河南理工大学高频电子线路课程设计--混频器

高频电子线路课程设计报告设计题目：混频器设计

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2012 年06月13日

目录

一、设计任务与要求 (1)

二、总体方案 (1)

三、设计内容 (3)

3.1电路工作原理 (3)

3.1.1 LC正弦波振荡器 (3)

3.1.2 模拟乘法器电路 (5)

3.1.3 选频、放大电路 (6)

3.2 仿真结果与分析 (7)

四、总结 (9)

五、主要参考文献 (10)

附录 (11)

一、设计任务与要求

本学期我们学习了《通信基本电路》这一门课程，为了更好地掌握所学习的知识，特做此课程设计以加以巩固，同时学习并加深Multisim软件的使用。本次设计是混频器的设计，我们要好好掌握其设计原理。

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，混频电路是应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.

二、总体方案

对于混频电路的分析，重点应掌握，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跨导的计算方法，三是应用电路分析。混频电路的基本组成模型及主要技术特点：

混频，工程上也称变频，是将信号的频率由一个数值变成另一个数值的过程，实质上也是频谱线性搬移过程，完成这种功能的电路就称为混频电路或变频电

路。

混频电路的组成模型及频谱分析

图 1

图1是混频电路的组成模型，可以看出是由三部分基本单元电路组成。分别是相乘电路、本级振荡电路和带通滤波器(也称选频网络)。当为接收机混频电路时，其中U s (t)是已调高频信号。U l (t)是等幅的余弦型信号，而输出则是U i (t)为中频信号。

混频电路的基本原理：

图2中，U s (t)为输入信号，U c (t)为本振信号。U i (t)输出信号。

分析：当st sm s cos U (t)U ψ= 则(t)(t)U U (t)U c s p = = ct cm st sm cos U cos U ψψ = ct st cos cos Am ψψ 其中：cm sm U U Am =

对上式进行三角函数的变换则有

()t c st 1p cos cos Am t U ψψ=：)t]-(c s)t c [cos(

Am 21s c ψψψψos ++ 从上式可推出，U p (t)含有两个频率分量和为(ψc +ψS )，差为(ψC -ψS )。若

选频网络是理想上边带滤波器则输出为]t Amcos[

21(t)U s c i ψψ+=． 若选频网络是理想下边带滤波器则输出：]t -Amcos[

2

1(t)U s c i ψψ=. 工程上对于超外差式接收机而言，如广播电视接收机则有ψc >>ψS ．往往混

频器的选频网络为下边带滤波器，则输出为差频信号，

]t -Amcos[2

1(t)U s c i ψψ=为接收机的中频信号。衡量混频工作性能重要指标是混频跨导。规定混频跨导的计算公式：混频跨导g ：输出中频电流幅度偷入信号电压幅度。

该电路由LC 正弦波振荡器﹑高频信号源﹑模拟乘法器以及选频放大电路组成。LC 正弦波振荡器产生的10MHz 正弦波与高频信号源所产生的8MHz 正弦波通过模拟乘法器进行混频后产生双边带调幅信号，然后通过选频放大器选出有用的频率分量，即频率2MHz 的信号，对其进行放大输出，最终输出2MHz 的正弦波信号。混频器电路如图3所示。

图3 混频器电路图

三、设计内容

3.1电路工作原理

3.1.1 LC 正弦波振荡器

本次设计采用LC 电容三点式反馈电路，也叫考毕兹振荡电路。利用电容将谐振回路的一部分电压反馈到基极上，而且也是将LC 谐振回路的三个端点分别与晶体管三个电极相连，所以这种电路叫电容三点式振荡器。

三点式LC 振荡器的相位平衡条件是πφφ2=+F k ，在LC 谐振回路，()ce be cb X X X +=，cb X 与be X ﹑ce X 性质相反，当be X ﹑ce X 为电容，cb X 就是电感；当be X ﹑ce X 为电感，cb X 就是电容。

在LC 三点式振荡器电路中,如果要产生正弦波，必须满足振幅平衡条件：即满足1>?F A 。

由相位平衡条件和振幅平衡条件可得： F

F F R i 11+?>β

选取60=β，故选用2N2222A 三极管。2N2222A 是NPN 型三极管，属于低噪声放大三极管。本电路的三极管采用分压偏置电路，为了使三极管处于放大状态，必须满足：电流

()BQ B I I 10~5=

电压

cc B U U ??? ??=31~5

1

由此可以确定R1=5.1K ，R3=2.2K ，R4=2K 。

正弦波的输出信号频率f =10MHz ，电路连接如图4

所示

图4 LC 正弦波振荡器

R1﹑R2﹑R4组成支流偏置电路，R5是集电极负载电阻，L2﹑CT ﹑C ﹑C4构成

并联回路，其中R6用来改变回路的Q 值，C1﹑C3为耦合电容，L1﹑C6﹑C5构成了一个去耦电路，用来消除电路之间的相互影响。其交流通路如图5

所示。

图5 交流通路图

根据设计要求，正弦波振荡器输出频率为10MHz ，故由此可以大概确定L2﹑C4﹑CT 的数值，再通过仿真进行调试最终确定其参数。电路的谐振频率为

()CT C L f //4221?=

πMHz 1.10%

710350101014.32112

6≈?????≈--，静态工作点为mv R R R R V B 3.982%

551002.21.51

.512321112≈?++?=++?=，

基本符合设求。

3.3.2 模拟乘法器电路

用模拟乘法器实现混频，就是在x U 端和y U 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，其原理方框图如图6所示：

x U

c U 0U

g U

图6 混频原理框图

若()s s x

w U t U cos = ()t w U t U y 00cos =

则

()()()[]t w w t w w V KV t w t w V KV t U s s s s s c -++=

=00000cos cos 2

1

cos cos

通频带滤波器

经带通滤波器后，取差频

()()t w w V KV t V s s -=

000cos 2

1

i s w w w =-0为所需要的中频频

率。

由MC1496 模拟乘法器构成的混频器电路如图7 所示。图中，LC 正弦波振荡器输出的10MHz 正弦波由10端（X 输入端）注入，高频信号源输出的10MHz 正弦波由一端（Y 输入端）输入，混频后的中频电压由6端经π形带通滤波器输出，其中C17﹑L11﹑C11﹑C19构成一选频滤波回路，调节可变电阻Rp 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s u 的线性范围。

图7 MC1496构成的混频器

3.3.3 选频﹑放大电路

电路连接如图8所示，晶体管选2SC945，R1﹑R2﹑Re 组成支流偏置电路，L2﹑L3﹑C2﹑R 构成并联谐振回路，其中R 用来改变回路的Q 值，C1为输入耦合电容，C3 为输出耦合电容，C7位晶体管发射极旁路电容，L1 ﹑C4﹑C5构成了一个去耦电路，用来消除电路之间的相互影响，R1 ﹑R2 提供电路的静态工作点。

其中电路的谐振频率为

()

32221

L L C f +?=

π

(

)

MHz 99.110

43.2101010

51014.321

6

612

≈?+????≈

---

静态工作点为 V R R R V B 51.32

.6152

.61221212=+?=+?

=。

图8 选频﹑放大电路

3.2仿真结果与分析

根据设计方案，应用计算机Multisim 软件进行了模拟仿真。用示波器观察LC 正弦波振荡器的输出，输出波形如图9所示。

图9 LC

正弦波振荡器输出波形

用示波器观察混频器输出信号，波形如图10所示。

图10 混频后的信号波形图

用示波器观察模拟乘法器的输出，输出波形如图11所示。

图11 模拟乘法器输出波形

LC 正弦波振荡器的输出频率应为

()

CT C L f //4221

?=

πMHz 1.10%

710

350101014.321

12

6

≈?????≈

--，静态

工作点mv R R R R V B 3.982%

551002.21.51

.512321112≈?++?=++?

= ；

选频﹑放大大电路输出频率应为

()

32221

L L

C f +?=

π

(

)

MHz 99.110

43.2101010

51014.321

6

612

≈?+????≈

---，

静态工作点V R R R V B 51.32

.6152

.61221212=+?=+?

=。

通过仿真测试可得LC 正弦波振荡器的输出频率为10.1MHz ，静态工作点mv V B 3.983= ；选频﹑放大电路输出频率为1.99MHz ，静态工作点mv V B 47.3=。

结论:有计算值与仿真值的比较可得,本设计基本完成了设计要求，并且由示波器可观察到相应的波形，仿真值基本满足要求，说明电路各部分均正常工作。美中不足的是仿真结果同理论值仍存在一定的误差，需要进一步改善电路的性能，使电路更加精确和抗干扰能力更强。

四、总结

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。

在做课程设计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。

主要参考文献

1]易跃春. 风力发电现状发展前景以及市场分析[J]. 国际电力，2004，(10)：54-59

[2]迟永宁. 大型风电场接入电网的稳定性问题研究[D]. 北京：中国电力科学研究院，2006

[3]Global wind energy council (GWEC). Global wind 2006 report. Brussels，Belgium：2007

[4]盛骤，谢式千，潘承毅.《概率论与数理统计》[M].高等教育出版.1989.

附录MC1496构成的混频器电路图