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已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.即两信号在三极管输入端互相叠加.由于三极管的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.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 用来调整 2D1 的偏压、从而调整其谐振回路的频率.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.下面我们保持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/kHz465465465465465465465465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？下面我们保持fL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=14.3MHz As/mV30405060708090100110120130Ai/V0.480.640.740.901.041.161.261.361.441.531.56Ic2=0.724mA fs=14.3MHz As/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频率干扰和副道波干扰.这类干扰是混频器特有的.还有一些其他的干扰,比如交调互调,阻塞干扰等.干扰的解决办法：1选择合适的中频.如果将中频选在接收信号频段之外, 可以避免中频干扰和最强的干扰哨声2提高混频电路之前选频网络的选择性, 减