频率变换电路

本单元主要介绍频率变换中的混频电路，它用来产 生中频信号。混频电路是指输出信号频率等于两输 入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路，通 常由非线性元件和选频回路构成。
5.1项目一：初识频率变换电路
5.1.1实物与测试
在TP9处输入频率为 10.245MHz的正弦 波 TP11处输入频率为 10.7MHz，峰-峰值 约1V的载波信号 可以计算出经混频后， 输出信号频率的理论 值应为
5.4.2分析混频器的干扰现象


在接收机或传送机中，由于使用频率变换电路，可以使其性能 改善。但是也有其缺点，特别是在接收机方面，会产生相互调 变失真特性(波形失真)的问题。在高频放大电路与频率变换电 路中，容易发生相互调变波。 由于频率变换电路的非直线部分所产生的相互调变波有2次、3 次、5次……等，其中，最容易发生问题的是3次相互调变波。 干扰波也会经过频率变换，成为2f1-f2或2f2-f1。此信号在接收 频带内便会构成问题。

4.互调干扰 若两个或多个干扰信号同时加到混频器输入端，由于混频器的非线性作用， 两干扰信号与本振信号相互混频，产生的组合频率分量若接近于中频，它就能 须利地通过中频放大器，经检波器检波后产生干扰，这种干扰称为互调干扰。

i 0 1 (u UQ ) 2 (u UQ )2
2.非线性器件的相乘作用实现频谱搬移
3.实现接近理想频谱搬移的措施
实现接近理想频谱搬移的重要措施之一就是采用模 拟乘法器。对于其他的非线性器件，必须减小无用 相乘项及其产生的组合频率分量的数目和振幅。在 实践中可采取下述措施： 1）选取具有二次方律特性的场效应晶体管； 2）选择合适的静态工作点，使器件工作在特性接近 二次方律的区域； 3）采用多个非线性器件组成的平衡电路，以抵消一 部分无用的组合频率分量； 4）减小输入电压幅度，以便有效地减小p、q较大的 组合频率分量的振幅； 5）选用合适的滤波器，滤掉无用的组合频率分量等。

10.7 MHz -10.245 MHz =455kHz。
5.1.2 频率变换的目的



进行频率变换的目的是将已调波的载波频率变换成固定的 中频载波频率，而保持其调制规律不变。 也就是说频率变换电路是一个线性频谱搬移电路，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。 从频谱的角度看，变频电路的功能是完成频谱从原来的 ws 附近搬到wI附近，而频谱内部结构并不发生任何变化。 即输入信号的频谱为ws、ws±W，通过变频电路后输出 信号的频谱为wI、wI±W ，故频率变换电路是线性频谱 搬移电路。

5.3.2二极管平衡混频器
二极管平衡和环形混频器与晶体管混频器相比，具 有电路结构简单、噪声低、动态范围大、组合频率 分量少等优点。 当本振电压uL足够大时，二极管工作在受uL控制的开 关状态，通过上、下两个二极管的电流分别为


在无滤波的条件下，通过输出回路的电流为
5.3.3二极管环形混频器

图a为频率变换电路的输入信号。相对于信号波fs，有两个干扰波 信号f1、f2存在。图b为经过频率变换后的输出信号的频谱。由于f1、 f2的干扰信号，会产生3次相互调变波的2f1-f2与2f2-f1。此3次相互 调变波存在于信号波fs的频带范围内，会使信号波受到干扰。
混频器的干扰现象的类型

1.信号与本振的组合频率干扰 信号频率和本振频率的各次谐波之间、干扰信号与本振信号之间、干扰信 号与信号之间以及干扰信号之间，经非线性器件相互作用会产生很多的频率分 量。在接收机中，当其中某些频率等于或接近于中频时，就能够须利地通过中 频放大器，经解调后，在输出级引起串音、噪音和各种干扰，影响有用信号的 正常接收。以上信号与本振组合频率干扰又称为噪音干扰。
5.1.3频率变换电路的组成模型


当两个不同频率的信号通过一个非线性器件之后，输出信 号频率将会包含很多频谱分量，在如此多的频率分量中要 得到所需的频率分量，就必须采用选频网络，选出所需的 频率分量。 因此一般频率变换电路应由四部分组成，即输入回路、非 线性器件、带通滤波器和本机振荡器组成。


5.4项目四：混频器的干扰现象分析
5.4.1混频器的技术指标

1.混频增益


2.选择性 3.噪声系数 4.失真和干扰——混频器除了有频率失真和非线性失真外，还会 产生各种非线性干扰，如组合频率、交叉调制和互相调制、阻塞等 干扰。所以对混频器不仅要求频率特性好，而且还要求非线性器件 尽可能少产生一些不需要的频率分量，以减小造成干扰的可能。

2.外来干扰与本振的组合频率干扰 这是由于接收机前端选择性不好，外界干扰信号窜入而引起的干扰，又叫 做副波道干扰，其中最强的干扰信号有两个，中频干扰和镜像干扰。

3.交叉调制干扰 当有用信号和干扰信号两种调幅波均加至混频器输入端时，由于混频器非 线性作用，使干扰信号的包络转移到中频信号上。交叉调制的产生与干扰台的 频率无关，任何频率较强的干扰信号加到混频器的输入端，都有可能形成交叉 调制干扰。

为了进一步抑制混频器中一些非线性产物，广泛采用二极 管环形混频器。 本振电压从输入和输出变压器的中心抽头之间加入，四个 二极管均按开关状态工作。
5.3.4晶体管混频器





在晶体管混频器的发射结上有三个电压， 即直流偏置电压VBB、信号电压us和本振 电压uL。 为了减小非线性器件产生的不需要分量， 一般情况下，选用本振电压振幅ULm>> Usm，也就是本振电压为大信号，而输入 信号电压为小信号。 在一个大信号UL 和一个小信号Us 同时作 用于非线性器件时，晶体管可近似看成 小信号的工作点随大信号变化而变化的 线性元件。 在t1时刻，在偏压VBB和本振电压UL 的 共同作用下，它的工作点在A点，此时Us 较小。因此对Us而言，晶体管可以被近 似看成工作于线性状态。 在另一时刻t2，对于Us而言，由于偏压 和本振电压的作用，工作点移到B点，这 时对Us仍可看成工作于线性状态。
频率变换电路的工作原理



Hale Waihona Puke Baidu
频率变换电路的输出信号有高中频和低中频之分。当输出 信号的载波频率为输入信号的频率之和时，称该中频为高 中频。反之，当输出信号的载波频率为输入信号的频率之 差时，称该中频为低中频。 频率变换电路可以将HF、VHF和UHF等的宽频带频率信 号变换为任意的频率范围，所以说频率变换电路是将输入 信号变换为另外的频率的一种电路。 假设输入信号频率为fs，局部振荡电路的振荡频率为fL， 则经过频率变换后，可以得到fL +fs与fL-fs 的信号输出， 即将两种信号合成，可以得到比原来频率更高或更低的频 率。

频谱的概念

信号的频谱是指组成信号的各个频率正弦分量按频 率的分布情况，即用频率f（或角频率 ）作为横坐标， 用组成这个信号的各个频率正弦分量的振幅Um作为 纵坐标作图，就可以得到该信号的频谱图，简称频 谱。 这三种表示方法在本质上是相同的，故可由其中一 种表示方法得到其他两种表示方法。用数学表达式 表示信号既清楚又准确，而用波形和频谱表示信号 比较直观。但对于某些复杂的信号或无规律的信号， 要写出它的数学表达式或画出它的波形很困难，这 时用频谱来表示这种信号既容易、又方便。因此用 信号的频谱可以表示任何一种信号。

5.2.2集成模拟乘法器组成的混频器
结 论
MC1596构成的 混频器
本机振荡信号uL加在8端，7端交流电位为零。外来的输 入信号us加在1端。6、9两端分别接100mH电感到电源 VCC，对工作于中频fI=9 MHz等效为5．6 kW的电阻。 混频器后选用的中频滤波器的中心频率为9 MHz。输入 信号振幅最大值约为15 mV，本振电压ULm约为100 mV。 该电路可工作在高频或甚高频信号下进行混频。在 fs=200 MHz时，电路的混频增益为9dB，灵敏度为 14mV。 该电路与晶体管混频器相比较，其优点是输出电流中组合 频率分量少，干扰小；对本振电压振幅要求不很严格，不 会因ULm小而失真严重；us与uL的隔离性能好，频率牵引 小。

5.2项目二：集成模拟乘法器组成的混频器 的分析与设计 5.2.1 认识集成模拟乘法器
集成模拟乘法器的基本概念是一种实现两个模拟信 号相乘的电路。 集成模拟乘法器有两个输入端X、Y和一个输出端Z 。 若输入信号分别用ux、uY表示，输出信号用uo表示， 则uo与ux、uY乘积成正比，KM为比例系数。
1 Vrms 2.065MHz 0°
5.3项目三：晶体管混频器的分析

利用非线性器件的相乘作用实现频谱搬移（从幂级 数的展开式角度去分析）时，其中有用项是二次方 项。 凡是伏安特性的幂级数展开式中含有二次方项的非 线性器件，都具有相乘的作用，则都可实现频谱搬 移。 因此，频率变换电路必须通过非线性器件的相乘作 用才能实现。 除集成模拟乘法器外，二极管、晶体管、场效应晶 体管、变容管等也都是非线性器件，它们的伏安特 性都是曲线。



5.3.1非线性器件实现频谱搬移的原理
1．非线性器件的特性描述（幂级数表示法）

如果非线性器件的静态工作点电压为UQ, 静态工作点 电流为IQ,则其伏安特性可在U=UQ附近展开为幂级数：

在实际分析和计算时，总是取上述幂级数的有限项 来近似表示非线性器件的伏安特性。
非线性器件工作在特性曲线的近似直线的部分时， 只需取幂级数前两项， i 0 1 (u UQ ) 实现频谱搬移电路，则至少要取幂级数的前三项,

u0 KM uX uY
MC1496集成模拟乘法器
VT1、VT2与VT3、VT4组成双差分放大器，VT5、VT6 组成的单差分放大器以激励VT1～VT4。VT7、VT8及 其偏置电路组成VT5、VT6的恒流源。 。引脚8与10接输入电压ux，引脚1与4接输入电压uy， 输出电压VO 从引脚6与12输出。 引脚2与3 外接电阻，对VT5、VT6产生串联电流负反 馈，以扩展输入电压uy的线性动态范围。 引脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单 电源供电使），引脚5外接一个电阻，用来调节偏置 电流I5及镜像电流I0的值。



5.2.3 动手任务——集成模拟乘法器组成的 混频器的设计
XSC1
Ext Trig + _ A + _ + B _
XFC1
123
1 2 V1 1 Vrms 1.6MHz 0° V2
A1
Y X
3 4 V3
A2
Y X
6 5 R2 1kΩ
1 V/V 0 V
1 Vrms 5kHz 0°
1 V/V 0 V C1 51nF L1 2.3uH 0 R1 5kΩ

这三种表示方法在本质上是相同的，故可由其中一 种表示方法得到其他两种表示方法。 用数学表达式表示信号既清楚又准确，而用波形和 频谱表示信号比较直观。 但对于某些复杂的信号或无规律的信号，要写出它 的数学表达式或画出它的波形很困难，这时用频谱 来表示这种信号既容易、又方便。因此用信号的频 谱可以表示任何一种信号。
本机振荡器用来提供本振信号频率fL，滤波器起着滤除通 带以外频率分量有作用，只有落在通带范围的频率分量才 会产生输出电压。 通常将输入回路、非线性器件与带通滤波器三部分称为混 频器，而混频器和本机振荡器两部分共同组成变频器。
5.1.4 知识链接——信号的频谱
1)写出它的数学表达式——时域表示。 信号的 2)画出它的波形——时域表示。 表示方法 3)画出它的频谱——频域表示。
第五单元 频率变换电路
知识目标： 了解频率变换的目的与原理； 掌握模拟乘法器及其在混频电路中的典型应用； 理解晶体管混频电路的组成； 了解倍频原理。 技能目标： 会测量、计算混频电路的主要参数； 会设计一种频率变换电路； 会分析混频电路的干扰现象。

信号的数学表达式、波形、频谱三种表示方法之间 可以相互转换，其中用频谱可以表示任何一种信号。 在通信与电子技术中，频率（或频谱）变换是很重 要的概念。 频率变换电路的基本概念是指输出信号的频率与输 入信号的频率不同，而且满足一定的变换关系，分 为频谱搬移电路和频谱的非线性变换两大类。频率 变换电路一般由非线性器件和滤波器组成。