高頻電子課程設(shè)計--混頻器放大電路

1、<p>　　高頻電子線路課程設(shè)計</p><p>　　課程名稱：高頻電子線路</p><p>　　設(shè)計題目：混頻器放大電路</p><p><b>　　摘要 </b></p><p>　　這次的高頻課程的設(shè)計混頻放大電路，它的任務(wù)是把變頻得到的信號加以放大，然后放到檢波器檢波?；祛l器作為超外差接收機(jī)的重要組成

2、部分，已經(jīng)在雷達(dá)、電子對抗、通信、廣播電視、遙控遙測等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其技術(shù)指標(biāo)的好壞直接影響到整機(jī)性能的發(fā)揮?；祛l是將高頻時將高頻信號經(jīng)過頻率變換，變?yōu)橐粋€固定的頻率，這種頻率變換通常是將已調(diào)高頻信號的載波從高頻變?yōu)橹蓄l，同時必須保持其調(diào)制規(guī)律不變，再通過放大器是得到的信號加以放大，具有這種功能的電路成為混頻放大電路。</p><p>　　關(guān)鍵字 混頻放大電路 超外差 高頻信號 </p>

3、<p><b>　　引言</b></p><p>　　混頻器在通信工程和無線電技術(shù)中，應(yīng)用非常廣泛，在調(diào)制系統(tǒng)中，輸入的基帶信號都要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換變成高頻已調(diào)信號。在解調(diào)過程中，接收的已調(diào)高頻信號也要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換，變成對應(yīng)的中頻信號。特別是在超外差式接收機(jī)中，混頻器應(yīng)用較為廣泛，如AM 廣播接收機(jī)將已調(diào)幅信號535KHZ-一1605KHZ要變成為465KHZ中頻信號，電視接收

4、機(jī)將已調(diào)48．5M一870M 的圖象信號要變成38MHZ的中頻圖象信號。移動通信中一次中頻和二次中頻等。在發(fā)射機(jī)中，為了提高發(fā)射頻率的穩(wěn)定度，采用多級式發(fā)射機(jī)。用一個頻率較低石英晶體振蕩器做為主振蕩器，產(chǎn)生一個頻率非常穩(wěn)定的主振蕩信號，然后經(jīng)過頻率的加、減、乘、除運算變換成射頻，所以必須使用混頻電路，又如電視差轉(zhuǎn)機(jī)收發(fā)頻道的轉(zhuǎn)換，衛(wèi)星通訊中上行、下行頻率的變換等，都必須采用混頻器。由此可見，混頻電路是應(yīng)用電子技術(shù)和無線電專業(yè)必須掌握的關(guān)

5、鍵電路。</p><p><b>　　混頻器設(shè)計指標(biāo)</b></p><p><b>　　本地振蕩 </b></p><p><b>　　高頻信號源</b></p><p><b>　　最終得到信號</b></p><p>　　混頻

6、器是頻譜線性搬移電路，能夠?qū)⑤斎氲膬陕沸盘栠M(jìn)行混頻。混頻，工程上也稱變頻，是將信號的頻率由一個數(shù)值變成另一個數(shù)值的過程，實質(zhì)上也是頻譜線性搬移過程，完成這種功能的電路就稱為混頻電路或變頻電路。</p><p>　　混頻器分為晶體管混頻器、二極管混頻器、差分對模擬乘法器等。本文通過MC1496</p><p>　　構(gòu)成的混頻器來對接收信號進(jìn)行頻率的轉(zhuǎn)換,變成需要的信號。具體原理框圖如圖1所示

7、。</p><p>　　圖1 混頻器原理框圖</p><p><b>　　二、方案分析</b></p><p>　　對于混頻電路的分析，重點應(yīng)掌握，一是混頻電路的基本組成模型及主要技術(shù)特點，二是混頻電路的基本原理及混頻跨導(dǎo)的計算方法，三是應(yīng)用電路分析。</p><p>　　混頻電路的基本組成模型及主要技術(shù)特點：<

8、/p><p>　　混頻電路的組成模型及頻譜分析</p><p><b>　　圖 2</b></p><p>　　圖2是混頻電路的組成模型，可以看出是由三部分基本單元電路組成。分別是相乘電路、本級振蕩電路和帶通濾波器(也稱選頻網(wǎng)絡(luò))。當(dāng)為接收機(jī)混頻電路時，其中Us(t)是已調(diào)高頻信號。Ul(t)是等幅的余弦型信號，而輸出則是Ui(t)為中頻信號。&l

9、t;/p><p>　　混頻電路的基本原理：</p><p><b>　　圖 3</b></p><p>　　圖3中，Us(t)為輸入信號，Uc(t)為本振信號。Ui(t)輸出信號。</p><p><b>　　分析：當(dāng)</b></p><p><b>　　則</b

10、></p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　對上式進(jìn)行三角函數(shù)的變換則有：</p><p><b>　?。?lt;/b>&l

11、t;/p><p>　　從上式可推出，Up(t)含有兩個頻率分量和為(ψc+ψS)，差為(ψC-ψS)。若選頻網(wǎng)絡(luò)是理想</p><p>　　上邊帶濾波器則輸出為．</p><p>　　若選頻網(wǎng)絡(luò)是理想下邊帶濾波器則輸出：</p><p><b>　　．</b></p><p>　　工程上對于超外差式接

12、收機(jī)而言，如廣播電視接收機(jī)則有ψc >>ψS．往往混頻器的選頻網(wǎng)絡(luò)為下邊帶濾波器，則輸出為差頻信號，為接收機(jī)的中頻信號。衡量混頻工作性能重要指標(biāo)是混頻跨導(dǎo)。規(guī)定混頻跨導(dǎo)的計算公式：混頻跨導(dǎo)g：輸出中頻電流幅度偷入信號電壓幅度。</p><p>　　該電路由正弦波振蕩器﹑高頻信號源﹑模擬乘法器以及選頻放大電路組成。正弦波振蕩器產(chǎn)生的10MHz正弦波與高頻信號源所產(chǎn)生的8MHz正弦波通過模擬乘法器進(jìn)行混頻

13、后產(chǎn)生雙邊帶調(diào)幅信號，然后通過選頻放大器選出有用的頻率分量，即頻率2MHz的信號，對其進(jìn)行放大輸出，最終輸出2MHz的正弦波信號。</p><p>　　三、單元電路的工作原理</p><p><b>　　1.本地振蕩電路</b></p><p>　　本地振蕩器是本設(shè)計電路的重要部分，同時也是超外差式接收機(jī)的主要部分。其主要作用是將直流信號變?yōu)楦?/p>

14、頻正弦信號，將產(chǎn)生的正弦高頻信號與輸入的高頻調(diào)幅信號相乘得到+、-的信號，其中為正弦信號頻率，為調(diào)幅信號頻率，通過濾波器得到中頻信號-。</p><p>　　1.1振蕩器起振條件</p><p>　　正弦波振蕩器按工作原理可分為反饋式振蕩器與負(fù)阻式振蕩器兩大類。反饋式振蕩器是在放大器電路中加入正反饋，當(dāng)正反饋足夠大時，放大器產(chǎn)生振蕩，變成振蕩器。所謂振蕩器是指這時放大器不需要外加激勵信號，

15、而是由本身的正反饋信號來代替外加激勵信號的作用。負(fù)阻式振蕩器則是將一個呈現(xiàn)負(fù)阻性的有源器件直接與諧振電路相接，產(chǎn)生振蕩。</p><p>　　圖4所示即為三點式反饋式振蕩器的原理圖。通過我們對高頻電路的學(xué)習(xí)知道，三點式振蕩器的構(gòu)成法則是：與的符號相同，與的符號則相反。凡是違反這一準(zhǔn)則的電路不能產(chǎn)生振蕩。</p><p>　　圖 4 本振電路原理圖</p><p>

16、　　三點式反饋式振蕩電路又分為電容反饋式三端振蕩電路，電感反饋式三端振蕩電路。</p><p>　　1.2石英晶振工作原理</p><p>　　我們知道由LC構(gòu)成的振蕩器，它們的日頻率穩(wěn)定度大約為～的數(shù)量級。即使采用了一系列穩(wěn)頻措施，一般也難以獲得比更高的頻率穩(wěn)定度。但是，實際情況往往需要更高的頻率穩(wěn)定度。石英晶體的物理化學(xué)性能都十分穩(wěn)定，因此它的等效諧振回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。其等效電路如圖

17、1.2所示，晶體的參數(shù)很大、很小、也不大。因此，晶體的Q値可高達(dá)數(shù)百萬數(shù)量級。又由于﹥﹥所以石英晶體工作時，在串并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi)，具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。 </p><p>　　圖5 石英晶體等效電路</p><p>　　石英晶體電路參數(shù)選擇及性能分析 </p><p><b>　　圖6 本振電路

18、圖</b></p><p><b>　　圖7交流等效電路</b></p><p>　　圖6是本次課設(shè)所使用的石英晶體振蕩電路，由圖中可以看出是石英晶體并聯(lián)型振蕩電路，在電路中石英晶振顯感性，其交流等效電路如圖7所示，由圖可知，晶體管發(fā)射極和電容C3、C4相連其阻抗性質(zhì)相同，同為容性；集電極和C3、晶振相連，而晶振又顯感性所以阻抗性質(zhì)相反；基極和C4、晶振相

19、連同理其阻抗性質(zhì)也是相反的，故此振蕩器滿足振蕩條件，其類似于考畢茲振蕩電路。振蕩頻率公式為： </p><p>　　查閱石英晶體資料得11MHZ振蕩時其等效電感，當(dāng)電容選取為50pF時其振蕩頻率為：</p><p>　　電路中其它主要器件的參數(shù)如下為基極偏置電阻，用來給給三極管確定一個合適的靜態(tài)工作點，C1

20、=1uF為基極耦合電容，L1=10mH為扼流圈，防止突變對三極管造成損害，用來限制射極電流，C2=1uF為旁路電容C5=1uF為電源和地的去耦電容。</p><p>　　由于石英晶體是本電路的核心部件，因此在選用晶振時要注意以下幾點： </p><p>　　1、石英晶體的激勵電平應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。過高的激勵功率會使石英晶體

21、內(nèi)部溫度升高，損壞石英。</p><p>　　2、在并聯(lián)晶體振蕩器中，石英晶體起等效電感作用，若作為容抗，則在石英晶片失 效時，石英振蕩器的支架電容還存在，線路仍有可能滿足振蕩條件而振蕩，石英晶體振蕩器就失了作用。</p><p>　　1.3 LC正弦波振蕩器</p><p>　　設(shè)計采用LC電容三點式反饋電路，也叫考畢茲振蕩電路。利用電容將諧振回路的一部分電壓反

22、饋到基極上，而且也是將LC諧振回路的三個端點分別與晶體管三個電極相連，所以這種電路叫電容三點式振蕩器。</p><p>　　三點式LC振蕩器的相位平衡條件是，在LC諧振回路，，與﹑性質(zhì)相反，當(dāng)﹑為電容，就是電感；當(dāng)﹑為電感，就是電容。</p><p>　　在LC三點式振蕩器電路中,如果要產(chǎn)生正弦波，必須滿足振幅平衡條件：即滿足。</p><p>　　由相位平衡條件和

23、振幅平衡條件可得：</p><p>　　選取，故選用2N2222A三極管。2N2222A是NPN型三極管，屬于低噪聲放大三極管。本電路的三極管采用分壓偏置電路，為了使三極管處于放大狀態(tài)，必須滿足：電流</p><p><b>　　電壓為：</b></p><p>　　由此可以確定R1=5.1K，R3=2.2K，R4=2K。</p>

24、<p>　　正弦波的輸出信號頻率=10MHz，電路連接如圖8所示</p><p>　　圖8 LC正弦波振蕩器</p><p>　　R1﹑R2﹑R4組成支流偏置電路，R5是集電極負(fù)載電阻，L2﹑CT﹑C﹑C4構(gòu)成并聯(lián)回路，其中R6用來改變回路的Q值，C1﹑C3為耦合電容，L1﹑C6﹑C5構(gòu)成了一個去耦電路，用來消除電路之間的相互影響。其交流通路如圖9所示。</p>

25、<p><b>　　圖9 交流通路圖</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，正弦波振蕩器輸出頻率為10MHz，故由此可以大概確定L2﹑C4﹑CT的數(shù)值，再通過仿真進(jìn)行調(diào)試最終確定其參數(shù)。電路的諧振頻率為</p><p>　　，靜態(tài)工作點為，基本符合設(shè)求。</p><p><b>　　2．模擬乘法器電路</b>

26、</p><p>　　用模擬乘法器實現(xiàn)混頻，就是在端和端分別加上兩個不同頻率的信號，相差一中頻，再經(jīng)過帶通濾波器取出中頻信號，其原理方框圖如圖6所示：</p><p>　　圖10 混頻原理框圖</p><p><b>　　若 </b></p><p><b>　　則</b></p>

27、<p>　　經(jīng)帶通濾波器后，取差頻</p><p>　　為所需要的中頻頻率。</p><p>　　由MC1496 模擬乘法器構(gòu)成的混頻器電路如圖10所示。圖中，LC正弦波振蕩器輸出的10MHz正弦波由10端（X輸入端）注入，高頻信號源輸出的10MHz正弦波由一端（Y輸入端）輸入，混頻后的中頻電壓由6端經(jīng)形帶通濾波器輸出，其中C17﹑L11﹑C11﹑C19構(gòu)成一選頻濾波回路，調(diào)節(jié)

28、可變電阻Rp能使1﹑4腳直流電位差為零，可以減小輸出信號的波形失真，使電路平衡。在2﹑3腳之間加接電阻，可擴(kuò)展輸入信號的線性范圍。</p><p>　　圖 10 MC1496構(gòu)成的混頻器 </p><p><b>　　3．選頻﹑放大電路</b></p><p>　　電路連接如圖11所示，晶體管選2SC945，R1﹑R2﹑Re組成支流偏置電路，

29、L2﹑L3﹑C2﹑R構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，其中R用來改變回路的Q值，C1為輸入耦合電容，C3 為輸出耦合電容，C7位晶體管發(fā)射極旁路電容，L1 ﹑C4﹑C5構(gòu)成了一個去耦電路，用來消除電路之間的相互影響，R1 ﹑R2 提供電路的靜態(tài)工作點。</p><p>　　其中電路的諧振頻率為</p><p><b>　　靜態(tài)工作點為 。</b></p><p&g

30、t;　　圖11 選頻﹑放大電路</p><p>　　四．電路性能指標(biāo)的測試</p><p>　　根據(jù)設(shè)計方案，應(yīng)用計算機(jī)Multisim軟件進(jìn)行了模擬仿真。用示波器觀察LC正弦波振蕩器的輸出，輸出波形如圖12所示。</p><p>　　圖 12 LC正弦波振蕩器輸出波形</p><p>　　用示波器觀察混頻器輸出信號，波形如圖13所示。&l

31、t;/p><p>　　圖13 混頻后的信號波形圖</p><p>　　用示波器觀察模擬乘法器的輸出，輸出波形如圖14所示。</p><p>　　圖14 模擬乘法器輸出波形</p><p>　　LC正弦波振蕩器的輸出頻率應(yīng)為 </p><p>　　，靜態(tài)工作點 ；選頻﹑放大電路輸出頻率應(yīng)為：</p><

32、p><b>　　靜態(tài)工作點。</b></p><p>　　通過仿真測試可得LC正弦波振蕩器的輸出頻率為10.1MHz，靜態(tài)工作點 ；選頻﹑放大電路輸出頻率為1.99MHz，靜態(tài)工作點。 </p><p>　　結(jié)論：有計算值與仿真值的比較可得,本設(shè)計基本完成了設(shè)計要求，并且由示波器可觀察到相應(yīng)的波形，仿真值基本滿足要求，說明電路各部分均正常工作。美中不足的是仿真

33、結(jié)果同理論值仍存在一定的誤差，需要進(jìn)一步改善電路的性能，使電路更加精確和抗干擾能力更強(qiáng)。</p><p><b>　　五、課程設(shè)計體會</b></p><p>　　本次課程設(shè)計的題目是混頻器的設(shè)計，主要應(yīng)用了高頻電子線路中三方面內(nèi)容，分別是電容三點式振蕩電路、模擬乘法器和選頻放大電路。通過查找資料，結(jié)合書本中所學(xué)的知識，完成了課程設(shè)計的內(nèi)容。把書中所學(xué)的理論知識和具體

34、的實踐相結(jié)合，有利于我們對課本中所學(xué)知識的理解，并加強(qiáng)了我們的動手能力。</p><p>　　在這次的課程設(shè)計過程中，我懂得了很多，課程設(shè)計不光是讓我們?nèi)ァ霸O(shè)計”，更重要的是培養(yǎng)我們的能力！我們在書本中的知識我們所運用知識的基礎(chǔ)，實際操作中我們會遇到很多問題，這是課本中我們不會見到的情況，所以我們要充分利用每次的實踐，在實際操作中發(fā)現(xiàn)問題與不足，學(xué)以致用才是我們的最終目的。通過本次課程設(shè)計使我對高頻電子線路又有了

35、進(jìn)一步的了解，增加了對所學(xué)知識的應(yīng)用。</p><p>　　本次課程設(shè)計教會我查閱書籍的重要性，通過翻閱書籍我找到了與我課設(shè)題目有關(guān)的內(nèi)容，順利進(jìn)行了課程設(shè)計，我希望通過更多這樣有價值的課設(shè)來充實自己。雖然課設(shè)中有很多困難，但經(jīng)過指導(dǎo)老師的幫助和我的努力都一一克服了，增強(qiáng)了自信心。</p><p><b>　　元器件清單</b></p><p>

36、;<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 宋樹祥，周冬梅.高頻電子線路.[M]北京大學(xué)出版社，2007年2月</p><p>　　[2] 陳邦媛.射頻通信電子線路學(xué)習(xí)指導(dǎo).[M]科學(xué)出版社，2007年6月 </p><p>　　[3] 吳慎山.高頻電子線路.[M]電子工業(yè)出版社，2007年1月</p><p

37、>　　[4] 謝沅清.通信電子線路.[M]電子工業(yè)出版社，2007年7月</p><p>　　[5] 曾興雯.高頻電子線路.[M]高等教育出版社，2004年1月</p><p>　　[6] 楊翠娥.高頻實驗與課程設(shè)計.[M]哈爾濱工程大學(xué)出版社，2005年1月</p><p>　　[7] 于洪珍.通信電子線路.[M]清華大學(xué)出版社，2006年1月</p&