC active filter are applied to this design, to effectively eliminate interference.KEYWORDSmixers；specialized superheterodyne receivers；sctive filter目录摘要1第一章 系统分析41.1设计课题任务41.2课题基本原理41.3混频电路的分类51.4混频电路的实际应用6第二章 软件介绍72.1 工具的选择Multisim 10 简介72.2 Multisim 10 的特点7第三章 设计课题的仿真分析晶体管混频器虚拟实现83.1设计课题的参数选择83.2晶体三极管混频器设计及课题的仿真结果103.3设计课题的调试15第四章 结论18致谢19参考文献20附录21第一章 系统分析1.1设计课题任务设计一混频电路要求输入信号为10MHz正弦波，本振信号为16.465MHz正弦波，输出为465KHz的正弦波，谐振回路选用465KHz的中周。1.2基本原理混频电路是一种频率变换电路，是时变参量线性电路的一种典型应用。如一个振幅较大的振荡电压（使器件跨导随此频率的电压作周期变化）与幅度较小的外来信号同时加到作为时变参量线性电路的器件上，则输出端可取得此二信号的差频或和频，完成变频作用。它的功能是将已调波好的载波频率变化换成固定的中频载频率。而保持其调制规律不变，也就是说它是一个线性频率谱搬电路，对于调幅波、调频波或调相波通过变频电路后仍然是调幅波，调频波或调相波。只是其载波频率变化了，其调制规律是不变的。非线性器件带通滤波器本地振荡器输入输出图1.1调幅波以下是调幅波频率形图和混频前后的频谱原理图：图1.2调幅波变频波形图调幅波的混频示意图中，混频器上加了俩个信号载频为1.76MHZ的调幅波Vs（输入信号）和频率为2.16516.465MHZ的等幅波Vo(本振信号)，经过变频后，输出为465KHz的中频调波Vi。输出的中频调幅波与输入的高频调幅波调幅规律完全相同，即载没振幅的包络形状完全相同，唯一差别就是频率不同。下面我们来研究变频是频谱的变化，从示意图我们可以看出经过混频，高频已调波变成中频已调波，只是把已调波的频谱从高频率位置到了中频率位置，输入信号中每个频率分量的位置及相对大小、相互间距不发生变化，当应注意高频率已调波的上、下边频搬到中频位置后，分别成了下、上边频。图1.3变频前后的频谱图1.3混频电路的分类混频电路是基于某些器件的非线性远离工作的，其核心部件就是非线性元件。根据所用器件不同，混频器主要有：1） 晶体管混频器；2） 二极管混频器；3） 场效应管混频器；4） 差分对混频器。根据电路结构分有：1） 单管混频器；2） 平衡混频器；3） 环形混频器。1.4混频电路的实际应用 超处差式接收机的主要特点是，把被接收的已调波信号的载波的频率c先变为频率较低的（或较高的）但是固定不变的中间频率i（称为中频），而其振幅的变化规律保持不变，即是由低频调制信号来决定，然后利用中频放大器加以放大送至检波器进行检波。解调出与调制信号U(t) 线性关系的输出电压。随后通过低频电压放大、功率放大、由扬声器还原为原来的声音，因为中频放大器的中心频率是固定不变的，中频放大器容易取得较大的增益和近似理想的选择性曲线。而接收器的主要放大倍数由中频放大承担所以整机增益在接收频率范围内，高端和底端的差别就会很小，即易于获得较高的灵敏度和临道选择性。对于调谐来说需要对混频器的选频输入回路和本机振荡器进行同步调谐，这是容易实现的。 第二章 软件介绍2.1 工具的选择Multisim 10 简介 Multisim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，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。 2.2 Multisim 10的特点通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为借助高级电路分析, 理解基本设计特征通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间第三章 设计课题的仿真分析晶体管混频器虚拟实现3.1设计课题的参数选择晶体管的原理电路如图所示，图中，本振电压和信号电压都加在 晶体管的基极与发射极之间，在混频过程中，跨导随本振电压做周期变换，混频管可看成线性参变组件。当高频信号通过线性参变组件时，便产生各种频率分量，达到变频目的。 图3.1 晶体管原理电路 晶体管混频器的电路有多种形式。一般按照晶体管组态和本地振荡电压注入点的不同有图4所示的四种基本电路。图中（a）和（b）为共发混频电路。图（a）信号电压由基极输入，本振电压也由基极注入。图（b）表示信号电压由基极输入，本振电压由发射极注入。图（c）和（d）为共基混频电路。图（c）和（d）为共基混频电路。图（c）表示信号电压由发射极输入，本振电压也由发射极注入。图（d）表示信号电压由发射极输入，本振电压由基极注入。这四种电路组态各有其优缺点。图3.2晶体管混频器的电路4种形式 图（a）电路对振荡电压来说是共发电路，输入阻抗较大，因此用做混频时，本地振荡电路比较容易起振，需要的本振注入功率也较小。这是它的优点。但是因为信号输入电路与振荡电路相互影响较大（直接耦合），可能产生牵引现象。这是它的缺点。当s与0的相对频差不大时，牵引现象比较严重，不宜采用此种电路。图（b）电路的输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极注入，因此，相互干扰产生牵引现象的可能性小。同时，对于本振电压来说是共基电路，其输入阻抗较小，不易过激励，因此振荡波形好，失真小。这是它的优点。但需要较大的本振注入功率；不过通常所须功率也只有几十mW，本振电路是完全可以供给的。因此，这种电路应用较多。图（c）和（d）两种电路都是共基混频电路。在较低的频率工作时，变频增益低，输入阻抗也较低，因此在频率较低时一般都不采用。但在较高的频率工作时（几十MHz），因为共基电路的比共发电路的要大很多，所以变频增益较大。因此在较高频率工作时也有采用这种电路的。3.2晶体三极管混频器设计及课题的仿真结果综上所述，图 3.2（b）比较适合本设计，电路的输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极注入本课程设计-晶体三极管混频器实验电路如图图 3.3 晶体三极管混频器实验电路该电路主要由Q1 和6.5MHz 选频回路组成。混频信号V1，V2分别由基极和发射级输入。通过改变电阻R4的值来改变混频器晶体工作点，使其工作在合适的非线性区域，同时也可以用来调节混频增益。 图 3.3 晶体管工作点调节电路 不合适的工作点将导致输出信号不稳定，甚至不能工作。下面图 3.4, 图 3.5，图 3.6，是R4在不同值时系统的输出信号波（V1,V2电压为1V） 图 3.4 未接入R4时的输出信号波形 图3.5 当R4等于80k时的输出信号波形 图 3.6 当R4等于100k时的输出信号波形 输入信号频率fs =10MHz ,本振频率f0 =16.455MHz，其选频回路选出差拍的中频信号fi =465.168kHz。当选频回路的参数不合适时，输出信号会被严重衰减和失真。如图所示 当R4等于80k时获得最佳波形。输出频率经测量得到频率为465.168kHz，与预期的465kHz一致，略有些误差。 下面看一下输入信号V1,V2在不同电压下及电压相同电压值不同时的（电阻R4等于80K并保持不变）系统输出的信号波形。 当保持V1为500mV时，通过改变V2电压看输出波形表一：V2电压50mV100mV300mV500mvV1.0V1.5V2.0V2.5V3.0V输出波形情况失真失真不失真不失真不失真失真失真失真失真当保持V2为500mV时，通过改变V2电压看输出波形表二：V1电压50mV100mV300mV500mvV1.0V1.5V2.0V2.5V3.0V输出波形情况失真失真失真不失真不失真不失真不失真不失真失真 3.3设计课题的调试 混频器的各种非线性干扰是很重要的问题，并且在讨论各种混频器时，把非线性产物的多少，作为衡量混频器质量的标准之一非线性干扰中很重要的一类就是组合频率干扰和副道波干扰。这类干扰是混频器特有的。还有一些其他的干扰，比如交调互调，阻塞干扰等。干扰的解决办法：1：选择合适的中频。如果将中频选在接收信号频段之外, 可以避免中频干扰和最强的干扰哨声2：提高混频电路之前选频网络的选择性, 减少进入混频电路的外来干扰, 这样可减小交调干扰和互调干扰。对于镜频可采用陷波电路将它滤掉。 3：采用具有平方律特性的场效应管、 模拟乘法器或利用平衡抵消原理组成的平衡混频电路或环形混频电路, 可以大大减少无用组合频率分量的数目, 尤其是靠近有用频谱的无用组合频率分量, 从而降低了各种组合频率干扰产生的可能性。 在本课程设计中，高频干扰由LC谐振网络及RC有源滤波器共同完成，故效果较好。滤波器由RC网络和运放组成，具有高输入阻抗低输出阻抗的特点，具有缓冲作用。在设计过程中取f0为6.455MHz, 通带增益1，带宽500kHz. 根据公式：取， 则：3.1 3.2 3.3 3.4由于本实验的目的是演练二阶有源滤波器的设计，电路中采用理想元件。实际电路中采用了精密可调元件代替。图 3.13 RC有源二阶滤波 经仿真，该带通滤波器的幅频特性如下：图 3.14带通滤波器的幅频特性下面的两个输出波形可以生动展示该RC有源二阶滤波器在本混频系统中的作用。图 3.15滤波前后波形对比左边为经过RC有源二阶滤波器的输出信号波形，每个周期的信号幅值较为一致。而右变未经过RC有源二阶滤波器的输出信号每个周期的信号幅值显然有起伏。这说明有部分残留的干扰信号被该带通滤波器有效地抑制了。 接待测网络的输出。关键点是必须在网络的输入端在并接一个函数信号发生器。第四章 结论这次课程设计我们按照课程设计上的程序以及导师指导下一步一步完成，先复习混频电路的原理，然后选择电路，计算关键元件的值，学习Multisim的使用，最后连线调试出预期的混频和滤波效果,然后做出实际电路。在做开题报告时我对混频的认识只限于基本原理和理论-在通信接受机中，混频电路的作用在于将不同载频的高频已调波信号变换为同一个固定载频（中频）的高频已调波信号。调幅信号频谱宽度不变，包络形状不变。正式开始设计后，在对电路的实现中，我先学习了Multisim软件的使用，这个虚拟电子实验室可以仿真各种电路。应用过程中我发现这个软件确实功能强大，操作简单，可以免去直接用硬件做实验带来的各种麻烦。而且这个软件是英文版的，使我的专业英语的词汇量大大增加。同时对设计格式的严格要求，也让我掌握了WORD 的一些高级编辑技巧。在搭设实际电路的过程中，我对混频电路有了进一步的认识，将理论知识加入实际设计当中去，更加加深了我对理论知识的理解和认识。在设计过程中曾遇到高频干扰，输出波形失真相当严重，经过老师和同学的帮助，通过加入各种滤波电路，失真现象有了明显的改善，最终得到比较理想的结果。同时也演练了LC滤波器和RC有源二阶滤波器的设计及参数计算。几个月的课程设计中遇到过各种困难，有学习软件时的困难，有调试时的学术问题。在导师和同学的帮助下，终于克服了困难。从中我学习到遇到问题时怎么分析问题，解决问题，如何分清主次。课程设计使我获益良多，它将很好地衔接理论与实际的工作实践。致 谢 设计终于能上句号，首先要感谢谢我的指导老师张松华老师，她不仅在学术上予以指导，制定课程设计课题，并且给予我极大的鼓励和支持，使我能一直有坚定的信心和饱满的热情来完成我的设计。在设计过程中遇到很多问题贾老师总是引导我去寻找引发问题的的原因并提出解决的问题额方法。还要感谢所有帮助过的同学。因为有了他们的帮助，我才能更好的完成任务。在此，祝老师工作顺利，身体健康，家庭幸福。祝同学们学业有成，心想事成。参考文献1曹才开.高频电子线路原理与实践.2010年6月.第1版.中南大学出版社2黄智伟.基于Multisim 2001的电子电路计算机仿真设计与分析.2004年7月，第1版.电子工业出版社3曹才开.高频电子线路原理与实践.中南大学出版社.2010年4阎石.数字电子技术.第四版.高等教育出版社.2009年5谢自美.电子线路设计与实验测试.第二版.华中科技大学.2010年6康华光.电子技术基础模拟部分.第五版.华中科技大学出版社.2005.77曹才开.电路分析基础.第四版.北京.清华大学出版社.2009附 录 元件清单1三极管BCV721个2滑动变阻器电阻10k1个3电阻8k1个4电阻2k1个5电阻80K1个6电容器33pF3个7电容器10nF4个8电容器1nF2个9电容器10uf2个10电感470uh2个11电感100uh2个12电感10uh1个22