高频电子线路设计(三极管混频器的设计).

1、 通信通信电电子子线线路路课课程程设计说设计说明明书书 三极管混频器 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 蔡双 指导教师： 俞斌 职称 讲师 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子 1002 完成时间： 2012-12-20 摘 要随着社会的发展，现代化通讯在我们的生活中显得越来越重要。混频器在通信工程和无线电技术中，得到非常广泛的应用，混频器是高频集成电路接收系统中必不可少的部件。要传输的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号，才能在空中无线传输，在接收端将接收的已调信号要进行解调得到有用信号，然而在解调过程中，接收的已调高频信号也要经过频率的转换，变成相应的中频信号，这就要用

2、到混频器。其原理是运用一个相乘器件将本地振荡信号与调制信号相乘，经过选频回路选出差频项（中频） ，在超外差式接收机中，混频器应用十分广泛，如：AM 广播接收机将已调振幅信号 535K1605KHZ 要变成 465KHZ 的中频信号；还有移动通信中的一次混频、二次混频等。由此可见，混频电路是应用电子技术和无线电专业必须掌握的关键电路。关键词 混频器；中频信号；选频回路ABSTRACTWith the development of society, the modernization of communication in our life becomes more and more import

3、ant. Mixer in communication engineering and radio technology, widely used, the mixer is high frequency integrated circuit receiving system essential components. To transmit baseband signal to go through frequency conversion into a high frequency modulated signal, can in the air, wireless transmissio

4、n, at the receiving end receives the modulated signal to demodulate the received useful signal, however in the demodulation process, receives the modulated high frequency signal to go through frequency conversion, into the corresponding intermediate frequency signal, this will be used mixer. Its pri

5、nciple is to use a multiplication device will be local oscillation signal and modulated signal by frequency selective circuit multiplication, choose the difference frequency term (MF ), in a superheterodyne receiver, mixer, a wide range of applications, such as: AM radio receiver will be modulated a

6、mplitude signal 535K 1605KHZ to become 465KHZ intermediate frequency signal; and mobile communication a mixer, a two mixer etc. Therefore, the mixer circuit is the application of electronic technology and radio professional must grasp the key circuit.Key words mixer；intermediate frequency signal；fre

7、quency selective circuit目目 录录1 三极管混频器的设计内容及要求.1 1.1 设计内容.1 1.2 设计要求.1 1.3 设计原理说明.12 设计方案论证.2 2.2 混频电路部分.2 2.2.1 方案一 .2 2.2.2 方案二 .2 2.2.3 方案三 .3 2.3 本地振荡电路部分.3 2.3.1 方案一 .4 2.3.2 方案二 .4 2.4 选频回路部分.53 设计电路及原理与仿真.6 3.1 本地振荡电路.6 3.1.1 振荡起振的条件 .6 3.1.2 参数选择及性能分析 .6 3.1.3 电路仿真及调试 .8 3.2 混频电路.9 3.2.1 混频原理

8、 .9 3.2.2 参数选择及性能分析 .11 3.2.3 电路仿真及调试 .134 电路板的调试与误差分析.16 4.1 电路板的制作与调试.16 4.2 误差分析.17 4.3 设计体会.17参考文献.19致谢.20附录.2101 三极管混频器的设计内容及要求1.1 设计内容在本次通信电子线路课程设计中我采用了 Multisim 仿真软件对三极管混频器进行设计及绘制，并模拟仿真，在仿真的基础上再做了实物。从理论上对电路进行了分析。选择合适的元器件，设计出满足要求的三极管混频器。1.2 设计要求设计一个三极管混频器。要求中心频率为 10MHz, 本振频率为 16.455MHz。1.3 设计原

9、理说明 混频电路的类型较多，常用的有模拟相乘混频器、二极管平衡混频器、环型混频器、三极管混频器等。由于本设计课题为三极管混频，所以其它电路不与考虑，其三极管混频器组成框图如图 1.1 所示图 1.1 三极管混频器组成框图混频电路主要有三大部分组成：本地振荡器、晶体管混频电路和选频回路，各个部分独立工作。本地振荡器产生稳定的振荡信号（设其频率为）通过晶0f体管混频电路和输入的高频调幅波信号（设其频率为） ，由于晶体管的非线Sf性特性，两个信号混合后会产生+、-频率的信号，然后通过中频选0fSf0fSf频回路，取出-频率的信号，调节好、的大小使其差为中频频率，0fSf0fSf即所需要的中频信号 6

10、.455MHZ。12 设计方案论证在接收机中的混频器电路的主要功能是使信号接收到的高频信号由一个频率变换成另外一个较低的频率，实际上是一种频谱线性搬移电路。它能将高频载波信号或已调波信号进行频率的搬移，将其变换为某一特定固定频率的信号。而变换后的信号，它的频谱内部结构和调制类型保持不变，改变的仅仅是信号的载波频率。2.1 混频电路部分用晶体三极管电路实现相乘的电路有多种形式，一般按照晶体管组态和本地振荡电压注入点的不同可分成四种方案的基本电路。2.1.1 方案一此方案输入信号和本地振荡信号都从基极注入，其等效电路如图 2.1 所示，此电路对信号电压来说是共射电路，它具有输入阻抗较大，变频增益大

11、，因此用做混频时，本地振荡电路负载较轻，容易起振，需要的本振注入功率也较小。但因为信号电路与振荡电路相互影响较大（直接耦合），可能产生牵引现象。当 s 与 0 的相对频差不大时，牵引现象比较严重，不宜采用此种电路。图 2.1 方案一等效电路 2.1.2 方案二此方案电路对于信号电压都是共基电路，其等效电路如图 2.2(a)(b)所示，它在较低的频率工作时，变频增益低，输入阻抗也较低，因此在频率较低时一2般都不采用。但在较高的频率工作时(几十 MHz)，因为共基电路的截止频率 f比共发电路的 f 要大很多，所以变频增益较大。因此，在较高频率工作时采用这两种电路。由于本设计要求的频率较低，所以不宜

12、采用此方案。(a) (b)图 2.2 方案二等效电路2.1.2 方案三此方案电路的输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极注入，其等效电路如图 2.3 所示，此电路相互干扰产生牵引现象的可能性小。同时，对于本振电压来说是共基电路，其输入阻抗较小，是本振电路负载较重，虽不易起振但也不易过激，因此振荡波形好，失真小。但是需要较大的本振注入功率，不过通常所需的功率也只有几十毫瓦，本振电路完全可也供给。比较这三种方案，方案三的可行性最好，所以选择此方案。图 2.3 方案三等效电路2.2 本地振荡电路部分 本地振荡器是本设计电路的重要部分，同时也是超外差式接收机的主要部分。其主要作用是将直流信号变为高频

13、正弦信号，产生所需的频率方法多种多样，有 LC 晶体管振荡器、RC 正弦波振荡器、负阻正弦波振荡器等方法，为了电路简单又达到设计要求，本设计采用以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器，它可以用来产生几十千赫兹到几百兆赫兹的正弦波信号。LC振荡器按反馈3网络结构不同，可分为互感耦合和三点式两大类。2.2.1 方案一 此方案为互感耦合式振荡器，其原理电路如图 2.4 所示，此电路为了合理调节耦合系数M的大小，可通过设计合适的耦合线圈匝数，以满足振幅起振的条件。但因高次谐波的感抗大，故取自变压器次极的反馈电压中高次谐波振幅较大，所以导致输出震荡信号中高次谐波分量较大，波形不理想。所以不宜采用此方案。

14、图 2.4 互感耦合式振荡器原理电路2.2.2 方案二 此方案采用西勒振荡器，其原理电路如图 2.5 所示，图中Rb1、Rb2、Re组成分压式偏置电路； Cb为基极旁路电容，使基极交流接地； L和C1、C2、C3、C4 4组成振荡回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。电容C1相当于Xce，C2相当于Xbe，而电感和小电容C3及可变电容 C4 4相当于Xbc，故它符合三点式振荡器的组成原则。它属于电容三点式振荡器的一种改进型,小电容 C3 3用来提高振荡频率的稳定度，可变电容 C4 4是保持振荡幅度的稳定。此电路结构简单，产生频率稳定而且波形失真小，满足设计要求，所以本地振荡电路部分选择此方案4图

15、2.5 西勒振荡器原理电路2.3 选频回路部分所谓选频就是指从众多信号中选择出有用的信号、滤除无用的干扰信号，主要有并联谐振选频回路，其电路如图 2.6 所示，还有耦合谐振回路选频，这种电路比单调谐电路具有更好的选择性，具有更好的阻抗匹配功能，但是要求两个谐振回路的调谐频率相等，实现起来难度要高一些，而并联谐振选频回路电路结构简单，而且混频输出的信号频率为输入信号的差频项以及和频项，对于选频回路不要求太高的选择性，综合考虑所以选频回路部分的电路选择并联谐振选频回路电路。图 2.6 选频回路电路53 设计电路及原理与仿真3.1 本地振荡电路本地振荡器是本设计电路的重要部分，同时也是超外差式接收机

16、的主要部分。其主要作用是将直流信号变为高频正弦信号。3.1.1 振荡起振条件正弦波振荡器按组成原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。所谓振荡器是用于产生一定频率和幅度的信号，它不需要外加输入信号的控制，就能自动地将直流电能转换为所需要的交流能量输出。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。本设计中用的是反馈式振荡器，图 3.1 所示即为 LC 三点式反馈式振荡器的原理图。三点式振荡器的构成法则是：与的电抗性质必须相同，与、1X2X3X1X的电抗性质必须相异。2X图 3.1

17、 LC 三点式反馈式振荡器的原理图3.1.2 电路及电路参数选择如图 3.2 示，此次设计的本振电路采用的是西勒振荡器，它是改进型电容三点式振荡器，其主要特点是在回路电感 L 两端并联了可变电容 C4,而 C3 为固定值电容器，且满足 C1、C2 远大于 C3，C1、C2 远大于 C4，回路总等效电容为 3.1434)312111 (1CCCCCCC振荡频率为63.2432121CCLLCf 图 3.2 本振电路（西勒振荡器）图 3.3 交流等效电路据西勒振荡电路的特点，C3 的大小对电路性能有很大影响。因为频率是靠调节 C4 来改变的，所以 C3 不能过大，否则振荡频率主要由 C3 和 L

18、决定，因为将限制频率调节的范围。此外，C3 过大也不利于消除晶体管极间电容的影响。7同时 C3 也不能过小，因为接入 C3 后，使晶体管输出端与回路耦合减弱，晶体管的等效负载减小，放大器的放大倍数下降，振荡器输出幅度减小。所以 C3越小，放大倍数越小，C3 过小，振荡器不满足振幅起振条件而停振。在西勒振荡器中，L 和 C1C4 的值可用式（3.1）计算出，不过若 L 与 C 的比值太小的话，在低频下难以振荡。有大致的标准，即振荡频率为 1MHZ 时，L 在 10uH 以上；10MHZ 时 L1uH。另需注意 C1、C2 的大小，若 C2/C1 太小，波形就会受限制，同事也会增加输出波形中的高次

19、谐波。反之，若太大，不能够完全补偿振荡电路的损耗而停振。又由于本电路要产生 16.455MHZ 的信号，所以 f0=16.455MHZ即 =16.455MHZCLf21综上所述，可以取值 C1=100PF,C2=100PF,C3=22PF,C4=14PF,L2=3.3uH.其它主要器件的参数如下，C5=300pF 为基极耦合电容，用来限3100R 制射极电流，R1=20K,R2=2K 为基极偏置电阻，用来给三极管确定一个合适的静态工作点，L1 为高频扼流圈。3.1.3 电路仿真及调试 图 3.4 本振信号波形8图 3.5 本振信号频率由仿真效果挺稳定，验证了西勒振荡器稳定性好波段范围内输出电压

20、幅度比较平稳的特点。此前我也用了克拉泼振荡器做本振，发现效果没西勒稳定。3.2 混频电路三极管混频器的特点是电路简单，有较高的变频增益，其工作原理电路如图 3.6 所示。3.2.1 混频原理 图 3.6 晶体管混频电路原理图三极管混频电路的形式与小信号谐振放大器相似，其差别有两点：输入、输出回路调谐在不同频率上；增加了本振电压的注入电路。图中，直流偏置VBB、本振电压和信号电压都加在晶体管的基极和发射机之间，一般情况下,0vsv,也就是本振电压是大信号，而输入信号电压为小信号。根据线性时变m0sm电路分析法可知，在一个大信号和一个小信号同时作用于非线性器件时，0vsv晶体管可看作是小信号工作点

21、随大信号变化而变化的线性参变元件，当高频信9号通过线性参变元件时，便产生各种频率分量，达到混频的目的。设Us(t)为输入信号，Uo(t)为本振信号。Ui(t)输出信号。分析：当stsmscosU(t)U则= = (t)(t)UU(t)UOsiOtOmstsmcos Ucos UOtstcoscos U其中：OmsmUUU 对上式进行三角函数的变换则有 = tOst1icoscos UtU)t-(cs)tcos( U21sOOos由此可知，经滤波后，输入信号、本振信号及输出信号都为正弦波信号。 从频谱的观点来看，混频的作用就是将已调波的频谱不失真地从高频搬移到中频上来。混频电路是一种典型的频谱搬

22、移电路，可以用相乘器和带通滤波器实现。混频电路的基本组成如下：图 3.7 混频电路基本组成输入信号为调幅波，本振信号为，)cos()()(cacmsttukUtutUtuLLmLcos)(则相乘器输出信号为)cos()cos()()(LLmcacmotUttukUtu=0.5则中频输出信号为=0.5LmU)cos()cos(LcLcacmtttukU)(tuo LmU)cos()(LcacmtukU以下是调幅波频率形图和混频前后的频谱原理图： 图 3.8 混频器频谱原理图 调幅波的混频示意图中，混频器上加了两个信号 Vs（输入信号）和波Vl(本振信号)，经过变频后，输出中频调波 Vi。输出的中

23、频调幅波与输入的高频调幅波调幅规律完全相同，即载没振幅的包络形状完全相同，唯一差别就是频率不同，10所以混频器实现的是频谱的线性搬移。如图 3.9 所示： 图 3.9 混频器的频谱搬移图另外在实际应用中混频器是存在各种非线性干扰的，如果没有采取有效地措施来抑制干扰，它会给从电路带来大量谐波信号使整个电路无法工作，因此应注意以下几个问题：（1）选择合适的中频。当输出频率确定后，在一个频段内的干扰点就确定了， 合理的选择中频频率，可大大减少组合频率干扰的点数，并将阶数较低的干扰排除掉。 （2）提高混频电路中选频网络的选择性。减少进入混频电路的外来干扰。 （3）采用合理的电路形式。如平衡电路、环形电

24、路、乘法器等，可以大大减少无用组合频率分量的数目。3.2.2 设计电路及电路参数选择 此次设计采用的是电路的输入信号（用 10MHZ 的信号源代替）与本振电压分别从基极输入和发射极注入。如图 3.10 为晶体管混频器的设计电路，该电路主要由 Q2 和 6.455MHz 选频回路（图 3.11）组成。11 图 3.10 晶体三极管混频电路图 3.11 选频电路 在高频放大器或振荡器中,由于某种原因,会产生不需要的振荡信号,这种振荡称为寄生振荡。介绍小信号放大器稳定性时所说的自激,即属于寄生振荡，为了电源去耦，消除由公共电源引起的多级寄生振荡，在设计电路时加入了C10、C2、L5。而在信号源连接处

25、加一电容是为了滤波用，如C3、C7、C4。R1、R3、R4 用来确定静态工作点，通过改变电阻 R4 的值来改变混频器晶体工作点，使其工作在合适的非线性区域，同时也可以用来调节混频增益。而选频电路的取值： =6.455MHZCLf21倒推可得：CL=607.921810HF 12从而通过对结合仿真效果，可取 L=2.7uH,C=221pF。3.2.3 电路仿真及调试 在实验中，通过改变 R1 的阻值可改变静态工作点，合适的静态工作点可使输出波形稳定，不失真，下面为 R1 在不同的阻值下的波形： 图 3.12 R1=4.5K时输出的波形图 3.13 R1=4.5K时的输出频率从仿真结果看稍有失真，

26、猜测可能是静态工作点调制不是很理想此时的13R1=4.5 K，所以通过对滑动变阻器 R1 的调试，应该可以取到最大不失真信号。 图 3.14 R1=5.7 K时的输出波图 3.15 R1=5.7 K时的频率14图 3.16 R1=9 K时的输出波形图 3.17 R1=9K时的频率从仿真结果来看，即当 R1=5.7 K时，波形如上图 3.14 所示，明显的失真更小，而当 R1=9K时，波形如图 3.16 示，波形又开始失真，所以，当 R1=5.7 K时，工作状态最好。154 电路板调试与误差分析4.1 电路板的制作与调试 (1)用 Protel 软件画原理图。注意各元器件的名字不要雷同。(2)用

27、 Protel 软件画 PCB 图。封装时特别注意三极管和滑动变阻器的封装引脚应与实物的引脚对应起来，在布线的时候，应注意避免直角走线，以防信号干扰。(3)元器件焊接。PCB 板转印和腐蚀成功后，先认真检验电路是否存在短路或断路的现象，等检查正常，再进行元器件的焊接。晶体管混频电路板焊接完成，再待认真检查后，我们把板子拿到实验室调试。我们先把高频小信号的幅值调到 300mV 左右，频率 10MHZ 左右的波形,如图4.1 然后把+12V 的电源接进去，调节可变电容使本振信号的幅值调到 500mV，频率 16.455MHZ 左右的波形，如图 4.2 所示，再用短路帽把本振信号和混频输入端接好。再

28、采用两头都带夹子的导线把接高频小信号接到板子的对应插针处，然后把-5V 的电源接进去，用示波器观察输出的波形，最后调节可变电阻，使其输出的波形达到最大不失真，且频率达到 6.455MHZ 左右。经调试后我们输出的波形如图 4.3 所示。 图 4.1 高频小信号的波形 图 4.2 本振信号的波形16图 4.3 输出信号的波形4.2 误差分析综合以上的测量数据，我们知道其测量的数据与理想的数据存在偏差，如中频输出电压的频率应为 6.455MHZ,但实际测出的频率为 6.52MHZ 左右。波形有点失真。分析可能造成误差的原因：(1)元器件本身的参数存在一点偏差；(2)在 PCB 布线时，可能没有注意

29、元器件的摆放与布线对信号的干扰作用。(3)在电路设计过程中，元器件参数的设计存欠缺。(4)混频电路自身的干扰强，如组合频率干扰和副道波干扰。还有一些其他的干扰，比如交调互调，阻塞干扰等。故在经后的制作过程中，应尽量购买参数较精确的元器件，PCB 布线应考录信号干扰的作用，电路设计应合理。4.3 设计体会本课题通过制作三极管混频器，将通信电子线路中电容三点式振荡电路、晶体管混频器和选频电路三部分有效的结合起来。学习并采用了 Multisim 仿真软件对三极管混频器进行设计及绘制，并模拟仿真，在仿真的基础上再做了实物。利用选频电路，选出符合课题要求的频率。在设计电路的过程中，我对混频电路有了进一步的认识，将理论知识加入实际设计当中去，更加加深了我对理论知识的理解和认识。在设计过程中遇到高频干扰，输出波形产生失真，通过问老师和同学们交流，加入滤波电路，失真现象有了明显的改善，最终得到比较理想的结果。同时用实物证明了混频的作用是将已调信号的载频变换成另一载频的信号。通过这几周的学习，我感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己对课本上的知识可以应用于实际，使的我们把理论与实际相结合起来，加深自己对课17本知识的理解。同时也段练了我个人的动手能力。能够充分利用图书馆查阅资料、网上查资料,使