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实验三-混频器实验三、混频器151180013陈建一、实验目的1. 了解三极管混频器和集成混频器的基本工作原理,掌握用MC1496来实现混频 的方法。2. 了解混频器的寄生干扰。3. 探究混频器输入输出的线性关系。二、实验原理1. 在通信技术中,经常需要将信号自某一频率变换为另一频率,一般用得较多的 是把一个己调的高频信号变成另一个较低频率的同类已调信号,完成这种频率变 换的电路称混频器。在超外差接收机中的混频器的作用是使波段工作的高频信 号,通过与本机振荡信号相混,得到一个固定不变的中频信号。采用混频器后,接收机的性能将得到提高,这是由于:(1)混频器将高频信号频率变换成中频,在中频上放大信号,放大器的增益可 以做得很高而不自激,电路工作稳;经中频放大后,输入到检波器的信号可以达 到伏特数量级,有助于提高接收机的灵敏度。(2)由于混频后所得的中频频率是固定的,这样可以使电路结构简化。(3)要求接收机在频率很宽的范围内选择性好,有一定困难,而对于某一固定 频率选择性可以做得很好。混频器的电路模型下图所示。一个等幅的高频信号,并与输入经混频后所产生的差频信号经带通滤波器滤出, 这个差频通常叫做中频。输出的中频信号与输入信号载波振幅的包络形状完全相同,唯一的差别是信号载波频率变换成 中频频率。目前高质量的通信接收机广 泛采用二极管环形混频器和由差分对 管平衡调制器构成的混频器,而在一般 接收机(例如广播收音机)中,为了简 化电路,还是采用简单的三极管混频 器。2. 当采用三极管作为非线性元件时就 构成了三极管混频器,它是最简单的混 频器之一,应用又广,我们以它为例来 分析混频器的基本工作原理。从上图可知,输入的高频信号,通过C1加到三极管b极,而本振信号经Cc耦合,加在三极管的e极,这样加在三极管输入端(be之间)信号为1 。即两信号在三极管输入端互相叠加。由于三极管的:一七特性(即转移特性)存在非线性,使两信号相互作用,产生很多新的频率成分,其中就包 括有用的中频成分fL-fS和fL+fS,输出中频回路(带通滤波器)将其选出,从 而实现混频。通常混频器集电极谐振回路的谐振频率选择差频即fL-fS,此时输 出中频信号比输入信号频率低。根据需要有时集电极谐振回路选择和频即 fL+fS,此时输出中频信号比输入信号频率高,即将信号频率往高处搬移,有的 混频器就取和频。3. 混频干扰及其抑制方法为了实现混频功能,混频器件必须工作在非线性状态,而作用在混频器上的 除了输入信号电压和本振电压外,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和检波器,对输出级产生干扰,影响输入信号的接收。 干扰是由于混频不满足线性时变工作条件而形成的,因此不可避免地会产生干 扰,其中影响最大的是中频干扰,镜像干扰和组合频率干扰。通常减弱这些干扰的方法有三种:(1)适当选择混频电路的工作点,尤其是不要过大;(2)输入信号电压幅值不能过大,否则谐波幅值也大,使干扰增强;(3)合理选择中频频率,选择中频时应考虑各种干扰所产生的影响。4. 具体三种典型混频实验电路4.1二极管环形混频器实验电路图3-4为二极管混频器实验电路,图中2T1、2T2、2D01、2D02、2D03、2D04 构成环形混频电路2P03为射频信号输入口,2P04为本振信号输入口。晶体三 极管2Q2组成放大电路,对环形混频器输出进行放大。由2L6、2L7、2C12和 变容管2D05构成滤波电路,选出所需要的中频信号,而滤除其它无用信号。调 整2W02可以改变变容二极管2D05上的偏压,从而调整2D05的容量。因此调 整2W02,可以调整滤波电路谐振频率。图中2P05为混频输出口,2TP05为输 出测量点。益1明*4.2三极管混频器实验电路下图是晶体三极管混频实验电路。图中2Q1为混频管,2W1用来调整其工作 点,2Q2为放大管,用来对混频后的信号进行放大,2L6、2C7、2L7、2L8、2D1构 成谐振回路,选出所需要的频率,对其它无用信号进行抑制,2W2 的偏压、从而调整其谐振回路的频率。箸 2H1 2Dlrri-1用来调整2D1zirce2IK由图可以看出,本振电压U L从2P01输入,经2C1送往晶体管2Q1的发 射极。射频信号Us从2P02输入,经2C2送往2Q1的基极,混频后的中频信 号由晶体三极管2Q1的集电极输出,集电极负载由2L6、2C7构成谐振回路, 该谐振回路调谐在中频上。本实验中频10.7MHZ左右,谐振回路选出的中频经 2C11耦合,由2Q2组成的放大器进行放大,放大器的负载为2L7、2L8、2D1组 成的谐振回路,同样谐振在10.7MHZ左右。混频后的中频信号由2P03输出, 2TP03为输出测量点。4.3用MC1496集成电路构成的混频器下图是用MC496集成电路构成的混频器,该电路图利用一片1496集成块构 成两个实验电路,即乘法器幅度调制与混频,本节我们只讨论混频电路。MC1496 是一种四象限模拟相乘器(我们通常把它叫做乘法器),其内部电路在振幅调制 一节中作介绍。图中3P01为本振信号U L输入口,3TP01为本振信号测试点。本振信号经 3R1、3C1从乘法器的一个输入端(10脚)输入3P02为射频信号输入口,3TP02 为测试点。射频信号电压U S从乘法器的另一个输入端(1脚)输入,混频的 中频信号由乘法器输出端(12脚)输出。输出端的带通滤波器由3C7、3L1、 3C8组成,带通滤波器调谐在中频频率上,本实验的中频频率为465KHZ左右。 如果输入的射频信号频率为1MHZ,则本振频率应为1.465MHZ。由于中频固定不 变,当射频信号频率改变时,本振频率也应跟着改变。因为乘法器(12脚) 输出的频率成分很多,经带通滤波器滤波后,只选出我们所需要的中频465KHZ, 其它频率成分被滤波器滤除掉了。图中三极管3Q2为射极跟随器,它的作用是 提高本级带负载的能力。带通滤波器选出的中频,经射极跟随器后由3P04输出, 3TP04为混频器输出测量点。三. 实验步骤与结果1. 实验准备将含有二极管环形混频器,晶体三极管混频器和乘法器幅度调制与混频的模块 以及正弦振荡器模块,插入到实验箱底板上,接通实验箱与所需各模块电源。2. 中频频率的观测(1)二极管环形混频器将正弦波振荡器模块上的LC振荡器输出频率调整为1.465MHZ,幅度峰-峰值 Vp-p=1V左右,作为本实验的本振信号,送入二极管环形混频器的本振输入端 (2P04)。高频信号源输出频率调为1MHZ,幅度峰-峰值Vp-p=500mv左右,作 为射频信号输入到二极管环形混频器的射频输入端(2P03)。用示波器观测2P03、 2P04、2P05的波形,调整2W02使2P05波形幅度最大。用频率计测量2P03、 2P04、2P05的频率,并计算各频率是否符合。当改变高频信号源的频率时,输 出中频2P05的波形作何变化,为什么?本振(fL)信号源(fs)混频输出(fi)频率1.465MHz1MHz461.7kHz幅值1.32V500mV2.28V由上表的测试结果可知,频率满足fi=fL-fs的关系。卜面我们保持fL不变,改变fsfs900kHz1.1MHzfi的频率569kHz365kHzfi的幅值900mV620mV我们看到,改变输入信号频率,混频输出频率依然满足fi=fL-fs,但是幅度 都有下降,是因为后面的中频放大器中心频率在465kHz,偏离这个频率之后放 大倍数会降低。下面我们来探究当本振不是正弦波而是方波时的情况。下表是随本振幅度变化 输出信号幅度的变化,以此来研究该混频器的线性工作范围:方波幅 度/V0.70.80.911.11.21.31.4输出幅度/V0.621.181.922.643.043.203.203.20输出频率/kHz465465465465465465465465Figure 1文件(E 础旧透入0)工具庶面回街口地)辞助 a| we x|s| s| 一将表格中的数据转化为图像:由图像可见,对于载波是方波的情况下,在幅度为700mV1.1V间是线性的。 而低于700mV,由于二极管的阈值电压,二极管处于截止状态,几乎没有输出。(2)晶体三极管混频器将信号源频率调为25MHz,幅度调至200mV,作为本实验的本振信号输入到混 频器的本振输入端(2P01),混频器的另一个输入端(2P02)接高频信号源,用 示波器观测2TP01、2TP02、2TP03的波形,微调2W1和2W2使混频输出(2TP03) 幅度达到最大值。用频率计测量2TP01、2TP022TP03的频率并计算各频率是否 符合。当改变高频信号源的频率时,输出中频2P03的波形作何变化,为什么?卜面我们保持fL(25MHz,50mV)不变,改变fsfs/MHz14.315.316.3fi的频率10.79.78.7fi的幅值1.220.81.04我们看到,改变输入信号频率,混频输出频率依然满足fi=fL-fs,但是幅度 都有下降,是因为后面的中频放大器中心频率在10.7MHz,偏离这个频率之后放 大倍数会降低。下面我们来看静态工作点会不会对晶体三极管混频线性区间的影响。下面我们测了两组数据:Ic1=1.366mA fs=14.3MHzAs/mV30405060708090100110120130Ai/V0.480.640.740.901.041.161.261.361.441.531.56Ic2=0.724mA fs=14.3MHzAs/mV30405060708090100110120130Ai/mV0.640.851.011.181.341.471.581.681.761.821.88将这两个表格转化为图像,如下所示:由图像所示,合理改变工作点对线性范围和斜率影响不大,但是对输出幅度会 有整体抬升,因而为获得较大的输出幅度,选择合适的工作点尤为重要。(3) 集成乘法器混频器将正弦振荡器模块上的LC振荡器输出频率调为1.465MHZ,幅度调为峰-峰值 800mv,作为本实验的本振信号输入到乘法器的一个输入端3P01端,高频信号源 输出频率调为1MHZ,Vp-p=500mv,作为射频信号输入到乘法器的另一个输入端 3P02端。用示波器观测3TP01、3TP02、3TP04的波形,用频率计测量3TP01、 3TP02、3TP04的频率,并计算各频率是否符合。当改变高频信号源的频率时, 输出中频3TP04的波形作何变化,为什么?这个实验老师并没有做要求,探究发现,满足fi=fL-fs。另外测了一下集成 乘法器的线性,作图如下:乘法器线性范围在700mV2.5V左右,而且在这段区间是比较严格线性的。四、实验思考总结1. 干扰及解决办法混频器的各种非线性干扰是很重要的问题,并且在讨论各种混频器时,把非线 性产物的多少,作为衡量混频器质量的标准之一非线性干扰中很重要的一类就是 组合
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