混频器电路的设计.doc

1、任务书设计目的通过设计三极管混频器电路输出中频频率设计要求1原理分析及电路图设计2用相关仿真软件画出电路并对电路进行分析与测试(1)输入信号频率f0=10MHz，本振信号频率f1=16.455MHz左右，中频频率f2=6.455MHz(2)电源电压Vcc=12V；(3)混频器工作点连续可调；(4)混频输出波形目测无失真。摘 要混频，又称变频，也是一种频谱的线性搬移过程，它是使信号自某一个频率变换成另一个频率。完成这种功能的电路称为混频器。混频技术的应用十分广泛。混频器是超外差式收音机中的关键部件。直放式接收机高频小信号检波，工作频率变化范围大时，工作频率对高频通道的影响比较大，灵敏度较低。采用

2、超外差技术后，将接收信号混频到一固定中频，放大量基本不受接收频率的影响，这样，频段内信号的放大一致性好，灵敏度可以做得很高，选择性也较好。因为放大功能主要在中放，可以用良好的滤波电路。采用超外差接收后，调整方便，放大量、选择性主要由中频部分决定，且中频较高频信号的频率低，性能指标容易得到满足。混频器在一些发射设备中也是必不可少的。在频分多址信号的合成、微波接力通信、卫星通信等系统中也有其重要的地位。此外，混频器也是许多电子设备、测量仪器的重要组成部分。关键字：信号；频率；混频器目 录摘 要2第一章 系统分析41.1 设计任务41.2 工作原理及系统框图4第二章 软件介绍52.1 Multisi

3、m 10简介52.2 Multisim 10特点5第三章 硬件电路图及原理分析63.1 总电路图63.2 本地振荡回路73.2.1 振荡起振条件73.2.2 电路参数选择及原理分析83.3 变频电路93.3.1 混频原理93.3.2 电路参数选择及性能分析113.4中频滤波电路12第四章 仿真及结果14第五章 结论17参考文献18第一章 系统分析1.1 设计任务 设计一混频电路要求输入信号为10MHz，本振信号为16.455MHz左右，中频频率为6.455MHz。1.2 工作原理及系统框图 一个实际应用中调幅收音机的混频器电路的主要功能是使信号自某一个频率变换成另外一个频率，实际上是一种频谱线

4、性搬移电路。它能将高频载波信号或已调波信号进行频率 将其变换为某一特定固定频率的信号。而变换后的信号，它的频谱内部结构和调制类型保持不变，改变的仅仅是信号的载波频率。混频电路的类型较多，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，其工作原理图如图所示 系统原理图从图中可以看出混频电路主要有三大部分组成：本地振荡器、晶体管变频器电路和中频滤网络，各个部分独立工作。本地振荡器产生稳定的振荡信号（设其频率为）通过晶体管混频电路和输入的高频调幅波信号（设其频率为），由于晶体管的非线性特性，两个信号混合后会产生+、-频率的信号，然后通过中频滤波网络，取

5、出-频率的信号，调节好、的大小使其差为中频频率，即所需要的中频信号6.455MHZ。第二章 软件介绍2.1 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

6、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与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。与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

7、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 硬件电路图及原理分析3.1 总电路图 3.2 本地振荡回路 本地振荡器是本设计电路的重要部分，同时也是超外差式接收机的主要部分。其主要作用是将直流信号变为高频正弦信号，将产生的正弦高频信号与输入的高频调幅信号相乘得到+、-的信号，其中为正弦信号频率，为调幅信号频率，通过中频滤波器得到中频信号-。即本地振荡器主要是产生一个和调幅信号相乘的高频信号，通过信号相乘以得到新的

8、频率，若振荡器不能够稳定工作，就会使产生的中频信号不稳，为此我们必须保证振荡器的稳定性，故这里采用高稳定度的石英晶体振荡器。3.2.1 振荡起振条件 正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。所谓振荡器是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。本设计中用的是反馈式振荡器，图2.1所示即为LC三点式反馈式振荡器的原理图。通过我们对高频电路的学习知道，三点式振荡器的构成法则是：与的符

9、号相同，与的符号则相反。凡是违反这一准则的电路不能产生振荡。 3.2.2 电路参数选择及原理分析本振电路图交流等效电路 图为是本次课设所使用的LC振荡电路，由图中可以看出是并LC振荡电路，其交流等效电路如图2.3所示，由图可知，晶体管发射极和电容C4、C5相连其阻抗性质相同，同为容性；集电极和C3、C4相连；基极和C5、L1相连同理其阻抗性质也是相反的，故此振荡器满足振荡条件，其类似于考毕兹振荡电路。振荡频率公式为： Ct=1/(1/C3+1/C4+1/C5) 可通过共识计算可得其振荡频率为： =16.455MHZ 电路中其它主要器件的参数如下R1=12K,R2=2K为基极偏置电阻，用来给给三

10、极管确定一个合适的静态工作点，C1=300pF为基极耦合电容，L1=1uH为扼流圈，防止突变对三极管造成损害，用来限制射极电流，C2=1uF为旁路电容C5=1uF为电源和地的去耦电容。3.3 变频电路变频电路是混频器的核心部件。变频电路本质上说是实现频谱搬移的电路，是一个六端网络。它有两个输入电压，输入信号和本地振荡信号，其工作频率分别为和；输出信号为，称为中频信号，其频率是，=。由此可见，变频器在频域上起着（加）减法器的作用。变频电路有多种形式，如二级管式、模拟乘法器式和三极管式。本电路采用的是应用最广泛的晶体三极管式变频电路。3.3.1 混频原理混频原理图上图即为混频电路原理图，下面对其进

11、行一个简要的分析：设为输入高频调幅波信号，亦为本地振荡器产生的高频振荡信号且 ，时变偏置电压，由此可得集电极电流为 经集电极谐振回路滤波后，得到中频电流 式中=称为变频跨导。 从以上分析结果可以看出：只有时变跨导的基波分量才能产生中频分量，而其它分量会产生本振谐波与信号的组合频率。变频跨导是变频器的重要参数，它不仅直接决定着变频增益，还影响到变频器的噪声系数。变频跨导=，只与晶体管特性、直流工作点及本振电压有关，与无关，故变频跨导亦有上述性质。基于此原理设计的变频电路如下图所示。 变频电路3.3.2 电路参数选择及性能分析由以上分析知在设计电路时须注意变频跨导与本振电压和偏置电压的关系线。只有

12、把握好这一关系，设计出来的电路才能满足我们的设计要求。本文混频电路所采用的晶体三极管是2N3904，根据其变频跨导与本振电压和偏置电压的关系曲线设计电路如图所示。 图中V2为16.455MHZ的本振信号，V1为10MHZ的调幅输入信号现对其参数做一简单推导， 设 则二式相乘得 经过中频滤波后为 此信号的载波频率为 =6.455MHZ，即我们所需要的中频信号，其实际输出波形的频率为66.8MHZ的信号，振幅为0.835V左右，与理论值8.12mV不符，这主要是因为中频滤波网络的放大以及变压器的升压作用的结果。电路中其它一些重要的参数如下：电路图中AM用来代表接收到的调幅波，V2代表前面本振电路产

13、生的振荡信号，C8=10pF,C9=2.2pF为输入信号耦合电容，、为基极偏置电阻，为射极限流电阻，C5=1500pF为旁路电容。 另外在实际应用中变频器是存在干扰的，如果没有采取有效地措施来抑制干扰，它会给从电路带来大量谐波信号严重时会使整个电路无法工作，因此应注意以下几个问题： 正确选择中频数值。当输出频率确定后，在一个频段内的干扰点就确定了，合理的选择中频频率，可大大减少组合频率干扰的点数，并将阶数较低的干扰排除掉。 正确选择变频器的工作状态，减少组合频率分量。应使的谐波分量尽可能的减少，使电路接近乘法器。 采用合理的电路形式。如平衡电路、环形电路、乘法器等，从电路上抵消一些组合分量。

14、3.4中频滤波电路 在变频器的输出端不仅会输出我们需要的中频信号，同时也会输出一些我们不需要的信号，如频率为+的高频信号，另外也会出现一由于本振信号的失真以及电路的非线性引起的谐波信号，只有滤除这些信号才能得到我们想要的中频信号，因此需要在变频器的输出端加一中频滤波网络，另外中频滤波网络还能够对变频器输出的信号进行放大，以便于后续处理。 中频滤波电路在本设计中采用的是最简单的LC滤波电路如图所示： 中频滤波电路滤波频率为： 其中C6、C10的总电容通过的值将其转化为变压器低绕做端后其大小为 而总电容C为 在计算的过程中知C4和相比，C4几乎可以忽略掉，所以谐振频率大小的调节主要是依靠，而C4只

15、是起到微调作用。进一步查变压器的资料知，其自感为，由此可以计算得其谐振频率为： =6.455MHZ 非常接近所要求的5MHZ，可以认为已经达到设计要求，再考虑到器件的误差以及外界干扰，本电路已能达到设计要求。Q值也是选频网络的一个重要参数，该网络的Q值为：其中为变压器的内阻，其大小约为。Q值的大小一方面决定选频性能的好坏，另一方面也决定着选频网络的放大倍数。 第四章 仿真及结果本振信号： 本振信号波形本振信号频率输入信号：输入信号波形输入信号频率输出信号： 输出信号波形 输出信号频率第五章 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

16、，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,然后做出实际电路。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。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。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

17、高级编辑技巧。在搭设实际电路的过程中，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。一个星期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，它将很好地衔接理论与实际的工作实践。 参考文献1 曾兴文、刘乃安、陈

18、健高频电子线路北京：高等教育出版社，20072 张肃文等高频电子线路（第四版）北京：高等教育出版社，20043 聂典等Multisim 10计算机仿真北京：电子工业出版社，20104 张肃文. 高频电子线路. 湖南：高等教育出版社 ，20055 康华光. 电子技术基础（模拟部分第五版）.湖南：高等教育出版社，20076 聂典. Multisim9计算机仿真. 陕西：电子工业出版社，20047 于洪珍. 通信电子线路. 北京：清华大学出版社，20058 曹才开，姚屏. 高频电子线路原理与实践. 长沙：中南大学出版社，2010答辩记录及评分表 课题名称答辩教师（职称） 答辩时间 学年第 学期 第 周答辩记录 评 分 表学生姓名学号评分18