调幅混频乘法器的设计与实现

《通信技术创新课程设计》课程设计任务书

课程设计开题报告目录

1 摘要： (4)

2 设计方案选择与分析： (4)

2.1调幅电路模块 (4)

2.2 混频模块 (5)

3 系统介绍 (8)

3.1 系统电路框图 (8)

3.2 模拟乘法器MC1496简介 (9)

3.2.1 MC1496的内部结构 (9)

3.2.2 MC1496基本工作原理 (9)

4. 设计内容 (11)

4.1 系统电路原理图及分析 (11)

4.1.1 振幅调制电路 (11)

4.1.2 混频电路 (14)

4.2 系统电路仿真和PCB图、元器件表 (16)

5.电路测试和数据分析 (17)

6小结 (17)

6.1电路分析选择和体会 (18)

6.2设计中遇到的问题及体会 (18)

参考文献 (19)

附件：（系统总体电路图、元器件清单、硬件设计实物照片等）

调幅混频乘法器的设计与实现

1 摘要：

本设计中，采用了集成模拟乘法器MC1496，其特点是具有体积小、结构简单、性能优越等特点，目前在无线通信、广播电视等方面应用较多。本设计通过开关选择进行调幅或混频，再采用MC1496进行两个模拟量的相乘，在本系统设计中共有以下两个模块组成：调幅电路模块、混频电路模块。

关键词：调幅；混频；MC1496；乘法器

2 设计方案选择与分析：

2.1调幅电路模块

调幅电路是把调制信号和载波信号同时加在一个非线性元件上（例如晶体二极管或三极管）经非线性变换成新的频率分量，再利用谐振回路选出所需的频率成分。

调幅电路分为二极管调幅电路和晶体管基极调幅、发射极调幅及集电极调幅电路等。

通常，多采用三极管调幅电路，被调放大器如果使用小功率小信号调谐放大器，称为低电平调幅；反之，如果使用大功率大信号调谐放大器，称为高电平调幅。

在实际中，多采用高电平调幅，对它的要求是：（1）要求调制特性（调制电压与输出幅度的关系特性）的线性良好；（2）集电极效率高；（3）要求低放级电路简单。

方案一、基极调幅电路

图1 基极调幅电路

上图是晶体管基极调幅电路，载波信号经过高频变压器T1加到BG的基极上，低频调制信号通过一个电感线圈L与高频载波串联，C2为高频旁路电容器，C1为低频旁路电容器，由于晶体管的ic=f(ube)关系曲线的非线性作用，集电极电流ic含有各种谐波分量，通过集电极调谐回路把其中调幅波选取出来，基极调幅电路的优点是要求低频调制信号功率小，因而低频放大器比较简单。其缺点是工作于欠压状态，集电极效率较低，不能充分利用直流电源的能量。

方案二、发射极调幅电路

图2 发射极调幅电路

上图是发射极调幅电路，其原理与基极调幅类似，因为加到基极和发射极之间的电压为1伏左右，而集电极电源电压有十几伏至几十伏，调制电压对集电极电路的影响可忽略不计，因此射极调幅与基极调幅的工作原理和特性相似。

方案三、集电极调幅电路

图3 集电极调幅电路

上图是集电极调幅电路，低频调制信号从集电极引入，由于它工作于过压状态下，故效率较高但调制特性的非线性失真较严重，为了改善调制特性，可在电路中引入非线性补尝措施，使输入端激励电压随集电极电源电压而变化，例如当集电极电源电压降低时，激励电压幅度随之减小，不会进入强压状态；反之，当集电极电源电压提高时，它又随之增加，不会进入欠压区，因此，调幅器始终工作在弱过压或临界状态，既可以改善调制特性，又可以有较高的效率，实现这一措施的电路称为双重集电极调幅电路。

2.2 混频模块

方案一、双差分对平衡调制器混频器

1、电路的组成原理

图中电路由三个差分对管组成

图4 双差分对平衡调制器原理电路

T1、T2和T3、T4分别由T5、T6提供偏置电流，T5、T6由I0提供偏置电流，输入电压v1交叉地加在T1、T2和T3、T4的输入端，输入电压v2加在T5、T6输入端，平衡调制器的输出电流iⅠ和iⅡ由上面两差分对输出电流合成。i=iⅠ－iⅡ＝（i1＋i3）－（i2＋i4）＝（i1－i2）－（i4－i3）式中（i1－i2）是左边差分对管的输出差值电流（i4－i3）是右边差分对

管的输出差值电流，它们分别为故：

，其中（i5－i6）是下面差分对管的输出差值电流，其值为

，因而

上式表明，双差分对平衡调制器不能实现v1和v2的相乘运算，但当v1和v2都小于26mV 时，v/（2VT）≤0.5，∴可以实现v1和v2的相乘运算

方案二、二极管双平衡混频器

二极管双平衡混频器是一种工作在开关状态的相乘组件，可以构成性能优良的混频器。1.电路组成原理

图中，vs＝Vsmcosωct 为输入信号电压，相应的端口称为R端口；vL＝VLmcosωLt 为本振电压，相应的端口称为L端口；RL为输出负载电阻，取出中频信号，相应的端口称为I端口；两个变压器为带有中心抽头的宽频变压器，其初、次级绕组的匝数比为1:1 ；D1～D4

为四只肖特基表明势垒二极管。若VLm＞＞Vsm，则可认为各二极管均工作在受vL控制的开关状态。在vL的正半周：D2、D3导通，D1、D4截止，等效于图（b）。在vL的负半周：D2、D3截止，D1、D4导通，等效于图（c）

图5 二极管双平衡混频器

(a)组成电路；(b)、（c）拆成两个单平衡混频电路

由图可知，两个电路的工作不会相互影响，可以分别讨论它们的性能，而后将它们合成，便可得到双平衡混频器的性能。设开关函数为K1(ωLt)，由图（b）可得：vs－i2RD＋vL－（i2

－i3)RL=0，vs＋i3RD－vL－（i2－i3）RL=0，整理可得（消去vL），加上相应的开关函数，可改写为，同样的分

析可得出图（c）的表达式为，因而通过RL的总电流为

由上式可见，该电路也是一个相乘器。且输出电流的中频电流分量为

把双平衡混频器电路改画为4-2-17，可见，图中四个二极管组成一个环路，各二极管的极性沿着环路一致，故又称为环形混频器。

图6 环形混频器

3 系统介绍

3.1 系统电路框图

图7 振幅调幅、混频乘法器电路框图

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、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立器件如二极管和三极管要简单的多，而且性能优越。所以目前在无线通信、广播电视等方面应用较多。集成模拟乘法器的常见产品有BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等。

本设计中采用MC1496集成模拟乘法器。

3.2 模拟乘法器MC1496简介

3.2.1 MC1496的内部结构

MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。其内部电路和引脚如图4(a)(b)所示。其中1VT 、

2VT 与3VT 、4VT 组成双差分放大器，5VT 、6VT 组成的单差分放大器用以激励1VT ～4VT 。7VT 、

8

VT 及其偏置电路组成差分放大器

5VT 、

6

VT 的恒流源。引脚8与10接输入电压UX ，

1与4接另一输入电压Uy ，输出电压U0从引脚6与12输出。引脚2与3 外接电阻RE ，对差分放大器

5

VT 、

6

VT 产生串联电流负反馈，以扩展输入电压Uy 的线性动态范围。引脚

14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电使），引脚5外接电阻R5。用来调

节偏置电流I5及镜像电流I0的值。

(a)内部电路 (b)引脚图

图8 MC1496的内部电路及引脚图

3.2.2 MC1496基本工作原理

设输入信号t U u x xm x ωcos =， t U u y ym y ωcos =，则MC1496乘法器的输出U 0与反馈电阻R E 及输入信号x u 、y u 的幅值有关。

（1）不接负反馈电阻（脚2和3短接）

a 、x u 和y u 皆为小信号()26m V <时，由于三对差分放大器（VT 1，VT 2，VT 3，VT 4

及VT 5，VT 6）均工作在线性放大状态，则输出电压U 0可近似表示为

y x y x T

L

u u K u u U R I u 02

002=≈ ])cos()[cos(2

1

0t w w t w w U U K y x y x ym xm -++=

（6）

式中，0K ——乘法器的乘积系数，与器件外接元件参数有关，即 2

002T

L

U R I K =

（7） 式中， T U ——温度的电压当量，当T=300K 时，mV q

KT

U T 26== L R ——输出负载电阻。

式（6）表明，输入均为小信号时，MC1496可近似为一理想乘法器。输出信号0u 中只包含两个输入信号的和频与差频分量。

b 、y U 为小信号，x U 为大信号（大于100mV ）时，由于双差分放大器（VT 1、VT 2和

VT 3、VT 4）处于开关工作状态，其电流波形将是对称的方波，乘法器的输出电压0u 可近似表示为

y x u u K u 00≈ ∑∞

=-++=1

0])cos()[cos(n y x y x

n

ym

t w nw t w nw

A U K （n 为奇数） （8）

输出信号0u 中。包含y x w w ±,y x w w ±3,y x w w ±5………,y x w w n ±-)12(等频率分量。

（2）接入负反馈电阻

由于E R 的接入，扩展了y u 的线性动态范围，所以器件的工作状态主要由x u 决定，分析表明：

ａ、当x u 为小信号()26m V <时，输出电压0u 可表示为

])cos()[cos(2

1

0t w w t w w U U K u u U R R u y x y x ym xm E y x T E L -++==

（9）

式中： T

E L

E U R R K =

（10）

式（9）表明，接入负反馈电阻E R 后，x u 为小信号时，MC1496近似为一理想的乘法器，输出信号0u 中只包含两个输入信号的和频与差频。

ｂ、当x u 为大信号()100m V >时，输出电压0u 可近似表示为 y E

L

u R R u 20≈

(11) 上式表明，x u 为大信号时，输出电压0u 与输入信号x u 无关。

4. 设计内容

4.1 电原理图

图9 振幅调制、混频乘法器电原理图

4.1.1 振幅调制电路

振幅调制是使载波信号的峰值正比于调制信号的瞬时值的变换过程。通常载波信号为高频信号，调制信号为低频信号。

设载波信号的表达式为()t U t u c cm c ωcos =，调制信号的表达式为

()t U t u m c Ω=Ωcos ，则调幅信号的表达式为

()()()()t

mU t mU t U t

t m U t u c cm c cm c cm c cm Ω-+Ω++=Ω+=ωωωωcos 2

1

cos 21cos cos cos 10 （7-12）

式中， m ——调幅系数，cm m U U m Ω=；

t U c cm ωcos ——载波信号；

()t mU c cm Ω+ωcos 21

——上边带信号； ()t mU c cm Ω-ωcos 2

1

——下边带信号 它们的波形及频谱如图10所示。

(a)调幅波波形 (b)调幅波频谱

图10 振幅调制

由图可见，调幅波中载波分量占有很大比重，因此信息传输效率较低，称这种调制为有载波调制。为提高信息传输效率，广泛采用抑制载波的双边带或单边带振幅调制。双边带调幅波的表达式为

()()()[]

t

t mU t t mU t u c cm c c cm Ω=Ω-+Ω+=

cos cos cos cos 2

1

0ωωω （7-13） 单边带调幅波的表达式为

()()t mU t u c cm Ω+=

ωcos 2

1

0 或

()()t mU t u c cm Ω-=

ωcos 2

1

0 （7-14） MC1496构成的振幅调制器电路如图11所示

其中载波信号u C 经高频耦合电容C 2从x u 端输入，C 3为高频旁路电容，使8脚接地。调制信号0u 经低频耦合电容C 1从y u 端输入，C 4为低频旁路电容，使4脚接地。调幅信号0U 从12脚单端输出。器件采用双电源供电方式，所以5脚的偏置电阻R 5接地，由式（7-4）可计算器件的静态偏置电流5I 或0I ，即

mA R V U I I EE 15007.0505=Ω

+--=

=

图11 MC1496构成的调幅器

脚2与3间接入负反馈电阻R E ，以扩展调制信号的u Ω的线性动态范围，R E 增大，线性范围增大，但乘法器的增益随之减少。

R 6、R 7、R 8及R L 为器件提供静态偏置电压，保证器件内各晶体管工作在放大状态，阻值选取应满足（7-1）、（7-2）。对图11所示电路，测量器件的静态（U C =0，U Ω=0）偏置电压为

表1

R 1、R 2与电位器RP 组成平衡调节电路，改变RP 可以使乘法器实现抑制载波的振幅调制或有载波的振幅调制，操作过程如下：

ａ、抑制载波振幅调制

u x 端输入载波信号u C （t ），其频率f c =10.7MHz ，峰峰值U CP-P =40mV 。u y 端输入调制信号u Ω（t ），其频率f Ω=1KHz ，先使峰峰值U ΩP -P =0，调节R P ，使输出u 0=0，再逐渐增加U ΩP -P ，则输出信号u 0（t ）的幅度逐渐增大，最后出现如图12（a ）所示的抑制载波的调幅信号。由于器件内部参数不可能完全对称，致使输出出现漏信号。脚1和4分别接电阻R3和R4可以较好地抑制载波漏信号和改善温度性能。

（a ）抑制载波调幅波

（b ）有载波调幅波

图12 乘法器输出的调幅波

ｂ、有载波振幅调制

u x 端输入载波信号u C （t ），f c =10.7MHz ，U CP-P =40mV ，调节平衡电位器R P ，使输出信号u 0（t ）中有载波输出。再从u y 端输入调制信号，其f Ω=1KHz ，当U ΩP -P 由零逐渐增大时，则输出信号u 0（t ）的幅度发生变化，最后出现如图12（b ）所示的有载波调幅信号的波形，调幅系数m 为

max min

max min

100%m m m m U U m U U -=

?+ (7-15)

式中， max m U ——调幅波幅度的最大值；mmix U ——调幅波幅度的最小值

4.1.2 混频电路

用模拟乘法器实现混频，只要x u 端和y u 端分别加上两个不同频率的信号，相差一中频如10.7MHz ，再经过带通滤波器取出中频信号，其原理方框图如图7-10所示：

图13 混频原理框图

若()cos x s s u t V w t = ()00cos y s u t V w t = 则()00cos cos c s s u t KV V w t w t = ()()0001

cos cos 2

s s s KV V w w t w w t =

++-????

图 14 MC1496构成的混频器

经带通滤波器后取差频 ()()0001

cos 2

s s u t KV V w w t =

- 0s i w w w -=为某中频频率。

由MC1496模拟乘法器构成的混频器电路如图14所示，其中x u 端输入信号频率为10.7MHz ，u y 端输入频率位10.245MHz 的信号，输出端接有带通滤波器LC 。

4.2 系统PCB图

图15 PCB正面图

图16 PCB 背面图

设计PCB的流程如下：

1、准备原理电路图和网络表这是电路板设计的先期工作，主要完成电路原理图的绘制，

生成网络表。

2、规划电路板绘制PCB图前，考虑板材的物理尺寸，各元件的封装形式及其安装位置，

采用几层电路板等，确定电路板设计的框架。

3.设置参数设置参数包括设置元件的布置参数，板层参数和布线参数等。一般来说，有些参数用默认值即可，这些参数在第1次设置后几乎无需修改。

4.装入网络表及元件封装网络表是电路板自动布线的灵魂，也是电路原理图设计系统与印刷电路板设计系统的接口。只有将装入网络表之后，才能完成电路板的自动布线。

5.布局元件布局元件由Protel DXP自动完成。规划电路板并装入网络表后，可由程序自动装入元件，并将元件布置在电路板边框内。Protel DXP自动布置之后还需要用户手工布局。布局合理后，才能进行下一步的布线工作。

6.自动布线Protel DXP采用先进的无网格和基于形状的对角线自动布线技术，只要合理设置有关参数并布局元件，Protel DXP自动布线的成功率几乎是100%。

7.手工调整到目前为止，还没有一种自动布线软件能够完美到不需手工调整的地步。自动布线结束后，往往存在令人不满意的地方，需要手工调整。

8.保存及输出文件完成电路板布线后，保存完成的PCB图文件。然后利用图形输出设备，如打印机或绘图仪等输出电路图的布线图。

5.元器件表

表2 元器件表

6、小结

经过三周的时间，我们终于完成了课程设计，虽然在短短的三周内我们只能学到点皮毛，当时在我们的努力下，对电子线路熟悉了不少。

6.1 分析电路选择的体会

我们在设计之初准备了几个方案备选，集中综合分析。在分析过程中，我们体会到方案选择的重要，一个设计不但要完成既定的功能，还要考虑到成本和实用性等方面。

振幅调制电路、混频电路都属于频谱搬移电路，它们都可以用相乘器来实现。相乘器的两个相乘信号中，一个是输入信号，另一个称为参考信号，相乘器的作用就是将输入信号频谱不失真地搬移到参考信号频率的两边，或者说，输入信号频谱向左右搬移参考信号频率的数值。对于不同的频谱搬移电路，有不同的输入信号、不同的参考信号。

乘法器的输出是一标准的调幅波。输出电压的频谱仅由两个边频（wc+ws）和（wc–ws）组成。实际上，音频信号的ws不是单一频率，而是一个频带，如20Hz~5kHz。若载波信号的频率为fc=800kHz时，则下边频（wc–ws）和上边频（wc+ws）成为下边带和上边带，即以载波的频率800kHz为中心的频带。

调制/解调用的模拟乘法器，因载波频率较高，一般选用开关乘法器，可选用开关速度较高的MC1596型乘法器。

目前，模拟乘法器的应用极其广泛，随着集成乘法器品种的增多、成本降低、精度提高和应用方便（已去掉调零电路）等多方面的优点，它会像集成运放一样，共同推进电子技术的发展。

6.2设计中遇到的问题

（1）电路图设计中：本次课程设计在老师提供的《高频电子线路C4型实验箱实验指导书》下在已有实物模板的情况下进行模仿制作。指导书详尽地介绍集成模拟乘法器（MC1496）的工作原理及实现混频，调幅，同步检波，鉴频等几种频率变换电路的原理及方法。我们组主要实现相乘器的混频，调幅功能。

（2）PCB制图方面：由于大三时我们已学习protel99se教程及PCB制版，所以我们对电路进行仿真制版问题不大，只是PCB自动布局连线时不够雅观，需要对元件布局进行手工调整以使制板时方便。

（3）我们对protel99se常用元件的电气图形符号和封装形式不够熟悉，该电路中用到的电阻，电容，电感的封装我们在老师指导的基础上再从参考书查找。

（4）老师要求在报告中列出PCB助焊图和阻焊图，但是这两个概念我们之前没有接触过，上网也没有找到相关有效资料，这个问题到现在还没有解决。

总之这次课程设计我们虽然最后没有能做出实物，不过在整个课程设计过程中我们仍然能学到很多知识，有很多感触。比如我们熟悉了软件的应用，硬件的调试，设计产品并实现功能的整个流程，报告的规范书写，团队的分工合作等。在今后的学习实践过程中我们应加强应用。

参考文献

1. 孟贵华.电子元器件选用、使用、检测一本通. 北京：中国电力出版社,2006

2. 袁鹏平等编著. Protel DXP电路设计实用教程. 北京：化学工业出版社，2007

3. 湖北众友科技有限公司.高频电子线路实验指导书

4. 谢嘉奎.电子线路——非线性部分（第四版）.北京：高等教育出版社，2000

附件三：课程设计评分记录表

电子信息与电气工程系通信技术创新课程设计

评分记录表

姓名：学号：班级：