混频器设计论文

混频器设计 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 课程设计说明书 学生姓名: 陈学立 学 号: 1205094347 学生姓名: 丁超 学 号: 1205094237 学 院: 信息与通信工程学院 专 业: 信息对抗技术专业 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目: 电子系统课程设计 变频式射频密码锁控制软件 子题目3:构建一个混频电路，要求工作带宽大于30M 指 导 教 师: 张丕状 王鉴 姚金杰 2015 年 7 月 3 日 I 课程设计任务书 2014/2015 学年第 二 学期 学 院: 信息与通信工程学院 专 业: 信息对抗技术专业 学 号: 1205094347 学生姓名: 陈学立 学生姓名: 丁超 学 号: 1205094237 题 目: 电子系统课程设计 变频式射频密码锁控制软件 子题目3:构建一个混频电路，要求工作带宽大于30M 起 迄 日 期: 2015年6月8 日,2015年7月3日 课程设计地点: 信息对抗技术专业综合实验室 指 导 教 师: 张丕状 王鉴 姚金杰 学科部主任: 张丕状 下达任务书日期: 2015 年6 月 8日 II 课 程 设 计 任 务 书 1(设计目的: (1)通过本课程设计的学习，学生将复习所学的专业知识，使课堂学习的理论知识应用 于实践，通过本课程设计的实践使学生具有一定的实践操作能力; (2)熟练使用示波器、信号源、万用表、频谱分析仪等仪器设备; (3)通过电子信息系统设计的课程设计，掌握设计信息处理系统的思维 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 和基本开发 过程。 2(设计内容和要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等): (1)熟悉Multisim、Protel DXP软件的使用 a、熟悉Multisim的运行环境; b、掌握在Multisim平台上完成电路原理图的仿真; c、熟悉Protel DXP的运行环境; d、掌握在Protel DXP平台上完成电路原理图的绘制、pcb制版; e、根据所选题目的需要，会正确设计电路，最终优化电路。 (2)实践设计要求: a、根据所选题目，设计相应的电路; b、根据设计的电路，完成电路仿真，根据仿真结果优化电路; c、根据设计电路完成PCB制版，最终完成电路的研制。 (3)参考题目 题目1 变频式射频密码锁控制软件 基本要求与目的: , 掌握压控振荡器原理、PLL原理和时钟调节的方法，掌握外围电路和接口了解可 编程的概念 , 增益带宽积、环路增益、稳定性原理、相频特性、幅频特性、阻抗匹配等含义， 了解电流反馈运算放大器的特点 , 调制解调的方式和调制解调电路、性能 , 了解分布参数、地线布局电路性能的影响方式，掌握原理图和PCB的设计技巧 III 课 程 设 计 任 务 书 和能力 , 了解单片机特性，掌握单片机选择和系统外围电路及其接口电路设计 , 进一步了解软件无线电的概念 , 学习计算机仿真技术，掌握示波器、信号源等常规仪器使用方法 , 进一步学习资料查阅能力和PPT制作能力 子题目1:研制宽带双路放大器，要求带宽>30M，增益40dB，输入阻抗和输出阻 抗为75欧(3人)。 子题目2:构建一单片机控制系统，要求具有不少于4个按键，产生一个具有低相 位抖动时钟信号，频率在10-100M可调。(2人+2人)。 子题目3:构建一个混频电路，工作带宽分别>30M(2人)。 子题目4:设计调制、解调电路模块(3人)。 题目2 基于TDOA技术的被动声定位系统设计 基本要求与目的: , 了解被动声定位的基本原理; , 了解TDOA算法; , 了解前置放大器和AGC的工作原理; , 掌握有源滤波电路设计的基本工作原理; , 掌握定位精度与AD之间的关系; , 了解单片机特性，掌握单片机选择和系统外围电路及其接口电路设计 , 学习掌握前置放大电路、AGC放大电路、滤波电路、数据采集存储电路; , 培养资料查阅能力和团队合作精神和组织能力 子题目1:设计一个前置放大电路，前置放大倍数20dB(3人合作完成)。 子题目2:设计一个AGC电路，要求增益控制范围40dB，输出最大增益60dB。(3 人合作完成) 子题目3:设计一个有源低通滤波电路，要求倍频程衰减24dB，截止频率30kHz。 (3人合作完成) 子题目4:设计一个单通道信号采集存储电路，采样位数不低于12位，采样率 100KSPS,存储深度512KB(4人合作完成) IV 课 程 设 计 任 务 书 3(设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、 实物样品等〕: (1) 要求设计组的每个成员都要了解整个的大题设计要求和思路; (2) 子题目小组的同学各完成一份设计说明书，突出各自的工作内容; (3) 要求有正确的仿真结果及结果分析; (4) 要有正确的测试结果(示波器、频谱分析仪调试波形)。 4(主要参考文献: 见提供的附件资料 5(设计成果形式及要求: 每个子题目小组提供详细的设计说明书一份 电路板实物，电路板上印制上所有小组成员完整的学号(1205094XXX)和姓名 V 课 程 设 计 任 务 书 6(工作计划及进度: 2015年06月08日 ~ 2015年06月14日: 学习软件的使用，电路原理，完成电路的设计; 2015年06月15日 ~ 2015年06月19日: 完成电路的仿真，原理图绘制与制版; 2015年 06月20日 ~ 2015年06月28日: 完成电路的实物制作(制版、焊接、调试); 2015年 06月29日 ~ 2015年07月02日: 撰写课程设计说明书; 2015年7月03日: 提交实物，答辩 学科部主任审查意见: 签字: 年 月 日 VI 目 录 一、引言 ............................................................................................................................... 9 1.1 研究目的与意义 .................................................................................................... 9 1.2 研究背景 .............................................................................................................. 10 1.3国内外研究现状 ....................................................................................................11 1.3.1国外研究动态 .............................................................................................11 1.3.2国内研究动态 ............................................................................................ 12 1.4研究方法 ............................................................................................................... 13 1.5设计流程 ............................................................................................................... 14 1.5.1 multisim仿真 ............................................................................................. 14 1.5.2 Altium Designer绘制PCB板 ................................................................... 14 1.5.3 腐蚀电路板 ............................................................................................... 14 1.5.4 焊接电路 ................................................................................................... 14 1.5.6 测试及修改电路 ....................................................................................... 15 二、混频器理论基础 ......................................................................................................... 15 2.1混频器理论基础 ................................................................................................... 15 2.1.1 二极管环形混频器原理及基本组成 ..................................................... 15 16 2.1.2模拟乘法混频电路的基本组成模型及主要技术特点 .......................... 2.2带通滤波器的设计 ............................................................................................... 17 2.2.1有源带通滤波器原理 ................................................................................ 17 2.2.2无源带通滤波器的设计 .......................................................................... 18 三、multisim设计及仿真 .................................................................................................. 21 3.1 二极管环形混频器设计 ...................................................................................... 21 3.2模拟乘法器混频电路: ...................................................................................... 23 3.3带通滤波器电路的设计及仿真 ........................................................................... 25 3.3.1 RLC串联滤波器........................................................................................ 25 3.3.2 有源带通滤波器 ....................................................................................... 25 3.3.3软件设计带通滤波器 ................................................................................ 26 3.4 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 选择 .............................................................................................................. 28 3.4.1 AD831芯片管脚 ........................................................................................ 29 3.4.2 AD831芯片内部原理图 ............................................................................ 30 3.4.2 AD831双电源低功耗供电模式 ................................................................ 32 四、 Altium Designer绘制PCB板 .................................................................................. 32 4.1.1 二极管环形混频器的原理图设计 ........................................................... 32 4.1.2 二极管环形混频器的PCB设计 ............................................................ 33 4.2 AD831模拟乘法器芯片实现混频电路 ............................................................... 33 4.2.1原理图及芯片封装的绘制 ...................................................................... 33 4.2.2 AD831混频器原理图绘制及说明 ............................................................ 36 4.2.3 AD831混频器PCB绘制及说明 .............................................................. 37 4 腐蚀电路板 ..................................................................................................................... 38 4.2电路板腐蚀效果图及注意事项 .......................................................................... 39 VII 六、电路焊接 VIII 一、引言 在当今社会，安全防盗已成为社会问题，而锁自古以来就是防盗的重要工具，目前国内大部分人使用的还是传统的机械锁，然而，眼下假冒伪劣的机械锁互开率非常之高，此外，即使是一把质量过关的机械锁，通过急开锁，甚至可以在不损坏锁的前提下将锁打开。机械锁的这些弊端为一种新型的锁——电子密码锁，提供了很大的发展空间。 从目前的技术水平和市场认可程度看，使用最为广泛的是键盘式电子密码锁，该产品主要应用于保险箱、保险柜和取款机，由于人们对安全的重视和科技的发展，许多电子智能锁(指纹识别、IC卡辨认)已在国内外相继面世。但是这些产品的特点是针对特定的指纹和有效卡，只能适用于保密要求的箱、柜、门等。而且指纹识识别器在公共场所使用存在容易机械损坏，IC卡还存在容易丢失、损坏等缺点，再加上其成本较高，一定程度上限制了这类产品的普及和推广。鉴于目前的技术水平与市场的接受程度，键盘式电子密码锁是这类电子防盗产品的主流。在科学技术不断发展的今天，电子密码防盗锁作为防盗卫士的作用也日趋重要。电子密码锁是集计算机技术、电子技术、数字密码技术为一体的机电一体化高科技产品，具有安全性高，使用方便等优点。 电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。其性能和安全性已大大超过了机械锁。 1.1 研究目的与意义 本次课程设计我们分不同小组实现射频式电子密码锁的不同模块。第一组:研制宽带双路放大器，带宽>30M，增益40dB，输入阻抗和输出阻抗为75欧。第二组:构建一单片机控制系统，要求具有不少于4个按键，产生一个具有低相位抖动时钟信号，频率在10-100M可调。第三组:构建一个混频电路，工作带宽分别>30M。第四组:设计调制、解调电路模块。各个小组协同工作，共同完成射频电子密码锁的设计。 9 我们组设计的是混频器模块，顾名思义，混频器是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。具有这种功能的电路称为混频器(或混频器)。 一般用混频器产生中频信号: 混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2 。其中α为信号频率量，β为本振频率量，产生和差频。当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。 在射频电子密码锁中，我们的混频器模块承接第二组的信号发生器，对其输出的调制信号进行混频，输出到中频放大器，用于信号解调。 1.2 研究背景 混频器是微波集成器件中必不可少的部件，在微波通信、雷达、遥控、遥感、侦查与电子对抗系统、以及微波测量系统中，将微波信号用混频器降到中低频进行处理。经过混频后得到的中频信号比原始信号高，那么此种混频方式叫做上变频。由于变频获得的中频频率较高，所以对接收机中中频放大、滤波、解调都提出了更高要求，使整个接收机成本较高。上变频可获得极高的抗镜像干扰能力，且可获得整个频段内非常平坦的频率响应。综合以上因素，使这种变频方式通常只有军用等特殊场合(如军用电台)得到广泛应用，但在民用级产品中极少见到。 图一:上变频原理示意 10 在超外差式接收机中，如果经过混频后得到的中频信号比原始信号低，那么此种混频方式叫做下变频。由于下变频方式的电路简单，成本较低，所以被广泛应用于民用设备和对性能要求不高的军用设备中。下变频的目的是为了降低信号的载波频率或是直接去除载波频率得到基带信号。下变频方式最大的缺点是对镜像干扰的抑制能力较差。 图二:下变频原理示意 1.3国内外研究现状 接收机的关键部件之一是晶体检波器或二极管混频器，edwin armstrong首次采用真空管作为混频器，将入射的频率变为中频，再经过很好的选择性信号放大或检波。二战期间，伴随着雷达的发展，微波混频器有了进一步的发展，直到上世纪50年代末，系统噪声系数才可以达到7dB。从微波到毫米波频率范围内，接收机灵敏度和动态范围在很大程度上仍然要靠混频器。 目前，国内外许多科研工作者对混频器的理论分析和工程应用都做了大量的 研究，研制了各种结构和形式的混频器.而且其中很多取得了不错的指标。国外 的研究起步早.工艺也较为先进.射频微波混频器主要为MMIC电路.性能也较 为优良。 1.3.1国外研究动态 1994年，Jcan-M arc Mourant等人，设计了6-I8GHz超宽带镜像抑制混频器. 其中的无源器件是根据当时最新的研究资料.采用平面小型化结构.LO和RF工 作频段为6-18GHz.中频频段为400-750MHz.变频损耗小于9dB. 11 1995年Hwann-Kaco等人采用缺陷地非对称共面波导到共面带线过渡结构. 设计了超宽带巴伦，工作频率可到50GHz.其回波损耗大于16dB:采用硅肖特基 二极管，设计了工作频率可以达到40GHz的双平衡混频器.本振LO到中频IF端 口的隔离度大于30dB.本振LO到射频RF端口的隔离度大于30dB.变频损耗小 于11dB。 1998年 Shau-Gang Mao等人采用共面波导(CPW)到共面带线(CPS)过度 巴伦结构，同时采用了CPS高通滤波器和低通滤波结构.井且论文中提出了等效 电路模型。变频损耗小于10dB. LO-IF的隔离度大于30dB. LO-RF的隔离度大于 20dB.本振LO工作频带为10GHz-35GHz，中频工作频带为0.1-5GHZ. 2009年Young-Gun Kim等人.采用微带到共面带线(CPS)过渡巴伦结构. 设计了可以从DC到40GHz的超宽带巴伦。他们采用此结构设计了超宽带双平衡 混频器，LO和RF的工作频率在4-26GHZ范围内，中频IF在1GHz以下，变频损 耗在10dB以下.此平面结构为二极管的安装带来了方便。 1.3.2国内研究动态 国内相关技术发展比国外晚.由于受到加工工艺及集成技术水平的限制.国 内这方而的报道大部分采用混合集成电路.井且很多都是单独做的双平衡混频器. 或者镜像抑制混频器.将二者结合起来的比较少。 2000年.Chi-Yang Chang等人.采用共面波导(CPW)到共面带线(CPS) T 型结过渡的双巴伦结构.设计了平面双平衡星形混频器。此平面结构适合MMIC设计，设计的MMIC变频损耗在通带内为6-10dB。 2008年电子科技大学物理电子学院魏萍等人，采用了双面微带渐近线巴伦结 构，研究设计了双双平衡超宽带微波混频器，射频RF和本振LO工作频段为 2-18GHz.中频IF为0.3-5GHZ.变频损耗为10dB.本振LO到射倾RF端口的隔 离度大于18dB.本振LO到中频IF端口的隔离度大于17dB。. 2008年电子科技大学电子工程学院电磁场与微波技术专业宣扬采用鳍线结 构，研究设计了“w波段宽带混频器”.工作频率在75-105GHZ范困内.变频损耗 小于9dB，本振LO到射频RF端口的隔离度大于25dB。 12 2009年东南大学毫米波国家重点实验室王彦炜等人.采用半模SIW巴伦设计 了X波段双平衡混频器.经测试.在8.7-9.7GHz的频率范闹内，变频损耗小于9dB. 噪声系数小于10dB.实物面积60mm X 68mm. 2011年.Fan Fan He等人采用平而S1W结构的魔 T结构.设计了工作在X 波段的单平衡混频器.变频损耗在10dB以下。 1.4研究方法 设计混频电路，并测试其参数。混频器的主要参数如下: (1)噪声系数:混频器的噪声定义为:NF=Pno/Pso Pno是当输入端口噪声温度在所有频率上都是 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 温度即T0=290K时，传输到输出端口的总噪声资用功率。Pno主要包括信号源热噪声，内部损耗电阻热噪声，混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声。Pso为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率。 (2)变频损耗:混频器的变频损耗定义为混频器射频输入端口的微波信号功率与中频输出端信号功率之比。主要由电路失配损耗，二极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起。 (3)1dB压缩点:在正常工作情况下，射频输入电平远低于本振电平，此时中频输出将随射频输入线性变化，当射频电平增加到一定程度时，中频输出随射频输入增加的速度减慢，混频器出现饱和。当中频输出偏离线性1dB时的射频输入功率为混频器的1dB压缩点。对于结构相同的混频器，1dB压缩点取决于本振功率大小和二极管特性，一般比本振功率低6dB。 (4)动态范围:动态范围是指混频器正常工作时的微波输入功率范围。其下限因混频器的应用环境不同而异，其上限受射频输入功率饱和所限，通常对应混频器的1dB压缩点。 (5)双音三阶交调:如果有两个频率相近的微波信号fs1和fs2和本振fLO一起输入到混频器，由于混频器的非线性作用，将产生交调，其中三阶交调可能出现在输出中频附近的地方，落入中频通带以内，造成干扰，通常用三阶交调抑制比来描述，即有用信号功率与三阶交调信号功率比值，常表示为dBc。因中频功率随输入功率成正比，当微波输入信号减小1dB时，三阶交调信号抑制比增加 13 2dB。 (6)隔离度:混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频之间的隔离。隔离度定义为本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位dB。 (7)本振功率:混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。原则上本振功率愈大，动态范围增大，线性度改善(1dB压缩点上升，三阶交调系数改善)。 (8)端口驻波比:端口驻波直接影响混频器在系统中的使用，它是一个随功率、频率变化的参数。 (9)中频剩余直流偏差电压:当混频器作鉴相器时，只有一个输入时，输出应为零。但由于混频管配对不理想或巴伦不平衡等原因，将在中频输出一个直流电压，即中频剩余直流偏差电压。这一剩余直流偏差电压将影响鉴相精度。 1.5设计流程 1.5.1 multisim仿真 利用EDA仿真软件multisim对设计的混频电路进行仿真，通过对波形的观测，确定混频电路的设计是否能够满足要求。 1.5.2 Altium Designer绘制PCB板 利用Altium Designer将原理图绘制成PCB板，并检测其电器特性，生成网格报表。 1.5.3 腐蚀电路板 将Altium Designer绘制好的电流图热转印到电路板上，并利用三氯化铁腐蚀剂对电路板进行腐蚀，然后制成电路板实物。 1.5.4 焊接电路 电路板腐蚀好以后即开始焊接电路，焊接的的时候注意元器件的型号和封 14 装，已经参数的大小，并留好测试点。 1.5.6 测试及修改电路 测试电路，并且适当调整元器件的参数，使输出的中频信号更加稳定。 二、混频器理论基础 2.1混频器理论基础 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。 2.1.1 二极管环形混频器原理及基本组成 当器件的伏安特性是非线性时，能实现混频。当忽略三次方以上的各项时，非线性器件的输出电流与输入电压之间的关系可以表示为: 式中分别为各项系数。若。代入上式并利用三角公式进行变换，则得到: 可见，当两个不同频率的高频电压作用于非线性器件时，将产生 就是所需的 直流、二次谐波、和频与差频等。其中 频率分量，即中频。只要在输出端接上谐振频率为中频的谐振回路，就 能滤除不需要的频率分量，选出中频电压。 相乘器、晶体三极管、晶体二极管等非线性器件均可实现混频。在 通信设备中广泛采用二极管环形相乘器构成混频器，称为环形混频 器。它主要用于通信系统的微波波段，由两个平衡混频器组成，其电路 15 如图1 所示。图中T1、T2 为中心抽头的宽频带变压器。为了让二极管工作在开 关状态，要求本振信号的功率必须足够大。该电路的主要优点是工作 频带宽，可达几千兆赫兹，噪声系数小，动态范围大。 2.1.2模拟乘法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。混频电路的基本原理: 图2中，U(t)为输入信号，U(t)为本振信号。U(t)输出信号。 sci U(t),Ucos,分析:当 ssmst U(t),U(t)U(t)则 psc 16 = U cos,U cos,smstcmct = Am cos,cos,stct 其中: Am,UUsmcm 对上式进行三角函数的变换则有 1: Am [cos(,c，,s)t，cos(,-,)t]，，Ut,Am cos,cos,csp1stct2 从上式可推出，Up(t)含有两个频率分量和为(ψc+ψS)，差为(ψC-ψS)。 1U(t),Amcos[,，, ]tics2若选频网络是理想上边带滤波器则输出为( 1U(t),Amcos[,-,]tics2若选频网络是理想下边带滤波器则输出: 2.2带通滤波器的设计 带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路。这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。 2.2.1有源带通滤波器原理 17 2. 教材例9.3.2电路图 2.2.2无源带通滤波器的设计 RLC串联电路电路图为: 18 则有电压转移比为: , ,UR(R/L)0,H(j),,,,,1RC1 2UR，，,jL，(,,)jijCLLLC, ,RC(/):,,j,,()90arctan[]2 LC,,(1/) ,(R/L),H(j),且 222[(1/LC),,]，[,(R/L)]于是根据中心频率的定义(电路转移函数的分母为纯实数时的频率)， 则有 ,11120,,0f,,,,,,,000 ,LCLC22,LC ,,下面计算截止频率和。 c1c2 12H(j,),H(j,)在频率等于截止频率时，转移函数的幅值为。 0max22 1,,H(j,)又当时，有最大值(中心频率为通带几何中心，即转移函数最0LC 大幅值处)。 则有 ,(R/L)0H(,j),H(,j),0max222[(1/LC),,]，(,,R/L) 00 1/(LC),(R/L),,1 (,) 222[(1/LC),(1/LC)]，(1/LC,R/L) 1 设(,)式左侧为，则有 2 19 ,(R/L)1c,H(j),,c2222[1/(C,,,R),(,L/R)]，1[(1/LC),]，[(R/L)],,cccc 12,L,,R,,,0,,cc C故解之有 RR12,,,，，()c1L2LLC2 RR12 ,,，，()c2L2LLC2 1,,,,,,由此可以验证 ，与前面计算结果相同，故方法正确。 0c1c2LC于是带宽β满足: R ,,,,,,c1c2 。 L于是有品质因数Q满足: 1 ,1LLC0Q,,,R,RC L 上述方法为计算品质因数的一种方法，现在给出计算品质因数的另外一种方法: 发生谐振时的感抗或容抗值，称为电路的特性阻抗ρ。 则在该电路中有 L1,,,L,,0 ,CC0故由品质因数为回路特性阻抗ρ与回路中电阻R的比值， 则 20 L1L,0Q,, RRC 于是可由方程组(和Q给定): f0 1 f,0 ,2LC 1L „„„„„„„„„„„(公式◎) ,Q RC 则当三个变量确定一个值时，即可以确定所选元件的大小，进而构造出该带通滤 波器。 三、multisim设计及仿真 3.1 二极管环形混频器设计 此电路图是根据二极管环形混频器进行设计的上变频混频器，电路结构简单，滤 波清晰，选频滤波器的中心频率为56.234MHZ,带宽只有14MHZ。 21 此时输出的上变频混频波形为: 22 波形良好，无失真现象。 3.2模拟乘法器混频电路: 本次实验采用现成的四象限模拟乘法器芯片MC,,,,芯片做，实验电路图如 下: 仿真结果分析: 23 滤波波形无失真现象，模拟乘法器在理想仿真的情况下能够满足混频器实验的要 求。 24 3.3带通滤波器电路的设计及仿真 3.3.1 RLC串联滤波器 此种滤波器，结构简单，方便计算，不过主要存在的问题是当频率过高时，R、L、C的值很难达到指定的要求。设计为上变频混频电路时，若频率达到100MHZ以上，带宽30MHZ以上时，电容的容值很容易就低于1PF，实际标称值很难达到。 3.3.2 有源带通滤波器 25 二阶有源带通滤波器结构固然不是很复杂，不过其中心频率很难达到高频阶段，满足本次课设的要求。 3.3.3软件设计带通滤波器 ,、利用软件设Filter Solution 设计一个中心频率为130MHZ,带宽为30MHZ输入阻抗为50欧姆，输出阻抗为50欧姆的3阶切比雪夫BPF: 参数调整后，电路图如下: 26 此时带通滤波器的中心频率为122.7MHZ，带宽为32MHZ: 2、再利用Filter Solution生成一个中心频率为50M，带宽30M，输入阻抗输出阻抗均为50欧姆的2阶切比雪夫带通滤波器: 修改后的电路图如下: 27 仿真如下修改参数后电路中心频率为42MHZ，带宽38MHZ。基本上满足实验的要求。 3.4 方案选择 由于考虑到二极管环形混频器的仿真波形特别的完美，并且电路极其简单，设计方便，绘制电路板容易。但是二极管环形混频器由于使用了耦合线圈，暂时没有办法将其隔出，并模拟乘法器设计的混频电路结构简单，不过考虑到线圈对高频信号的影响，故不得不对此方案施以取舍。 各种模拟乘法器对输入高频信号的频率都有一定的适用范围，如MC1458，其频带使用范围远远达不到100Mhz，我们只能运用它检测我们的设计思想是否能够满足设计混频器的要求。转而采用更专业的集成四象限模拟乘法器芯片如AD831、AD834、AD835等等。AD831是一个低失真、宽动态范围的单片混频器芯 28 片，RF输入带宽为400MHZ，输入P1db为10dB,DC输入电阻为1.3千欧，电容为2皮法;IF输出带宽为200MHz，变频转换增益为0dB,输出电压摆幅正负1.4伏;输入IP3系数为10.3~14dB;LO的输入频率带宽为400MHz,最大输入电压范围-1伏~正1伏，差分和共模输入阻抗为电阻为500欧姆，电容为2皮法;LO到RF的隔离度为45dB;双电源电压范围为4.5~5.5伏，单电源电压范围9~11伏，电流消耗100~125毫安。 3.4.1 AD831芯片管脚 考虑到价格及芯片的各项参数，我们选择AD831低功耗的四象限模拟乘法器芯片。其芯片管脚如下: 29 3.4.2 AD831芯片内部原理图 30 、Q2的上图所示是AD831的内部电路框图。图中，频频输入信号加到晶体管Q1基极，由于电阻R1、R2的负反馈潮作用，因而差分电流射频信号的幅度成线性关系。-10dBm的本振输入信号经过一个高增益、低噪声的限幅放大器转换成方波，而后交叉地加到Q3,Q6的基极，最后混频信号从IFP和IFN脚输出。当将IFP、IFN连接到有中心抽头的变压器上时，AD831不可提供从射频到中频的单路输出。若使用输出放大器，则可降IFP和IFN脚直接与AP和AN脚相连，这时，片内的负载电阻可将输出电流转换成电压来驱动输出放大器。 1控制偏置电流 AD831的射频输出的最大值与偏置电流成比例，在BIAS引脚与电源之间接一个电阻可使偏置电流减小。正常工作时可将BIAS脚悬空，而在低功耗工作时，可将BIAS脚直接连接到正电源。混频器工作电流的调节范围可从正常工作的100mA调整至最小功耗时的45mA。 2低通滤波 在混频和输出放大器之间可加入一个简单的低通滤波器，方法是在芯片的内部电阻性负载上并联一个外接电容(芯片的内部电阻性负载为14Ω，允许有20%的偏差)，这样在下混频应用中将显著衰减本振信号和射频信号的和频成分。该一阶 31 低通滤波器的转折频率，应选择在比下混频的IF输出高一个倍频程的位置。例如，对70MHz中频输出而言，-3dB点可选在140MHz附近，此时CF应为82pF。 3输出放大器的应用 AD831的输出放大器可将混频的差分电流转换为单端电压输出形式，并可在50Ω的负载上提供高达1V的峰-峰值电压。把AN和AP直接连接到混频级的集电极输出上，并将输出端(OUT)接至VFB，这样可提供单增益。改变增益时，可在放大器的输出端外接一个电阻网络R3、R4并连接至VFB。 3.4.2 AD831双电源低功耗供电模式 采用5V电源供电，电路不仅功耗低而且实验室5V的电源比较常见，方便后期的实验检测。 四、 Altium Designer绘制PCB板 4.1.1 二极管环形混频器的原理图设计: 32 4.1.2 二极管环形混频器的PCB设计: 本次PCB的布线采用双层板布线，因为二极管环形和两个变压器之间的第3管脚需要接本振输入信号，所以线路势必有交叉，并且高频板引线对高频信号影响极坏，所以我们首先考虑双层板。由于电感取值特别小，因此考虑电感使用贴片封装的形式。 4.2 AD831模拟乘法器芯片实现混频电路 4.2.1原理图及芯片封装的绘制: 33 绘制原理图的过程中，发现缺少PLCC20管脚的AD831芯片的原理图及封装，我们首先想到的是在网上检索AD831的原理图及封装，虽然找到了，但是网路上的AD831芯片的原理图库与我们连线使用的电路管脚分布很不一样，强行使用其原理，必将造成绘制原理图的时候线路出现交叉，影响视觉效果。所以我们还是决定自己绘制器件原理图和封装。封装的绘制采用元器件绘制向导如下: 34 其参数设置参照芯片手册元器件的外型设置: 35 4.2.2 AD831混频器原理图绘制及说明 AD831整体效果图如下，选频网络才有双切换模式，两个带通滤波器一个滤取上变频，一个滤取下变频。 前置CLC阻抗匹配电路:射频信号端的阻抗匹配电路使传输线获得最大功率。 36 下变频选频网络:此处的带通滤波器中心频率为42MHZ，带宽38MHZ的Filter Solution 设计的带通滤波器修改而来。 上变频选频网络:中心频率为122.7MHZ，带宽为32MHZ，电感电容的参数值略有修改。 4.2.3 AD831混频器PCB绘制及说明 37 电路板绘制过程中，由于是高频板，走线尽可能短，布线线宽尽可能宽。并且在输入端和混频输出端各留有测试孔。封装问题，电阻、电感、电容均采用直插式，购买电感时去检索了一下本来是有NH级的直插电感，可是后来没有买到直插的电感，只能使用贴片的电感。 4 腐蚀电路板 4.1电路板制作流程: 一、打印电路板:将绘制好的电路板用转印纸打印出来，注意滑的一面面向自己，一般打印两张电路板，即一张纸上打印两张电路板。在其中选择打印效果最好的制作线路板。 二、裁剪覆铜板 用感光板制作电路板全程图解 。覆铜板，也就是两面都覆有铜膜的线路板，将覆铜板裁成电路板的大小，不要过大，以节约材料。 三、预处理覆铜板 用细砂纸把覆铜板表面的氧化层打磨掉，以保证在转印电路板时，热转印纸上的碳粉能牢固的印在覆铜板上，打磨好的标准是板面光亮，没有明显污渍。 四、转印电路板 将打印好的电路板裁剪成合适大小，把印有电路板的一面贴在覆铜板上，对齐好后把覆铜板放入热转印机，放入时一定要保证转印纸没有错位。一般来说经过2-3次转印，电路板就能很牢固的转印在覆铜板上。热转印机事先就已经预热， 38 温度设定在160-200摄氏度，由于温度很高，操作时注意安全 五、腐蚀线路板 先检查一下电路板是否转印完整，若有少数没有转印好的地方可以用黑色油性笔修补。然后就可以腐蚀了，等线路板上暴露的铜膜完全被腐蚀掉时，将线路板从腐蚀液中取出清洗干净，这样一块线路板就腐蚀好了。腐蚀液的成分为浓盐酸、浓双氧水、水，比例为1:2:3，在配制腐蚀液时，先放水，再加浓盐酸、浓双氧水，若操作时浓盐酸、浓双氧水或腐蚀液不小心溅到皮肤或衣物上要及时用清水清洗，由于要使用强腐蚀性溶液，操作时一定注意安全～ 六、线路板钻孔 线路板上是要插入电子元件的，所以就要对线路板钻孔了。依据电子元件管脚的粗细选择不同的钻针，在使用钻机钻孔时，线路板一定要按稳，钻机速度不能开的过慢，请仔细看操作人员操作 七、线路板预处理 钻孔完后，用细砂纸把覆在线路板上的墨粉打磨掉，用清水把线路板清洗干净。水干后，用松香水涂在有线路的一面，为加快松香凝固，我们用热风机加热线路板，只需2-3分钟松香就能凝固。 4.2电路板腐蚀效果图及注意事项 39 电路板制作注意事项 1、 用PROTEL绘图时为了保证最后的制作质量，焊盘直径一般 设置为2.0,2.2mm;线条宽度设置为0.6,0.8mm，电源和地线宽度设置为1,1.2mm;绘图时无法走线可用跳线代替; 2、 打印时要设置为黑白格式，打印优先层设置为焊盘优先，否则 焊孔无法显示，不利于最后打孔; 3、 打印时打印在转印纸光滑面，裁剪时留取1cm左右的余量，用 胶带单边粘贴在合适大小的铜箔板上，铜箔板需做清洁处理，可用湿布蘸取去污粉，用力擦铜箔板直到表面光亮为止; 4、 腐蚀时用塑料盒，腐蚀液配制比例为，环保腐蚀粉:水=1:4， 用50,60?C的热水配制，不要放太多(深度1,1.5cm左右)，并盖上盖子不断摇晃塑料盒，可大大加快腐蚀速度(15,20分钟);腐蚀完后盖上盖子，以便下次使用; 5、 腐蚀完后，铜箔板上的黑色保护层可用湿布蘸取去污粉用力擦 除，或用化学溶剂例如松香水擦除;并用棉签沾取松香酒精溶液，或其他助焊剂 6、 打孔时，下面要垫木板或旧书之类涂抹在铜箔板表面，起到抗氧化作用; 的，以免桌子损坏;一般电 阻、电容和集成电路等用Φ0.8mm钻头，其他较大管脚元件可用Φ1mm钻头。 五、焊接工艺及电路板成型 40 + 焊接的过程中发现没有直插的电感，故采用贴片的电感。焊接过程中不要出现虚焊等不好的现象。 六、实验测试结果 七、心得总结 理论是基础，运用是难点。通过这次小组自己设计使用电路，对上课老师所讲的知识有了全新的认识。再设计中接触了很多芯片手册，意识到做事电子设型电路加以照搬或稍微修改。对于最终的全图仿真并没有做出结果来，并且将原理图实际转换为电路板还会出现很多意想不到的错误。局部仿真也就只能勉强看个现象，深层次的理论分析还是达不到要求，也就不敢妄下结论。器件选型上，尽可能选择通用型器件，主要参数物理功能可能能够实现，不过比较细微的参数 41 还是没有考虑到。这次设计我们发现了很多不足，也找到了前进的方向，对光电 子设计产生了浓烈的兴趣。 42 参考文献 [1]《Mlutisim电路设计及仿真入门与应用》 郑步生，吴渭主编 [2]《EDA技术础》 郭勇，许戈，刘豫东 主编 [3]《高频电子技术》张义芳主编 [4]《高频电路实验与仿真》 李新春 陈俊霏 主编 43