基于MC1496的混频器的设计

课程设计

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电子与信息工程学院

信息与通信工程系

基于MC1496的混频器的设计

一、概述

混频器在高频电子线路和无线电技术中，应用非常广泛，在调制过程中，输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频的已调信号。在解调过程中，接受的已调高频信号也要经过频率转换，变成对应的中频信号。特别是在超外差式接收机中，混频器应用比较广泛，如AM广播接收机将已调信号535KHZ-1605KHZ要变成465KHZ的中频信号，电视接收机将48.5M-870M的图像信号要变成38M的中频图像信号。再发射机中，为提高发射频率的稳定度，采用多级式发射机。用一个频率较低的石英晶体振荡器为主振荡器，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。由此可见，混频电路是电子技术和无线电专业必须掌握的关键电路。

关键词：模拟相乘器MC1496；混频电路

1．混频器

1.1 基本概念

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。

f I = f L - f C 或f I = f L+f C （其中f I表示中频频率，f L表示本振频率，f C表示载波频率。一般取差频）

图1是混频电路组成原理图。混频电路的输入是载频为f

c 的高频已调波信号u

s

(t)和

频率为f

L 的本地正弦波信号(称为本振信号)u

L

(t), 输出是中频为f

I

的已调波信号u

I

(t)。

通常取f

I =f

L

-f

c

。以输入是普通调幅信号为例,若u

s

(t)=U

cm

［1+m

a

u

Ω(t)］cos2πf c t, 本振

信号为u

L (t)=U

Lm

cos2πf

L

t, 则输出中频调幅信号为u

I

(t)=U

Im

［1+m

a

u

Ω(t)］cos 2πf I t。可

见, 调幅信号频谱从中心频率为f

c 处平移到中心频率为f

I

处, 频谱宽度不变, 包络形状不

变。图2是相应的频谱图。

图2中（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。

f c f L

f (a) (b)

f I = f L -f c

图2

图1混频电路原理图 C L C c L I L C I C

f f f f

f f f f f f f f ?-?=+=?-??或 >>

1.2变频干扰

（哨声干扰）

信号本振

（交叉（寄生（本振

调制）通道）噪声）

干扰噪声

（互相调制）（倒易混频）

图1-2混频干扰分类及其名称示意图

哨叫干扰是由于变频器不满足时变参量线性电路条件而形成。这是，信号本身的谐波不可忽略，其产生干扰的条件是

︱±pw

l ±qw

c

︱=wI+W

式中，W是可听的音频频率。上式包括以下四种情况

Pw

L -qw

c

=w

I

+W

-pw

L +qw

c

=w

I

+W

pw

L +qw

c

=w

I

+W

-pw

L -qw

c

=w

I

+W

如取wI= wL-wc,则第三种情况是不可能的，第四种情况是不存在的。而是第一、二种

情况可写成pw

L -qw

c

=±(w

I

+W)

通常Wi≥W,因此上式可化简为w

c ≈(p1±1)w

I

/(q-p)

上式表明，当信号频率wc和已选定的中频频率wI满足上式关系时，就可能产生干扰哨叫声。若p和q取不同的正整数，则可产生干扰哨声的信号频率就会有无限多个，并且其值均接近于wI的整数倍或分数倍。但实际上，一旦任何一部接收机的工作频率段都是有限宽的；二因混频器管集电极电流组合中组合频率分量的振幅总是随着（p+q）的增加而迅速地减小，因而只有对应于p和q值较小的信号才会产生明显的干扰哨声，而对应

于p和q较大的信号所产生的干扰哨声均可忽略。

由此可见，减少干扰噪声的方法是合理选择中频频率，将产生最强的干扰哨声的频率移到接收频段以外。其次是限制信号和本振电压的振幅不宜过大。

寄生通道干扰

寄生通道干扰是由于变频器必须工作在非线性状态而形成的。如果变频器前的高频放

大器也具有非线性特性，则当频率为w

M 的干扰信号Vm(t)通过放大器是，产生了w

M

的各次

谐波，用qw

M 表示，q=0,1,2，...他们与本振信号各次谐波差排，如满足︱±pw

L

±qw

M

︱≈

Wi

该干扰信号将通过接收机，造成对有用信号的干扰，称这种烦扰为寄生通道干扰。

对于中频干扰，混频电路十几起到中频放大的作用，因而它具有比有用信号更强的传输能力；对于像频干扰，它具有与有用通道相同的变换能力。只要这两种干扰信号一旦加到混频电路输入端，就无法将其削弱或抑制。因此，减少中频和像频干扰的主要方法是提高混频电路前级的选择性。

交叉调制干扰

交叉调制干扰是由于混频器或高频放大电路的非线性传输特性产生的。

交调干扰仅与干扰信号振幅有关，而与频率无关，因此它是一种危害性更大的干扰，减少交调干扰的有效方法是提高混频电路前级的选择性。

互相调制干扰

互相调制干扰也是由于混频电路或高频放大电路的非线性传输特性产生的。

减少互调干扰的主要方法是提高混频电路前的选择性和设法是混频器件特性四次方项以及四次方项以上的偶次方项系数为零。

本振噪声干扰与倒易混频干扰

一般情况下，特别是在厘米波段混频电路中，本机振荡电路提供本真信号的同时，还不可变地会产生噪声，其频谱按本振回路谐振特性曲线形状分布。这样，混频器件就可以把那些与本振频率相差一个中频的噪声频谱分量变换为中频通频带内的噪声，使混频电路的噪声输出增大，通常称为本振噪声干扰。

减少振荡器噪声影响的一个最基本和最重要的手段是提高振荡器的选频回路的Q值，回路Q值越高，谐振曲线也越尖锐，对噪声的衰减也越大，一般LC组成的回路，其空载Q 值一般在300以下。为提高回路Q值人们采用了许多方法，其中采用石英晶体振荡器是最有效的方法之一。

2. 模拟乘法器

1. 基本概念

含义：可实现任意两个互不相关模拟信号相乘的三端口的非线性电子器件 （A M 为相乘增益，亦称比例系数或标尺因子） 模拟乘法器是一种完成两个模拟信号（连续变化的电压或电流）相乘作用的电子器件，通常具有两个输入端和一个输出端，电路符号如图3所示。

若输入信号为x u , y u ,则输出信号o u 为：

o u =k y u x u (k 为乘法器的增益系数或标尺因子，单位为V 1-.)

根据两个输入电压的不同极性，乘法输出的极性有四种组合，如图4所示的工作象限来说明。

若信号x u 、y u 均限定为某一极性的电压时才能正常工作，该乘法器称为单象限乘法器；若信号x u 、y u 中一个能适应正、负两种极性电压，而另一个只能适应单极性电压，则为二象

I

(+) (+)=(+)

II

(-) (+)=(-) III (-) (-)=(+) IV (+) (-)=(-)

图4模拟乘法器的工作象限

U x

图3模拟乘法器电路符号

U y

o

0M 12

v v v =+A

限乘法器；若两个输入信号能适应四种极性组合，称为四象限乘法器。

一个理想的乘法器中，其输出电压与在同一时刻两个输入电压瞬时值的乘积成正比，而且输入电压的波形、幅度、极性和频率可以是任意的。

对于一个理想的乘法器，当x u 、y u 中有一个或两个都为零时，但在实际乘法器中，由于工作环境、制造工艺及元件特性的非理想性，当0=x u ，0=y u 时，0≠o u ，通常把这时的输出电压称为输出失调电压；当0=x u ，0≠y u （或0=y u ，0≠x u ）时，0≠o u ，这是由于y u （或x u ）信号直接流通到输出端而形成的，称这时的输出电压为y u （或x u ）的输出馈通电压。输出是调电压和输出馈通电压越小越好。此外，实际乘法器中增益系数K 并不能完全保持不变，这将引起输出信号的非线性失真，在应用时需加注意。

2．传输特性

① 直流和低频传输特性

零输入响应 ：零输入状态时，是非零的输出，存在误差电压（输出失调电压和馈通误差电压）

直流传输特性 （一个输入为直流时） 平方律特性 （V1=V2） ② 非线性传输特性 ③ 正弦信号传输特性

二、硬件设计

下图为模拟乘法器混频电路，该电路由集成模拟乘法器MC1496完成。本实验中输入

信号频率为fS ＝10MHz(由DDS 信号发生器输出)，实验箱自己提供的信号源作为本振信号，其频率fL ＝16.465MHz 。

为了实现混频功能，混频器件必须工作在非线性状态，而作用在混频器上的除了输入信号电压VS 和本振电压VL 外，不可避免地还存在干扰和噪声。它们之间任意两者都有可能产生组合频率，这些组合信号频率如果等于或接近中频，将与输入信号一起通过中频

放大器、解调器，对输出级产生干涉，影响输入信号的接收。干扰影响最大的是中频干扰和镜象干扰。

MC1496采用双电源+12V，-12V供电。R12，R13组成平衡电路，J7为本振信号输入端；J8为接收信号输入端；F2为中心频率为4.5MHz带通滤波器。输入信号频率f

s

=4.5MHZ,本振

频率f

L =8.7MHZ。电路的作用是将中心频率为f

s

的信号，变换为中心频率为f

I

的信号。电

路的基本工作过程是，接收到的频率为f

s 的信号和频率为f

L

的本振信号分别加到非线性集

成模拟相乘器的两个相乘端，相乘的结果经过晶体滤波器，选出其中的f

I

信号，实现了频率变换的功能。

MC1496构成的混频器

三、模拟仿真

根据设计方案，应用计算机Multisim软件进行了模拟仿真。显示输出得到双边带的调幅波波形，及调幅波的频谱。

四、结论和总结

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。

总结：这次课程设计我们按照课程设计上的程序，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的操作软件！

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，经过同学的帮助，失真现象有了明显的改善，最终得到比较理想的结果。

两周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。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

参考文献

[1] 张义芳.高频电子线路（第四版）.哈尔滨工业大学出版社.2009年7月

[2] 杨翠娥.高频实验与课程设计.哈尔滨工程大学出版社.2005年1月

[3] 陈邦媛.射频通信电子线路学习指导.科学出版社.2007年6月

[4]李新春,陈俊霏.高频电路实验与仿真.高等教育出版社.2008年6月