高頻課程設(shè)計--環(huán)形混頻器的設(shè)計

1、<p><b>　　高頻電子線路</b></p><p><b>　　課程設(shè)計</b></p><p>　　題 目： 環(huán)形混頻器的設(shè)計 </p><p>　　院（系、部）： 機電工程學(xué)院 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名：

2、 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　混頻，又稱變頻，也是一種頻譜的線性搬移過程，它是是信號自某一個頻率變換成另一個頻率

3、。完成這種功能的電路成為混頻器?；祛l技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛?；祛l器是超外差式收音機中的關(guān)鍵部件。直放式接收機高頻小信號檢波，工作頻率變化范圍大時，工作頻率對高頻通道的影響比較大，靈敏度較低。采用超外差技術(shù)后，將接受信號混頻到一固定中頻，放大量基本不受接受頻率的影響，這樣。頻段內(nèi)信號的放大一致性好，靈敏度可以做的很高，選擇性也比較好。因為放大功能主要放在中放，可以用良好的濾波電路。采用超外差接收后，調(diào)整方便，放大量、選擇性主要由中頻部分決定，

4、且中頻較高頻信號的頻率低，性能指標容易得到滿足?；祛l器在一些發(fā)射設(shè)備中也是必不可少的。在頻分多址信號的合成、微波接力通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中也有其重要的地位。此外，混頻器也是許多電子設(shè)備、測量儀器的重要組成部分。理論上所有中頻是直流耦合的混頻器均可作為鑒相器使用。將兩個頻率相同，幅度一致的射頻信號加到混頻器的本振和射頻端口，中頻端將輸出隨兩信號相差而變的直流電壓。當兩信號是正弦時，鑒相輸出隨相差變化為正弦，當兩輸入信號是方波時，鑒相輸出則

5、為三角波。使用功率推薦在標準本振功率附</p><p>　　關(guān)鍵詞：信號；頻率；混頻器</p><p><b>　　1 設(shè)計任務(wù)及要求</b></p><p>　　1.1 設(shè)計任務(wù)及技術(shù)指標</p><p>　　本學(xué)期我們學(xué)習(xí)了《高頻電子線路》這一門課程，為了更好地掌握所學(xué)習(xí)的知識，特做此課程設(shè)計以加以鞏固，同時學(xué)習(xí)并加

6、深Multisim軟件的使用。</p><p>　　本次設(shè)計是混頻器的設(shè)計，我們要好好掌握其設(shè)計原理?；祛l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中，混頻器應(yīng)用較為廣泛，如AM 廣播接收機將已調(diào)幅信號535KHZ一1605KHZ要變成為465KHZ中頻信號

7、，電視接收機將已調(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)射機中，為了提高發(fā)射頻率的穩(wěn)定度，采用多級式發(fā)射機。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

8、須掌握的關(guān)鍵電路。</p><p><b>　　1.2設(shè)計要求</b></p><p>　　1、設(shè)計二極管環(huán)形混頻器、本地振蕩器電路。</p><p>　　2、在Multisim仿真軟件上繪制電路圖，并進行仿真得到預(yù)期結(jié)果。</p><p>　　3、繪制PCB電路圖，為做出實物做出準備。</p><p

9、><b>　　2 方案論證</b></p><p><b>　　2.1二極管混頻器</b></p><p>　　二極管環(huán)形混頻器各端口有良好的隔離性，而且有組合頻率少、動態(tài)范圍大、噪聲小、本振電壓無反向輻射等優(yōu)點。其主要缺點是混頻增益小于1，且隨著工作頻率提高而下降。相比于二極管平衡混頻器可以進一步抑制一些非線性產(chǎn)物。而且二極管環(huán)形混頻器具

10、有電路簡單易實現(xiàn)等優(yōu)點。因此我們選擇二極管混頻器為我們的混頻單元。</p><p>　　2.2本地振蕩器（石英晶體振蕩器）</p><p>　　晶體管的內(nèi)部工作原理石英晶體具有壓電效應(yīng)。當對它施加機械應(yīng)力時會產(chǎn)生電荷；加電壓時會發(fā)生振動，稱此為壓電效應(yīng)。給石英設(shè)置電極加電壓時所得到的電學(xué)的固有振動不怎么受所加電壓或環(huán)境溫度的影響。因此，如果把石英振子用于振蕩電路，將會得到頻率非常穩(wěn)定的振蕩

11、輸出。</p><p>　　石英晶體作為振蕩回路元件能使振蕩器的頻率穩(wěn)定度大大提高的原因在于：</p><p>　　1) 石英晶體的物理和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定，因此，它的等效諧振回路有很高的標準性；</p><p>　　2) 它具有正、反壓電效應(yīng)，而且在諧振頻率附近，晶體的等效參數(shù)Lq很大、Cq很小、Rq也不高。因此，晶體的Q值可高達數(shù)百萬數(shù)量級；</p>

12、<p>　　3) 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償能力。</p><p>　　石英晶體振蕩器與其它LC振蕩器相比具有更穩(wěn)定的震蕩頻率，為了得到穩(wěn)定的頻率輸出因而我們選擇使用晶體振蕩器作為本地震蕩單元。</p><p><b>　　3 單元電路設(shè)計</b></p><p&

13、gt;<b>　　3.1混頻器的設(shè)計</b></p><p>　　3.1.1混頻器原理：</p><p>　　當器件的伏安特性是非線性時，能實現(xiàn)混頻。當忽略三次方以上的各項時，非線性器件的輸出電流與輸入電壓之間的關(guān)系可以表示為，式中、、分別為各項的系數(shù)。若，代入上式并利用三角公式進行變換，則得到：。其中就是所需的頻率分量，即中頻。只要在輸出端接上諧振頻率為中頻的諧振回

14、路，就能濾除不需要的頻率分量，選出中頻電壓。</p><p>　　可見，當兩個不同頻率的高頻電壓作用于非線性器件時，將產(chǎn)生直流、二次諧波、和頻。</p><p>　　二極管環(huán)形混頻器工作原理：</p><p>　　混頻器就是對某信號進行頻率交換，將其載頻變換到某一固定的頻率上，而保持原信號的調(diào)制規(guī)律不變?；祛l是一種頻譜搬移電路，混頻前后，信號的頻譜結(jié)構(gòu)并不發(fā)生變化。

15、當兩個不同頻率的正弦電壓，同時作用在一個非線性元件上時，就會在它的輸出電流中，產(chǎn)生許多組合頻率分量，選用合適的濾波器選出所需的頻率分量，此時就完成了混頻。</p><p>　　3.1.2二極管環(huán)形混頻器電路分析</p><p>　　在本振電壓的正半周，二極管D1與D3導(dǎo)通，D2與D4截止。此時，混頻器相當于一個二極管反向型平衡混頻器，如圖３．１.</p><p>　

16、　在輸出變壓器T2初級產(chǎn)生的電流為：</p><p>　　在本振電壓的負半周，二極管D2與D4導(dǎo)通，D1與D3截止。此時，混頻器也相當于一個二極管平衡混頻器如圖３．２。</p><p>　　這時輸出變壓器T2初級產(chǎn)生的電流為：</p><p>　　式中，是相應(yīng)于圖2中本振電壓極性的開關(guān)函數(shù)，它的區(qū)別僅在于二者在開關(guān)時間上相差半個震蕩電壓周期。</p>

17、<p>　　環(huán)形混頻器輸出電流，由以上推導(dǎo)得：</p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　因此：;</b></p><p>　　令代入上試，可見，輸出電流中即有差頻，經(jīng)過檢波則可得到我們所需要的中頻

18、：。</p><p>　　3.1.3實驗結(jié)果：</p><p>　　有計算值與仿真值的比較可得輸出波形包含射頻信號和本振信號的差頻、和頻等混頻結(jié)果，基本完成了設(shè)計要求， 仿真值基本滿足要求，說明電路各部分均正常工作。美中不足的是仿真結(jié)果同理論值仍存在一定的誤差，需要進一步改善電路的性能，使電路更加精確和抗干擾能力更強。</p><p>　　3.2本地震蕩器的設(shè)計&l

19、t;/p><p>　　3.2.1晶體振蕩器原理</p><p>　　并聯(lián)諧振型晶體振蕩器原理與一般反饋式LC振蕩器相同，只是把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的震蕩回路之中，作為一個感性元件，并與其它回路元件一起按照三端電路的基本準則組成三端振蕩器。</p><p>　　根據(jù)這個理論可以構(gòu)成三種類型的基本電路。本設(shè)計中我們使用c-b型并聯(lián)晶體振蕩器，其電路圖如下：</p>

20、<p>　　3.2.2元器件參數(shù)的計算</p><p><b>　　A、直流參數(shù)的計算</b></p><p>　　正確的靜態(tài)工作點是振蕩器能夠正常工作的關(guān)鍵因素，靜態(tài)工作點主要影響晶體管的工作狀態(tài)，若靜態(tài)工作點的設(shè)置不當則晶體管無法進行正常的放大，振蕩器在沒有對反饋信號進行放大時是無法工作的。振蕩器主電路的靜態(tài)工作點主要由R1、R2、R4決定。</

21、p><p>　　將電感短路，電容斷路，得到其直流通路，如下圖所示：</p><p>　　高頻振蕩器的工作點要合適，若偏低、偏高都會使振蕩波形產(chǎn)生嚴重失真，甚至停振。實際中取=0.5~5mA之間，若取=2mA，，則有：</p><p>　　為提高電路的穩(wěn)定性，Re值可適當增大，取Re=1，則Rc=2，則有： 若取流過的電流為10，則=10=0.33mA，則?。?lt;/

22、p><p>　　實際電路中，可用10與50電位器串聯(lián)，Rb2可以取6.2，以便工作點的調(diào)整。</p><p><b>　　B、交流參數(shù)的確定</b></p><p>　　對于振蕩器，當電路接為并聯(lián)型振蕩器時，晶體起到等效電感的作用，輸出頻率應(yīng)為2.5MHZ，則由f0=1/2π知C3=30p、C4=30p、C6=30p。與C4并聯(lián)一30pF可調(diào)電容，

23、用于對頻率進行調(diào)整。為了提高振蕩器的工作性能和穩(wěn)定度，在電路中還應(yīng)有高頻扼流圈，一般取扼流圈L1=100uH。 </p><p><b>　　C、實驗結(jié)果：</b></p><p><b>　　起振過程

24、：</b></p><p>　　4 電路原理圖及PCB版圖</p><p><b>　　4.1環(huán)形混頻器</b></p><p><b>　　4.2振蕩器</b></p><p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>　　通過設(shè)計晶體

25、振蕩器電路，使我的動手能力和經(jīng)驗有了一定程度的提高。我更好地了解了石英晶體的結(jié)構(gòu)和特性。 剛拿到設(shè)計題目時一頭霧水，不知道該怎樣去實現(xiàn)設(shè)計的要求。于是便拿起教材與實驗手冊，對知識系統(tǒng)而全面進行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請教，終于熟練掌握了基本理論知識，而且領(lǐng)悟諸多平時學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識，學(xué)會了如何思考的思維方式，對設(shè)計有了初步的思路。有了方案還不夠，還要去論證其可行性，前四天都是在網(wǎng)上和圖書館中查資料，論證電

26、路的可行性。在這方面我們進行了深刻的探討，加深了我們對其更好的理解和認識。由于知識水平有限，這次設(shè)計存在很多不完善之處，同時也深刻地意識到自己在設(shè)計方面能力的欠缺，以往都是只學(xué)習(xí)原理，對設(shè)計方面的知識了解不多，而我們這專業(yè)要求最重要的就是實踐能力。以后我要多看專業(yè)書，多做些實際電路以加強這方面的鍛煉。總之，通過這次設(shè)計電路，我收獲挺大。感謝老師的辛勤教導(dǎo)，以后我會加倍努力。</p><p><b>　　

27、參考文獻：</b></p><p>　　[1]張肅文.高頻電子線路.北京：高等教育出版社，2004.11（2006 重?。?lt;/p><p>　　[2]康光華.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.第五版.華中科技大學(xué)出版社.2005.7</p><p>　　[3]曹開才.《電路分析基礎(chǔ)》.第四版.北京.清華大學(xué)出版社.2009</p><p>　

28、　[4]曾興雯，高頻電路原理與分析.西安電子科技大學(xué)出版社，2004.01</p><p>　　[5]吉雷,Protel 99從入門到精通.西安電子科技大學(xué)出版社,2000.10</p><p><b>　　附錄：</b></p><p><b>　　混頻器：</b></p><p><b&g