基于乘法器的混频器设计

基于乘法器的混频器设计 桂林航天工业学院 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 基于乘法器的混频器设计 Design of Frequceny Mixer Based on the Multiplier 专 业:通信技术 学 生:陈 良 指导教师:邓 莉 桂林航天工业学院电子工程系 二零壹二年五月 毕 业 设 计( 论 文 )评 语 指 导 教 师 评 语 签字: 201 年 月 日 评 阅 教 师 评 签字: 201 年 月 日 语 I 毕业设计(论文)答辩记录成绩及评语 答 辩 提 问 记 录 记录人: 201 年 月 日 答 辩 委 员 会 评 语 成 绩: 主任签字: 201 年 月 日 II 毕业设计任务 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 桂林航天工业学院 电子工程系 毕 业 设 计 任 务 书 专业:通信技术 年级: 2009级 姓名 陈良 学号 200904120227 指导教师(签名) 毕业设计题目 基于乘法器的混频器设计 任务下达日期 2012年1月10日 设计提交期限 2012年6月10日 运用乘法器MC1596设计一个混频器，实现本地振荡信号与高频设计主输入信号的乘积运算，并通过带通滤波器提取出混频后的中频信要内容 号。 主要技(1)MC1596的工作频率范围0,300MHz; 术参数(2)系统电路要求正负双电源供电，静态偏置电压的设置应保指标 证各个晶体管工作在放大状态即晶体管的基极间的电压应大于装 或等于2V，小于或等于最大允许工作电压。 订 成果提线 实物和论文 交形式 2012年3月查找资料; 设计进2012年4月制作电路板; 度安排 2012年5月写论文、调试、修改; 2012年6月1日总结、交论文 教研室 意见 文理分科指导河道管理范围浙江建筑工程概算定额教材专家评审意见党员教师互相批评意见 签名: 2012 年 月 日 系主任 意见 签名: 2012 年 月 日 III 毕业设计开题报告 桂林航天工业学院 电子工程系 毕 业 设 计 开 题 报 告 姓名 陈良 学号 200904120227 指导教师 邓莉 毕业设计题目 基于乘法器的混频器设计 同组 混频器在通信工程和无线电子技术中，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，在解设计 调过程中，接收的已调高频信号也要经过频率的转换，变成对应的中目的频信号。通过本次课题设计，对制作电路板的全部过程有了进一步学意义 习，同时让我懂得混频电路是应用电子技术和无线电技术必须掌握 的。 首先就是对整个混频电路的分析，重点掌握: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的计算方 方法;三是应用电路的分析。然后是对选择的乘法器MC1596的工作案装 论原理进行分析，重点掌握其在整个混频电路中的工作。最后是整个电证订 路的设计，要清楚地了解所有元器件的工作原理，然后将所有元器件 线进行组合。 2012年3月查找资料; 时2012年4月制作电路板; 间 安2012年5月写论文、调试、修改; 排 2012年6月1日总结、交论文 指导 教师 签字: 年 月 日 意见 审核 小组 组长签字: 年 月 日 意见 iv 摘 要 中文摘要 Protel99SE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，适用于初级的模拟/数字电路板的设计工作，包含电路原理图图形及电路硬件描述语言的输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 集成模拟乘法器是继集成运算放大器后最通用的模拟集成电路之一，是一种多用途的线性集成电路。可用作宽带、抑制载波双边平衡调制器，不需要耦合变压器或调谐电路，还可以作为高性能的SSB乘法检波器，AM调制/解调器、FM解调器、混频器、倍频器、鉴相器等，它与放大器相结合还可以完成许多的数学运算，如乘法、除法、乘方、开方等。 主要内容为基于MC1596的混频器应用设计与仿真。阐述了混频电路的基本原理，并在电路设计与仿真平台Protel99SE仿真环境中创建集成模拟乘法器MC1596电路模块，利用模拟乘法器MC1596完成各项电路的设计与仿真，并结合双踪示波器实现对信号的混频。 关键词: Protel99SE，模拟乘法器 MC1596，混频器 v ABSTRACT Protel99SE is the United States National Instruments ( NI ) Limited launched the Windows based simulation tool, applied to the primary analog and digital circuit design, including circuit principle diagram and the circuit hardware description language input methods, with extensive simulation analysis. Integrated analog multiplier is the integrated operational amplifier after the most general one of analog integrated circuits, is a multi-purpose linear integrated circuit. Can be used as a broadband, carrier suppressed double balanced modulator, do not require coupling transformer or a tuned circuit, but also can be used as a high performance SSB multiplication detector, AM modulator and demodulator, FM demodulator, mixer, a frequency multiplier, a phase discriminator, and it can also perform many amplifier combining mathematical operations such as multiplication,, division, involution, such as prescribing. The main content for the analog multiplier based on the analog multiplier MC1596 application design and simulation. Elaborated the double side band amplitude modulation and amplitude, synchronous demodulation, mixing, product type discriminator circuit principle, and the circuit design and simulation platform for Protel99SE simulation environment to create integrated analogue multiplier using MC1596 circuit module, analog multiplier MC1596 completion of the circuit design and simulation, and with double heddle oscilloscope to achieve the effect of frequency mixing. KEY WORDS:Protel99SE, Analog multiplier MC1596，Frequency mixer vi 目 录 目 录 第一章 绪论 .........................................................1 第二章 系统设计 .....................................................3 2.1 模拟乘法器MC1596工作原理 ................................ 3 2.2 幅度调制 ................................................. 4 2.3 MC1596的特性及应用 ...................................... 5 第三章 混频器 ......................................................10 3.1 混频原理及特点 .......................................... 10 3.1.1 混频器的主要性能指标 .............................. 11 3.1.2 混频器的类型 ...................................... 12 3.2 混频的干扰 .............................................. 13 第四章 电路板的制作与测试 ..........................................18 4.1 EDA制作印刷电路板具体设计步骤 .......................... 18 4.1.1 电路原理图制作步骤 ................................ 18 4.1.2 PCB的设计流程 ..................................... 20 4.1.3 制作电路板 ........................................ 22 4.2 电路的连接 .............................................. 23 4.3 混频电路经示波器的结果图 ................................ 24 第五章 结论 ........................................................27 第六章 附录 ........................................................28 参考文献 ...........................................................29 致 谢 ...........................................................32 - i - 桂林航天工业学院 第一章 绪论 通信就是信息的传输，在当今高度信息化的社会，信息和通信已经成为现代社会的“命脉”。信息作为一种资源，应该得到很好地利用，因此我们必须对信息进行有效地传输。通信的目的就是传递消息所包含的信息。1837年莫尔斯发明的有线电报开创了利用电传输信息的新时代，从此，人类的信息的共享越来越好的得到了利用也是对于通信系统主要由以下几个模型组成: 信息发送设信 道 接受设信宿 源 备 备 噪声 源 图1-1 通信系统的一般模型 模拟通信系统是用模拟信号来传递信息的通信系统，数字通信系统式利用数字信号来传递信息的通信系统，目前在无论是模拟通信还是数字通信，在现实中的通信业务都得到了广泛的应用，尤其是在通信系统的刚刚开始启蒙状态，模拟通信系统得到了比数字系统更为广泛的应用，但是在现在的数字通信系统的飞速发展，数字通信系统发展速度很明显超过模拟通信，成为数字当代通信技术的主流。通信系统又具有很多的优点:抗干扰能力强，噪声不积累，传输差错可控，易于加密处理，保密性好等等。但是现实中存在的基本上都是模拟信号，所以我们通信要进行模数转换，装换成数字信号后，我们就要对数字信号序列进行数字传输。数字通信系统虽然有这么多的优势，但是，模拟通信系统仍然得到了很好的利用，这是由于在模拟通信在一些通信地方仍然具有其自己的特点，如模拟通话，模拟通信系统占有的带款展，在通信的路数不需要很多的情况下，我们的模拟通信系统就具有数字通信系统的不具有的经济性。在通信中有两大资源，一个是信道带宽，另一个是送源功率，能很好的减少这两种资源或者得到有效的利用，我们就认为这个通信系统在这种情况下就是较好的通信系统。数字通信系统的模型如下: - 1 - 第一章 绪论 信信加信数信数信解信受 密 道 密 息源道字字道源信 源 编编调解译译者 码 码 制 调 码 码 噪声 源源 图1-2 数字通信系统的一般模型 数字调制与解调模块是此论文设计的内容，论文设计是一次综合实验的检测，是对整个通信系统的更好的实际性的理解，在设计时遇到的问题，得到解决的同时，更好的理解了我们 通信系统的设计的思路和对通信系统的印象的加深。数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成合适的在信道中传输带通信号。基本的数字调制有振幅调制(ASK)、频移键控(FSK)、绝对相移键控(PSK)、相对相移键控(DPSK)。在接受端可以采用相关解调和非相干解调还原数字基带信号。数字解调就是还原基带信号。 2 桂林航天工业学院 第二章 系统设计 2.1 模拟乘法器MC1596工作原理 模拟乘法器是对两个模拟信号(电压或电流)实现相乘功能的有源非线性器件，主要功能是实现两个互不相关信号的相乘，即输出信号与两输入信号相乘积成正比。它有两个输入端口，即X 和Y 输入端口。 在高频电子线路中，振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分离器件如二极管和三极管要简单的多，而且性能优越。所以目前在无级通信、广播电视等方面应用较多。集成模拟乘法器的常见产品有 [7]BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等。 根据双差分对模拟相乘器基本原理制成的单片集成模拟相乘器MC1496是四 [8]RRVVVRR象限的乘法器。其内部电路如图2-1所示，其中、、、、、和3578912 RVVVVR等组成多路电流源电路，、、为电流源的基准电路，、分别供给、578951 RVI/2I/2VV管恒值电流，为外接电阻，可用以调节的大小。由、两管560056 RR的发射极引出接线端2和3，外接电阻，利用的负反馈作用，以扩大输入电YY RU压的动态范围。为外接负载电阻。 C2 根据差分电路的基本工作原理，可以得到 u1 (2-1) iiith,,ccc1252UT u1 (2-2) iiith,,ccc4362UT u2 (2-3) iiIth,,cc5602UT iiiiiiVVVVVV式中、、、、 、分别是三极管、、、、、的c1c2c3c4c5c6356124 EU,26mV集电集电流。为温度的电压当量，在常温T=300K时，。MC1596TT 管脚和符号如图2-1、2-2所示: - 3 - 第二章 系统设计 图2-1 MC1596的管脚排列 图2-2 MC1596符号 2.2 幅度调制 集成模拟乘法器是完成两个模拟量(电压或电流)相乘的电子器件。在高频电子线路中，振幅调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分离器件如二极管和三极管要简单得多，而且性能优越。目前无线通信、广播电视等方面应用较多[9]。 在幅度调制过程中，根据所取出已调信号的频谱分量不同，分为普通调幅(AM)、抑制载波的双边带调幅(DSB)等。它们的主要区别如表2-1所示。 表2-1 普通调幅与双边带调幅的区别 普通调幅 抑制载波双边带调幅 Vmtt(1cos)cos，,,mVttcoscos,, 电压表达式 00aa00 波形图 ,,2()2() 信号带宽 2,2, 如果把已调调幅波加到负载电阻R上，则载波和边频都将给电阻传送功率，它们的功率分别表示为: 载波功率: 4 桂林航天工业学院 2V10 (2-8) P,0T2R 每个边频功率(上边频或下边频): 21()mV112a02 (2-9) ,,,PPmPSB1SB2a0T24R 上、下边频总功率: 12 (2-10) ,2,PPmPDSBSSBa0T2 m称为调幅指数即调幅度，是调幅波的主要参数之一，它表示载波电压振a 0,m,1幅受调制信号控制后改变的程度，一般。 a 普通调幅电路的原理框图如图2-3(a)所示，双边带调幅电路的原理框图如图2-3(b)所示 图2-3(a)普通调幅波实现框图 图2-3 (b)双边带调幅波实现框图 2.3 MC1596的特性及应用 MC1596的特性 MC1596是MOTOROLA公司设计的一种多功能集成电路，有金属封装，陶瓷封装和塑料封装三种形式。作平衡调制器使用时，它具有很好的载波抑制能力，典型值是:(1)f=0.5MHz时为65dB;(2)f=10MHz时为50dB,具有平衡输出平(出)(入) 衡输入的特性，高的共模抑制(典型值为85dB),增益可调，信号变化范围宽，功耗低(典型值为33mW)。通常在+12V电源供电下工作，温度范围(民品)MC1496为0,70? - 5 - 第二章 系统设计 (军品)MC1596为-55,125? 工作原理 MC1596的内部电路如图(2-4)所示，它由2个恒流源(T、T)、2个 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 78差分放大器(T、T)推动上部分的两对晶体管差分对(T-T;T-T)所组561234成。该电路属典型的双差分对调制电路，交叉耦合的集电极构成推挽输出(6脚和9脚)，每个输出端通过外加负载(电阻)接到电源正端。输入也是推挽方式，也是在单元两半部分之间进行交叉耦合。在双端输出时，其输出电压正比于i8—i,其中i=i+i,i=i+i，所以 9613924 i=i-i69 +i) =(i+i)-(i1324 =(i-i)-(i-i) (2-11) 1243 式中(i-i)是由T、T和恒流I组成的差分对的输出电流。这两个差分对的12125 输入的输出电流，(i-i)是T、T和恒流源I组成的差分对的输出电流。这43346 两个差分对的输入差模电压都是U(载波信号电压)，由理论上已经证明，差分C 都每一管的电流随输入差模电压的变化可以表示为双曲线正切函数，即: (i-i)=ith(qu/2KT) 125c (i-i)=ith(qu/2KT) 439c 代入(1)式得 i=(i-i)th(qu/2KT) (2-12) 56c 式中(i-i)是由T、T和恒流源I(i或i)组成差分对的输出电流，这个差5634e78 分对的输入差模电压为U(调制信号电压)，所以， c (i-i)=Ith(qu/2KT) 56oc 将上式代入(2)式，得 i= Ith(qu/2KT) th(qu/2KT) (2-13) occ 当(qu/2KT)<(1/2)，即u<26mV时，th(qu/2KT)?qu/2KT。所以U、U小于26mV时: ci 2i?I(q/2KT)uu=K uu Ocici 设 U=Ucoswt?U=UcosΩst icmrcsm 则 i=KUUcoswtcosΩst (2-14) cmsmr 由上式可见，输出电流就是抑制载波的双边点信号。当载波电压较大时th(qucmcoswct/2KT)同样可以用富氏级数展开，这时输出电流除了双边带信号以 6 桂林航天工业学院 外，还有3Wc?Ωs、5WC?Ωs等奇数谐波所产生的和频及差额分量。由此可见，这种连接方式，输出的主要成分是两输入信号的和频分量和差频分量。其余分量例如两输入信号(和作平衡调制器使用时，一个为调制信号，一个为载波信号)，以及二者谐波的和频，差频分量，均受到不同程度的抑制。因此它可用于平衡调制器，双平衡混频器、乘积检波器和倍频器等。 MC1596是单片集成模拟乘法器，以实现输出电压为两个输入电压的线性积。它以双差分电路为基础, 在Y输入通道加入了反馈电阻, 故Y通道输入电压动态范围较大, X通道输入电压动态范围很小。如下图是MC1596内部电路图。 -4 MC1596内部结构图 图2 MC1596工作频率高, 常用作调制、 解调和混频, 通常X通道作为载波或本振的输入端, 而调制信号或已调波信号从Y通道输入。当X通道输入是小信号(小于26 mV)时, 输出信号是X、 Y通道输入信号的线性乘积。 信号增益和最大输入电压等级 低频时的信号增益为 - 7 - 第二章 系统设计 为了使上部三极管开通和两个三极管关断，需要直流偏置 (V=0.5Vdc),这样C形成一个栅型差分放大器。 V?IRE(Volts peak) S5 工模摆动 共模摆幅是两个差分信号放大器基极间的电压，这种摆动随具体电路和偏置条件而改变。 能量消耗 集成电路中的能量消耗PD，应按照每个端口的电压电流乘积来计算，例如V=V,I=I=I，并忽略基极电流时P=2I(V-V+I)V-V 1265612D56145514设计方程式 以下是部分设计方程式(在其他电源和信号输入条件下)。 A(操作电流 内部偏置电流由5脚设定。假设I=I=I对所有晶体管I?I。 5612BC R5为5脚和地之间电阻。在T=+25?时Φ=0.75 A 在MC1496中，I5的推荐值为1.0mA。 B(静态共模输出电压 V = V = V ? I RL 61255 偏置 MC1596需要外加直流偏置电压。建立这三种等级的方案是三极管的集电极和基极电压不小于2.0V，并且不能超出以下范围 30Vdc?[(V,V)-(V,V)]?2Vdc 612810 30Vdc?[(V,V)-(V,V)]?2.7Vdc 81014 30Vdc?[(V,V)-(V)]?2.7Vdc 145 前述所有的前提是基本满足: V=V，V=V，V=V 61281014 进入引脚1，4，8，10的偏置电流是三极管的基极电流在外部偏置被设计为不小于1.0mA时可以忽略。 传输带宽 载波的传输带宽是器件的3dB带宽，由下式确定: 信号的传输带宽是器件的3dB带宽，由下式确定: 操作信息 集成电路内部含有由双电流源驱动的上部差分放大器，输出集电极连至一起以平衡乘法器的输入电压，这样输出信号就是输入信号乘积的常数倍。 8 桂林航天工业学院 由对线性直流模拟乘法器的数学分析可知:输出信号的范围仅包含输入信号频率的和与差两部分。所以MC1596可用于调制器、混频器、乘法器、倍频器以及其他的需要类似信号特征信号输出的场合。低倍差分放大器的发射极连至芯片的引脚，以便外接发射极电阻。同样，在芯片的输出端同样需要外接负载电阻。 信号等级 上部的嵌入式差分放大器可工作与线性区和饱和区，下部的差分放大器在大多数情况下都工作于线性区。 当输入信号都为较低等级的时候，输出将包括输入信号的共频和差频部分，输出信号的幅度是输入信号幅度绩的函数。 当输入的载波信号是较高等级并且调制信号输入端工作与线性区时，输出信号将包括调制信号的差频、共频信号和载波的基波与其奇数倍的谐波信号。输出信号幅度是输入信号的常数倍，载波信号的幅度变动一般不会在输出信号中体现出来。 差分放大部分的线性信号处理能力已被很好地界定出来。在发射极不恶化的时候，输入信号的线性操作范围可达到25mV，由于上部差分放大器的发射极在芯片内部连在一起，这使载波输入在任何情况下都能满足。 下部的差分放大器需要外接发射极电阻，他的线性信号处理范围可由用户设定。最大的线性信号输入范围由下式决定 V=(I)(R)Voltspeak 5E 由此式可计算出在一定输入电压下的RE值。 - 9 - 第三章 混频器 第三章 混频器 3.1 混频原理及特点 混频是将已调波中载波频率变换为中频频率，而保持调制规律不变的频率变换过程。 fI = fL - fC 或fI = fL+fC (其中fI表示中频频率，fL表示本振频率，fC表示载波频率。一般取差频) 图3-1是混频电路组成原理图。混频电路的输入是载频为f的高频已调波信c 号u(t)和频率为f的本地正弦波信号(称为本振信号)u(t), 输出是中频为fsLLI的已调波信号u(t)。通常取f=f-f。以输入是普通调幅信号为例,若u(t)=UIILcscm,1+mu(t),cos2πft, 本振信号为u(t)=Ucos2πft, 则输出中频调aΩcLLmL 幅信号为u(t)=U,1+mu(t),cos 2πft。可见, 调幅信号频谱从中心频IImaΩI 率为f处平移到中心频率为f处, 频谱宽度不变, 包络形状不变。 图3-2是相cI 应的频谱图。 图3-1 混频电路原理图 10 桂林航天工业学院 -2(a)混频前(b)混频后 图3 中频调幅波上下边带与原调幅波上下边带是倒置的本地振荡信号为高频等幅波 ,ffff,>,CLCffff,，,或 ,cLIffff,>,LCIC , 虽然混频电路与调幅电路、检波电路同属于线性频率变换电路, 但它却有两个明显不同的特点: ? 混频电路的输入输出均为高频已调波信号。由前几节的讨论可知, 调幅电路是将低频调制信号搬移到高频段, 检波电路是将高频已调波信号搬移到低频段, 而混频电路则是将已调波信号从一个高频段搬移到另一个高频段。 ? 混频电路通常位于接收机前端, 不但输入已调波信号很小, 而且若外来高频干扰信号能够通过混频电路之前的选频网络, 则也可能进入混频电路。选频网络的中心频率通常是输入已调波信号的载频。 混频电路中的非线性器件对于实现频谱搬移这一功能是必不可少的。 但是另一方面, 其非线性特性不但会产生许多无用的组合频率分量, 给接收机带来干扰, 而且会使中频分量的振幅受到干扰, 这两类干扰统称为混频干扰。它们都会使有用信号产生失真。由于以上两个特点, 混频电路的干扰来源比其它非线性电路要多一些。 分析这些干扰产生的具体原因, 提出减小或避免干扰的 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 , 是混频电路讨论中的一个关键问题。 3.1.1 混频器的主要性能指标 一、混频增益 混频增益(或混频损耗)是评价混频器性能的重要指标。混频增益是指混频 - 11 - 第三章 混频器 器输出中频信号电压振幅对输入高频信号电压振幅的比值，用分贝表示，即 A=201gV/VUCimsm 在相同输入信号情况下，分贝数越大，表明混频增益越高，混频器将输入信号变换为输出中频信号的能力越强。接收机的灵敏度越高。 混频损耗是对不具备混频增益的混频器而言的，它定义为在最大功率传输条件下，输入信号功率 P。对输出中频功率P的比值用dB(分贝)表示，即SI L=101gP/p(dB) CSI 显然，在相同输入信号情况下，分贝数越大，即混频损耗越大，混频器将输入信号变换为输出中频信号的能力越差。 二、噪声系数 混频器的输入信号噪声功率之比(P/P)对输出中频信号噪声功率之比Sni (P/P)snnN,101g(P/P)的比值，用分贝表示，定义为噪声系数(dB) InoF(P/P)Ino三、选择性 混频器的有用成分为中频，输出应该只有中频信号，实际上由于各种因素会混杂很多干扰信号。因此为了抑制中频以外的不需要的干扰，就要求混频器的高频输入、中频输出回路有良好的选择性，即回路应有较理想的谐振曲线。 四、混频失真 混频失真包括频率失真、非线性失真以及各种非线性干扰，如组合频率干扰、 交叉调制、互相调制等等。混频失真的存在，将影响通信质量。 五、隔离度 理论上要求混频器的各端口之间是隔离的，任一端口上的功率不会窜通到其它端口。但在实际电路中，总有极少量功率在各端口之间窜通，隔离度就是用来评价这种窜通大小的一个性能指标，定义为本端口功率与窜通到其它端口的功率之比，用分贝数表示。 3.1.2 混频器的类型 晶体管混频器、场效晶体管混频器、二极管平衡混频器、二极管环形混频器及集成模拟混频器等 12 桂林航天工业学院 3.2 混频的干扰 一、干扰哨声——有用信号和本振产生的组合频率干扰 (1)产生的原因: 输入到混频器的有用信号与本振信号，由于非线性作用，除了产生有用的中频外，还产生许多无用的组合频率分量，如果它们中的有些频率分量正好接近中频(或落在中频通带内)，则这些成分将和有用中频同时经过中放加到检波器上。通过检波器的非线性特性，这些接近中频的组合频率与有用中频差拍检波，产生 23差拍信号(可听音频)，形成干扰哨声。如二极管电路 i=a+av+av+av+... 0123 当v=v+v时，代入即可得到电流中包含的频率分量为: cL ,pf,qf,f,,F 当(可听视频)时，他们将和有用信号f同时经过LLcI 中放到达检波器，检波器的非线性作用产生差拍信号(?F)形成干扰哨声。 (2)形成的条件: p,1,Ff,f, cIq,pg,p p,1 f,,F一般所以上式可为: f,fIcI q,p 此式说明 : a、当f选定后，只要f接近此时所计算的值即能产生干扰哨声。 Lc, b、若p、q取不同的正整数，或产生干扰的输入信号频率有限多个，但当有 p，q,5时，幅度已很小可以忽略 - 13 - 第三章 混频器 如当f=918时，f=918+456=1383 cL 2f- f =1836-1383=453 cL ?F=456-453=12在中频通带以外，不会形成干扰。 又如，当f=931KHz时，本振频率f=(931+456)=1396KHz这时P=1,q=2所对cL 应的组合频率分量为 f=2f-f=2×931-1396=466KHz pqcL 它与有用中频频率只差1KHz，显然可以通过中频放大器进入检波器，与有用中 频f=465KHz找信号作用后产生?F=466-465=1KHz的差拍信号，在输出端产生I 1KHZ的干扰哨叫声。 所以为了避免干扰，应合理选择电台的发射载波频率，使组合频率在中放通带以 外。 p,1c、由知。当p=0,q=1时，f= f这种干扰最强。所以为了避免这种f,fcIcIq,p 干扰， 应使在接收频段之外，如465在535-1605外。 (3) 克服方法: a、选定合理的Q点，减少滤波分量。 b、限制Uc(t)的幅度。 c、选合理的f I 二、寄生通道干扰——外来干扰与本振的组合频率干扰 (1) 产生的原因: 混频器输入回路选择性差，使f信号输入，与本振f经变频后产生许多频谱nL ,pf,qf,ff,f分量，且满足时，该干扰将通过混频后由并经中放，在LnInI检波器中检波后在输出端听到干扰的声音。如图3-3所示。 图3-3 14 桂林航天工业学院 (2) 形成条件: ,pf,qf,f由式知:当干扰频率f与本振频率f满足下列条件 nLLnI ,pf，qf,fLnI ，pf,qf,fLnI fppp,1I或 时，即可形成通道干扰 f,f,,f，fnLcIqqqq 该式表明: pa、寄生通道干扰总是对称地分布在的两边,且与它的间隔均为 f/q fIIq 图3-4 b.从理论上讲,p,q为正整数，由上式求出的f有无数多个。实际上，只有n在p,q值较小 p，q,5时才能形成较强的干扰，而在时，上式中的干扰强度已经很小，可以不 计。 在上式干扰中，最强的两个干扰是: ? 中频干扰(p=0,q=1) f= f (中频直通) nI 中频干扰一旦进入混频器输入端，混频器无法将其削弱或抑制，它具有比有 用信号更强的传输能力。因为对于中频干扰来讲，混频器实际上起到了中频放大 器的作用。所以要求中频抑制比大于等于30dB。 克服办法:提高输入回路的选择性，加中波陷波电路。 ? 镜像干扰(p=1,q=1) - 15 - 第三章 混频器 f= ff=f +f nL+IcI 镜像干扰只要能进入输入回路到达混频器输入端，就具有与有用中频通道相 同的变换力，混频器无法将其削弱或抑制。 qp,1将上式变换，可得: f,f,fcnIpp 该式说明，当干扰电台f的频率一定时，只要接收机调谐在满足上式计算出n 的频率上，则该干扰电台就会形成寄生通道干扰。 f=1000KHZ作用，根据例如，中波收音机中，在混频器输入端有干扰电台 n上式求出收音机调谐在下列几个频率上时，会使该干扰形成寄生通道干扰。 当p=1,q=2时，f=2f-2f=2000-930=1070KHZ cnI 当p=2,q=2时，f=f-1/2f=1000-465/2=767.5 cnI 对应于其它不同的p、q值，得到的f均在接收机频率范围(中波广播为535,c 1605KHZ)之外，不会形成干扰。 (3)克服办法: g(t),u(t)?Q和VLM的大小，使 L ?提高输入回路选择性，加陷波器。 ?提高f使f与f间距加大。I,nc 三.非线性失真 包络失真和强信号阻塞(u态)，交叉调制(三次方以上各项)，互相调制(平 方项以上)，混频器、放大器中均有存在。 克服方法: ?选平方律特性的器件 ?Q合理选，使其工作在平方律区域 ?加负反馈扩大动态范围 ?采用组合电路 设输入信号为v=Vcoswt,本机振荡信号为v=Vcoswt SS SLLL 由相乘混频的框图可得输出电压 v=1/2 KKVVcos(w-w)t 0 FMLSLS =Vcos(w-w)t 0LS 16 桂林航天工业学院 式中 v=1/2 KKVV0 FMLS 定义为混频增益A为中频电压幅度V与高频电压V之比，就有 M0S A=V/V=1/2KKV M0SFML 下图为模拟乘法器混频电路，该电路由集成模拟乘法器MC1596完成 图3-5 MC1596构成的混频电路 上图为模拟乘法器混频电路，该电路由集成模拟乘法器MC1596完成。本实验中输入信号频率为fS,10MHz(由DDS信号发生器输出)，实验箱自己提供的信号源作为本振信号，其频率fL,16.465MHz。 为了实现混频功能，混频器件必须工作在非线性状态，而作用在混频器上的除了输入信号电压VS和本振电压VL外，不可避免地还存在干扰和噪声。它们之间任意两者都有可能产生组合频率，这些组合信号频率如果等于或接近中频，将与输入信号一起通过中频放大器、解调器，对输出级产生干涉，影响输入信号的接收。干扰影响最大的是中频干扰和镜象干扰。 MC1596采用双电源+12V，-12V供电。R12，R13组成平衡电路，J7为本振信号输入端;J8为接收信号输入端;F2为中心频率为4.5MHz带通滤波器。输入信号频率f=4.5MHZ,本振频率f=8.7MHZ。电路的作用是将中心频率为f的信号，变换sLs为中心频率为f的信号。电路的基本工作过程是，接收到的频率为f的信号和Is频率为f的本振信号分别加到非线性集成模拟相乘器的两个相乘端，相乘的结果L 经过晶体滤波器，选出其中的f信号，实现了频率变换的功能。I - 17 - 第四章 电路板的制作与测试 第四章 电路板的制作与测试 Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB(印制电路板)设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。Protel 设计系统是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计系统，由于其高度的集成性与扩展性，一经推出，立即为广大用户所接受，很快就成为世界PC平台上最流行的电子设计自动化软件。 这次的电路板制作就是用到Protel99SE软件制作完成。 4.1 Protel99SE制作印刷电路板具体设计步骤 1.设计电路原理图 在设计电路之初，必须先确定整个电路的功能及电气连接图。用户可以使用Protel99提供的所有工具绘制一张满意的原理图，为后面的几个工作步骤提供可靠的依据和保证。 2.生成网络表 要想将设计好的原理图转变成可以制作成电路板的PCB图，就必须通过网络表这一桥梁。在设计完原理图之后，通过原理图内给出的元件电气连接关系可以生成一个网络表文件。用户在PCB设计系统下引用该网络表，就可以此为依据绘制电路板。 3.设计印刷电路板 在设计印刷电路板之前，需要先从网络表中获得电气连接以及封装形式，并通过这些封装形式及网络表内记载的元件电气连接特性，将元件的管脚用信号线连接起来，然后再使用手动或自动布线，完成PCB板的制作。 4.1.1 电路原理图制作步骤 1.设置好原理图所用的图纸大小。最好在设计之处就确定好要用多大的图纸。虽然在设计过程中可以更改图纸的大小和属性，但养成良好的习惯会在将来的设计过程中受益。 18 桂林航天工业学院 2.制作元件库中没有的原理图符号。因为很多元件在Protel99中并没有收录，这时就需要用户自己绘制这些元件的原理图符号，并最终将其应用于电路原理图的绘制过程之中。 3.对电路图的元件进行构思。在放置元件之前，需要先大致地估计一下元件的位置和分布，如果忽略了这一步，有时会给后面的工作造成意想不到的困难～ 4.元件布局。这是绘制原理图最关键的一步。虽然在简单的电路图中，即使并没有太在意元件布局，最终也可以成功地进行自动或手动布线，但是在设计较为复杂的电路图时，元件布局的合理与否将直接影响原理图的绘制效率以及所绘制出的原理图外观。 5.对原理图内的图件进行电气连接。这里提到的线路可以是导线、接点或者总线及其分支线。当然，在比较大型的系统设计中，原理图的走线并不多，更多的时候是应用网络标号来代替直接的线路连接。这样做既可以保证电路的电气连接，又可以避免使整个原理图看起来杂乱无章。 6.放置注释。这样做可以使电路图更加一目了然，增强了可读性。同时，它也是一个合格的电路设计人员所必须具备的素质之一。 按照上面的6个步骤，通过Protel 99SE软件画出基于乘法器的混频器设计的电路原理图如下图4-1: 图4-1基于乘法器的混频器MC1596的原理图 - 19 - 第四章 电路板的制作与测试 4.1.2 PCB的设计流程 1.绘制正确的原理图和网络表。原理图是设计PCB板的前提，而网络表是连接原理图和PCB板图的桥梁，所以在绘制PCB电路板之前一定要先得到正确的原理图和网络表。 2.确定元件封装。要完成从原理图到PCB的转换，只有各个元器件对象的连接关系是不够的，还必须知道每一个元件的封装形式(Footprint)。Protel99SE提供了丰富的标准元件库，在导入网络表文件 ，必须先加载PCB元件封装库，并且要确保所有用到的库都已载入。 3.设置环境参数。用户可以根据自己的习惯设置环境参数，如栅格大小、光标捕捉大小、公制英制单位的转换以及工作层面的颜色等。另外，因为PCB板图由很多层构成，所以还需要对PCB板的图层进行设置。 4.规划电路板。这一步主要是对电路板的各种物理参数进行设置，包括电路板是采用双层板还是多层板，电路板的形状、尺寸，电路板的安装方式，在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘，以及在禁止布线层上绘制PCB板的外形轮廓等等。 5.导入网络表。网络表中包含了各个元器件的封装形式，以及元件之间的连接关系，因此导入网络表之后就得到了PCB的后续设计的基础。 6.元件的布局。应当从机械结构、散热、电磁干扰、将来布线的方便性等各方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件并锁定这些器件，然后布置较大的、占用空间较多的器件和电路的核心元件，最后布置外围的小元件。 7.制订详细的布线规则。布线规则包括走线间距、各种线宽、过孔的大小、布线的拓扑结构等，这些规则需要根据所设计的电路板的实际情况进行设置。另外，还要在不希望有走线的区域内放置填充层，如散热器和卧放的两脚晶振下方所在的布线层。 8.PCB布线。这一步骤包括了手工布线、自动布线和手工调整三个小步。 9.电路板的引出端的处理。在实际PCB设计中，电源、接地、信号的输入和输出等端必须与外界相连，引出方式根据工艺要求而定。常见的引出方式—利用焊盘引出和利用接插件引出;也可以在原理图中添加引出端，而后更新PCB板。 10.敷铜与补泪滴。为了增强电路板的抗干扰能力，需要对各布线层的放置地线网络进行敷铜，根据需要可以有网格状敷铜或实心敷铜，也可以对电源网络进行敷铜。另外，还需要对所有过孔和焊盘补泪滴，对于贴片和单面板一定要加泪滴。 20 桂林航天工业学院 11.进行设计规则检查。为了确保电路板图符合设计规则，以及所有的网络均已经正确连接，布线完毕后一定要做设计规则检查。这一步与前面的制订详细的布线规则是相互呼应的，一方面，可以根据制定好的设计规则来检查布线错误;另一方面，如果布线过程中需要忽略某些错误，也可以对设计规则进行修改。 12.调整其余层上的信息。全部调完并且通过设计规则检查之后，将所有丝印层的字符拖放到合适位置，注意尽量不要放在元件下面或过孔和焊盘的上面，对于过大的字符可适当缩小。最后再放上印板名称、设计版本号、公司名称、文件首次加工日期、印板文件名、文件加工编号等信息，并可用第三方提供的程序加上中文注释。 13.保存和导出印制板文件。设计完成后，还要对印制板文件进行整理、存档和打印图纸等工作。此外还可以导出元件明细表，生成电子表格文档作为元件清单等。 按照上面的13个步骤，通过Protel 99SE软件画出基于乘法器的混频器设计的PCB理图如下图4-2: 图4-2 基于乘法器的混频器MC1596的PCB图 - 21 - 第四章 电路板的制作与测试 4.1.3 制作电路板 1、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。 2、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。 3、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。 4、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，温度设定在160-200摄氏度，由于温度很高，操作时注意安全～ 5、腐蚀线路板,回流焊机。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: 6、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，操作钻机还是比较简单的，只要细心就能完成得很好。请仔细看操作人员操作。 7、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，只需薄薄的一层，不光防止线路被氧化，同时松香也是很好的助焊剂，一般来说，线路板表面松香水会在24小时内凝固，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。热风机温度高达300度，使用时不能把出风口朝向易燃物、人和小动物，还是要求安全第一啊～ 8、焊接电子元件。焊接完板上的电子元件，通电，功能实现 22 桂林航天工业学院 4.2 电路的连接 一、实验器材:双综示波器、高频信号源、若干电路连接线和电路板 二、参照图(4-1)连接电路，其中电源接+12V和-8V，一个GND口，一个输出OUT口及两个输入口U(t)和U(t)如下图4-3所示。 SL 图4-3 电路连接图 - 23 - 第四章 电路板的制作与测试 4.3 混频电路经示波器的结果图 图4-4 U(t)口的输入波形 L 图4-5 U(t)口的输入波形 S 24 桂林航天工业学院 图4-6 OUT口的输出波形 设输入为单频调制的双边带信号 us(t)= UcosΩtcosωt (Ω〈〈ω) scc并假设本机载波信号与原载波信号同频不同相，即有相差φ，则 uL(t)=ULcos(ωt+φ) c 相乘器的输出信号 u’o(t)=KmUsUcosΩtcosωtcos(ωt+φ) Lcc =0.5KmUsUcosΩt[cosφ+ cos(2ωt+φ)] Lc有用分量为 u’1(t)=0.5KmUsUcosφcosΩt L 无用分量为 u’ ’1(t)=0.5KmUsUcosΩt cos(2ωt+φ) Lc =0.5KmUsUcos[(2ω-Ω)t+φ]+ 0.5KmUsUcos[(2ω+Ω)t+φ] LcLc 由上式可知，相乘器输出的无用分量的频率为2ω?Ω，故滤波器对有用c频率分量的传输系数应尽可能大，对无用频率分量2ω?Ω的传输系数应尽可c能小。设滤波器对有用品频率分量Ω的传输系数为Kf,则整个检波器输出的有 - 25 - 第四章 电路板的制作与测试 用信号为 uo(t) =KFu’1(t)=0.5KfKmUsUcosφcosΩt L uo(t)与us(t)的幅度之比，即为检波器传输系数Kd。且由以上公式可得 Kd,0.5KfKmUcosφ L 由上式可以看出，为了增大检波器的传输系数，对恢复的载波，也称本机振荡电压的要求是: ?幅度U应尽可能大，但不应超过相乘器的最大容许输入电压。 L ?本机振荡电压不但应与原载波电压同频，而且应同相。因为φ,0时， cosφ,1，达最大值，相应地Kd也达到最大的可能值。故此种相乘检波又 称同步检波或相干检波。低通滤波器的上截至频率应低于2倍高频载波频 率，而高于最高调制频率。 26 桂林航天工业学院 第五章 结论 在电路设计与Protel99SE环境中创建集成模拟乘法器MC1596电路模块，利用模拟乘法器MC1596完成双边带调幅及普通调幅、同步检波、混频、乘积型鉴相电路的实现，并结合示波器仪器实现对基于乘法器的混频调制解调电路。阐述了以上个电路的设计思路并进行了仿真，并简述了原理图的绘制，元器件的编辑 仪表的使用。针对实验中出现的问题做了分析和改正。 与管理，及示波器 Protel99SE又称“万能仿真”，在电路硬件连接前使用Protel99SE进行仿真，可以预防电路设计中的错误，并模拟预期效果，大大提高了实体连接的成功性。除上述电路外，Protel99SE在高频电子线路中还有极其广泛的应用，例如:小信号的放大、功率放大器实验、晶体振荡器实验等。此外Protel99SE还可用于模拟电路的分析、数字电路的分析等。其强大的仿真功能远远超过本文所述，有待进一步研究 - 27 - 第六章 附录 第六章 附录 附录1 元件器清单 序号 序号 元件名称 型号 数量 1 C2、C6 电容 0.0047uF 2个 2 C3、C1 电容 0.01uF 2个 3 C5 电容 56pF 1个 4 C4 可变电容 30pF 1个 5 L1、L2 电感 0.2mH 2个 6 L3 电感 0.1mH 1个 7 U*1 模拟乘法器 MC1596 1个 8 R1、R2、R3、电阻 1K 4个 R4 9 R5、R9 电阻 1.1K 2个 10 R6、R8、R10 电阻 10K 3个 11 R7 可变电阻 200K 1个 28 桂林航天工业学院 附录2 电路原理图 - 29 - 第六章 附录 附录3 PCB图 30 桂林航天工业学院 参考文献 [1] 谢嘉奎，电子线路(第4版)，北京高等教育出版社，2003年6月 [2] 及力，Protel 99SE原理图与PCB设计教程(第2版)，电子工业出版社，2007年4月 [3] 陈磊，唐晓辉，现代通信原理实验指导书，桂林航天工业学校专科学校电子工程系，2009年7月 [4] 于洪珍，通信电子线路，清华大学出版社，2006年1月 [5] 阳昌汉，高频电子线路学习与解题指导，哈尔滨工程大学出版社，2004年6月 [6] 熊伟，Multisin7电路设计及仿真应用(第一版)，清华大学出版社，2005年7月 - 31 - 致谢 致 谢 本论文的工作是在我的导师邓莉老师的悉心指导下完成的，邓莉老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来邓莉老师对我的关心和指导。 邓莉老师悉心指导我们完成了毕业论文工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向邓莉老师表示衷心的谢意。 邓莉老师对于我的论文提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在撰写论文期间，罗莎莎、陆信勇等同学对我论文中的提供相关的资料研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人爸爸、妈妈，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 32