#三极管混频器-高频课程设计37704

通信电子线路课程设计说明书

三极管混频器

系 ： 电气和信息工程

学 号：11401340336 姓 名：王凯 专业班级：通信11-03班 指导老师： 张松华

时 间: 2013.12.16

摘要

混频器在通信工程和无线电技术中，使用非常广泛，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，混频器使用较为广泛，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48．5M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，混频电路是使用电子技术和无线电专业必须掌握的关键电路。

本文通过MC1496构成的混频器来对接收信号进行频率的转换,变成需要的中频信号.

Abstract

The mixer in communication engineering and radio technology, application is very extensive, in modulation system, the input of baseband signal are throughfrequency conversion into a high frequency modulated signal. In the demodulation process, the received modulated high frequency signal afterfrequency conversion, into intermediate frequency signals corresponding to.Especially in the superheterodyne receiver, mixer is widely used, such as AMradio receiver will be amplitude modulated signal 535KHZ- a 1605KHZ to become 465KHZ IF signal, image signal television receiver will have a 870M48.5M to become 38MHZ of intermediate frequency image signal. In mobile communication, a frequency and the two frequency etc.. In the transmitter, in order to improve the stability of transmitting frequency, uses the

multistagetype transmitter. With a low frequency of the quartz crystal oscillator as the main oscillator, generating the main oscillation signal of a frequency is verystable, and then through the frequency plus or minus, multiply, divide intoradio frequency, we must use a mixer circuit, such as converting TV transposer transceiver channel, the uplink, downlink frequency in satellitecommunication transform, must be in the mixer. Thus, mixing circuit is the key module of Applied Electronic Technology and professional radio must master.

This paper is composed by MC1496 conversion mixer to the frequency of the received signal, a signal is needed.

目 录

摘要 ..................................................................... 1 第一章 系统分析 ....................................................... 3

1.1设计课题任务 ...................................................... 3 1.2课题基本原理 ...................................................... 2 1.3混频电路的分类 .................................................... 4 1.4混频电路的实际使用 ................................................ 5 第二章 软件介绍 ...................................................... 6

2.1 工具的选择——Multisim 10 简介 ................................... 6 2.2 Multisim 10 的特点 .............................................. 6 第三章 设计课题的仿真分析晶体管混频器虚拟实现 ........................ 7

3.1设计课题的参数选择 ................................................ 7 3.2晶体三极管混频器设计及课题的仿真结果 .............................. 9 3.3设计课题的仿真调试 ............................................... 11 第四章 结论.......................................................14 致谢 .................................................................... 15 参考文献 ................................................................ 16 附录：Multisim 扫频仪的介绍 .............................................17

第一章 系统分析

1.1设计课题任务

设计一个三极管混频器。要求中心频率为10MHz, 本振频率为16.455MHz，混频输出为6.465MHz的正弦波。

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使用。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）和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。

输入 非线性器件 带通滤波器 输出 本地振荡器 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1.7~6MHZ的调幅波Vs（输入信号）和频率为2..165~6.465MHZ的等幅波Vo(本振信号)，经过变频后，输出为465KHz的中频调波Vi。输出的中频调幅波和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。

相对振幅高频调幅波本振信号fs-Ffsfs+Ffif0f变频前相对振幅中频调幅波1.

fi-Ffifi+Ff

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混频电路的实际使用

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ωc先变为频率较低的（或较高的）但是固定不变的中间频率ωi（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Ω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。解调出和调制信号UΩ(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和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。和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v0和信号电压vs都加在 晶体管的基极和发射极之间，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和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ωs和ω0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）电路的输入信号和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，这种电路使用较多。

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f比共发电路的f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，电路的输入信号和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R2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。

3.3设计课题的仿真调试

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C1010(F)(F)0.00000155F， 则：……………………………3.1 f06455000Q6455/500205.469k ………………3.2

CAuo00.00000155(1)26455000R1R2Q6455/500618.256 22C0(2QAuo)0.0000015526455000(2(6455/500)1)………………………………………3.3

R326455/5002Q410.938k …………………………3.4 C00.0000015526455000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。实际电路中可采用精密可调元件代替。

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

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。

有部分残留的干扰信号被该带通滤波器有效地抑制了。

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。

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，非常强大。使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，她将很好地衔接理论和实际的工作实践。

致 谢

通过数周的课程设计，终于能按时完成，画上了句号。感谢我的指导老师张松华老师，她的精深的学术造诣，非常让我佩服，不知不觉感染了我。张老师能够耐心的指导我解决设计中遇到的各种问题，而且引导我们透过现象去发现引发问题的本质原因。通过本次课程设计，使我的高频理论知识更上一层楼，使我坚信：付出总会有收获的。张老师的学术水平和耐心关怀，使我获益良多。再次感谢张松华老师。

参考文献

［1］曹才开.《高频电子线路原理和实践》.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和分析》.2004年7月，第1版.电子工业出版社

［3］曹才开.《高频电子线路原理和实践》.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.《电子线路设计和实验测试》.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.2005.7 ［7］曹才开.《电路分析基础》.第四版.北京.清华大学出版社.2009

附 录

Multisim 扫频仪的介绍

在本课程设计中包含了滤波器，为了实时地检测滤波器的幅频特性，扫频仪是相当有用的。参考下图。扫频仪的输入端接待测网络的输入，输出端 图 RC有源二阶滤波