通信电子线路课程设计说明书三极管混频器

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： 电子0802 完成时间： 2010、12、7 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。现代通信系统的组成图如下：输输入变换器输发送设备输传输信道输接收设备输输出变换器干扰通信系统的种类很多，这里就不一一介绍了，但通信系统中的发送设备和接受设备的各项的功能则是各种高频功能电路来实现的。我此次毕业设计课题就是在无线通信系统中不可缺少的混频电路。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，此次的毕业设计还应用了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： Multisim 超外差接收机 混频 AbstractKinds of information is very important to human life, so 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.Key word: Multisim; Superheterodyne; receiver; 目 录1 设计要求及指标1.1 设计目标6 1.2 设计要求和技术指标6 1.3 三极管混频器总体方案介绍及工作原理说明62 三极管混频器的仿真分析 2.1 混频电路分析 7 2.2 仿真结果113 仿真结果分析、干扰及解决办法、设计总结 3.1 仿真结果分析16 3.2 干扰及解决办法16 3.3 设计总结16参考文献17致谢18附录191 设计要求及指标1.1 设计目标 设计一个三极管混频器。1.2 设计要求和技术指标 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。1.3 混频电路的基本原理 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性号的差频或和频，完成变频作用。他的功能是将已调波好的载波频率变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。常用的有模拟相乘混频器、二极管平衡混频器、环型混频器、三极管混频器等。其中三极管混频器最为常用。正弦波振荡器模拟乘法器选频、放大电路高频信号源 图1.3.1 混频原理框图2.、三极管混频器的仿真分析2.1.1 混频电路分析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a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Us(t)是已调高频信号。Ul(t)是等幅的余弦型信号，而输出则是Ui(t)为中频信号。混频电路的基本原理： 图2中，Us(t)为输入信号，Uc(t)为本振信号。Ui(t)输出信号。分析：当2.1则= = 2.2其中：对上式进行三角函数的变换则有：2.3从上式可推出，Up(t)含有两个频率分量和为(c+S)，差为(C-S)。若选频网络是理想上边带滤波器则输出为2.4若选频网络是理想下边带滤波器则输出： 2.5以下是调幅波频率形图和混频前后的频谱原理图： 图1.3.2 调幅波变频波2.1.2 总体方案介绍高频电路中的混频器利用电路中的非线性，可以对两个输入信号进行频率加或减，产生和频信号或差频信号。本实验采用晶体三极管作混频电路,产生差频信号，将高频信号转化成低频信号。采用共射混频电路。信号电压由基极输入，本振电压由发射极注入。采用此电路，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，其输入阻抗小，使本振负重较重，虽不易起振但也不易过激，因此振荡波形好，失真小。三极管混频电路原理图如下图1.3.3所示。其中，晶体管起信号的混频作用，两个输入信号分别为和；电容Cin1、Cin2、Cout为信号输入和输出的耦合电容，起到隔直流的作用，使前后级的直流电位不相互影响，保证各级工作的稳定性；电容Ce对高频交流信号相当于短路，消除偏置电阻Re对高频信号的负反馈作用，提高高频信号的增益；电阻元件Rb1、Rb2、Re决定晶体管的工作点；电路中的电感L和电容C组成的谐振电路起选频作用，在产生的组合频率中选择所需要的中频输出信号。vin1VCCRb1R b2Re CeVoutLCCin1CoutCin2vin2 图1.3.3 晶体管混频器实验原理电路图2.1.3 工作原理说明 晶体三极管混频器的原理性电路如图1.3.4所示，在发射结上作用有三个电压，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，如图1-5所示。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。虽然两个时刻均工作于线性状态，但工作点不同，这两个时刻的线性参数就不一样。因为us 的工作点随uL 的变化而变化，所以线性参量也就随着uL 变化而变化，可见线性参量是随时间变化的，这种随时间变化的参量称为时变参量。这样的电路称为线性时变电路。应当注意，虽然这种线性时变电路是由非线性器件组成。但对于小信号us来说，它工作于线性状态，因此，当有多个小信号同时作用于此种电路的输入端时，可以应用叠加原理。 图1.3.4 一个大信号和一个小信号同时作用于非线性原件 图1.3.4 晶体三极管混频器的等效原理图 晶体三极管混频器的等效原理图如图1.3.5所示。在晶体三极管的发射极上作用有三个电压，即直流偏置电压Vbb，信号电压Us和本振电压Ul，通常本振电压振幅UlUs，也就是本振信号为大信号，而输入信号为小信号，在大信号Ul和小信号Us同时作用于非线性器件时，Vbb+Ul可认为是时变偏置电压，它决定了混频器的工作点。而对于小信号Us来说是工作在时变状态下的线性工作方式。混频器的集电极电流iC可以表示为 。因为Us很小，在Us的变化范围内，正向传输时线性的，在Vbb+Ul上对Us泰勒展开为：（忽略高阶影响）。设本振电压，在没有信号输入的情况下，式中Io，Icm1，Icm2，g0，g1，g2分别是只加本振电压时，集电极时变电流中的直流分量，基波分量，二次谐波分量的幅值以及时变跨导中的平均分量，基波分量，二次谐波分量的幅值。若输入信号电压，可得=+= 2.6 若带通滤波器的中心频率取差频，则通过带通滤波器输出的中频电流为 2.7 该电路由LC正弦波振荡器高频信号源三极管混频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16.455MHz正弦波通过三极管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6.455MHz的信号，对其进行放大输出，最终输出6.455MHz的正弦波信号。三极管混频器仿真电路见附录一该电路主要由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。2.2 仿真结果在实验中，调节R4,改变混频器晶体工作点，稳定的工作点，输出信号稳定，无失真；不合适的工作点将导致输出信号不稳定，甚至不能工作。下面波形是R4在不同值时系统的输出信号波（V1,V2电压为1V）图2.2.1 接入R4=80时的输出信号波形图2.2.2 接入R4=10K时的输出信号波形图2.2.3 接入R4=100K时的输出信号波形图2.2.4 接入R4=240K时的输出信号波形3 仿真结果分析、干扰及解决办法、设计总结3.1 仿真结果分析综上各图，输入信号频率fs =10MHz ,本振频率f0 =16.455MHz，其选频回路选出差频的中频信号fi =6.455MHz。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100k时获得最佳波形。输出频率经测量得到频率为6.454MHz，与预期的6.455MHz一致，略有些误差。3.2 干扰及解决办法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。 3.3 设计总结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。参考文献1电子线路(线性部分) 第四版 谢嘉奎 主编，高等教育出版社，1999年2电子技术基础（模拟部分）康华光 编著，高等教育出版社，1999年3高频电子线路原理与实践 曹才开 主编，中南大学出版社，2010年4数字电子技术 第四版 阎石 主编，高等教育出版社，2009年5电子线路设计与实验测试 第二版 谢自美 主编，华中科技大学，2010年6电子技术基础模拟部分 第五版 康华光 主编，华中科技大学出版社，2005.77电路分析基础 第四版 曹才开 主编， 北京：清华大学出版社，2009致 谢 高频课程设计在老师无微不至的关怀与指导下，终于能划上句号，首先要感谢谢我的指导老师贾雅琼老师，她不仅在学术上予以指导，制定毕业设计课题，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雅琼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。通过此次课程设计是我更加深刻的体会了高频知识在现实生活中的广泛应用于实用价值，以后我更会坚定信念，努力的学好各门课程，完成自己的学业。再次谢谢贾雅琼老师。附录一：三极管混频器仿真电路：