環(huán)形混頻器的設(shè)計(jì)-高頻電子線路課設(shè)分享

本學(xué)期我們學(xué)習(xí)了《高頻電子線路》這一門課程，為了更好地掌握所學(xué)習(xí)的知識(shí)，特做此課程設(shè)計(jì)以加以鞏固，同時(shí)學(xué)習(xí)并加深Multisim軟件的使用。

本次設(shè)計(jì)是混頻器的設(shè)計(jì)，我們要好好掌握其設(shè)計(jì)原理�；祛l器在通信工程和無線電技術(shù)中，應(yīng)用非常廣泛，在調(diào)制系統(tǒng)中，輸入的基帶信號(hào)都要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換變成高頻已調(diào)信號(hào)。在解調(diào)過程中，接收的已調(diào)高頻信號(hào)也要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換，變成對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)。特別是在超外差式接收機(jī)中，混頻器應(yīng)用較為廣泛，如AM 廣播接收機(jī)將已調(diào)幅信號(hào)535KHZ一1605KHZ要變成為465KHZ中頻信號(hào)，電視接收機(jī)將已調(diào)48．5M一870M 的圖象信號(hào)要變成38MHZ的中頻圖象信號(hào)。移動(dòng)通信中一次中頻和二次中頻等。在發(fā)射機(jī)中，為了提高發(fā)射頻率的穩(wěn)定度，采用多級(jí)式發(fā)射機(jī)。用一個(gè)頻率較低石英晶體振蕩器做為主振蕩器，產(chǎn)生一個(gè)頻率非常穩(wěn)定的主振蕩信號(hào)，然后經(jīng)過頻率的加、減、乘、除運(yùn)算變換成射頻，所以必須使用混頻電路，又如電視差轉(zhuǎn)機(jī)收發(fā)頻道的轉(zhuǎn)換，衛(wèi)星通訊中上行、下行頻率的變換等，都必須采用混頻器。由此可見，混頻電路是應(yīng)用電子技術(shù)和無線電專業(yè)必須掌握的關(guān)鍵電路。

1、設(shè)計(jì)二極管環(huán)形混頻器、本地振蕩器電路。

2、在Multisim仿真軟件上繪制電路圖，并進(jìn)行仿真得到預(yù)期結(jié)果。

3、繪制PCB電路圖，為做出實(shí)物做出準(zhǔn)備。

二極管環(huán)形混頻器各端口有良好的隔離性，而且有組合頻率少、動(dòng)態(tài)范圍大、噪聲小、本振電壓無反向輻射等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是混頻增益小于1，且隨著工作頻率提高而下降。相比于二極管平衡混頻器可以進(jìn)一步抑制一些非線性產(chǎn)物。而且二極管環(huán)形混頻器具有電路簡單易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。因此我們選擇二極管混頻器為我們的混頻單元。

晶體管的內(nèi)部工作原理石英晶體具有壓電效應(yīng)。當(dāng)對(duì)它施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷；加電壓時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，稱此為壓電效應(yīng)。給石英設(shè)置電極加電壓時(shí)所得到的電學(xué)的固有振動(dòng)不怎么受所加電壓或環(huán)境溫度的影響。因此，如果把石英振子用于振蕩電路，將會(huì)得到頻率非常穩(wěn)定的振蕩輸出。

石英晶體作為振蕩回路元件能使振蕩器的頻率穩(wěn)定度大大提高的原因在于：

1) 石英晶體的物理和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定，因此，它的等效諧振回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性；

2) 它具有正、反壓電效應(yīng)，而且在諧振頻率附近，晶體的等效參數(shù)Lq很大、Cq很小、Rq也不高。因此，晶體的Q值可高達(dá)數(shù)百萬數(shù)量級(jí)；

3) 在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi)，具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對(duì)頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。

石英晶體振蕩器與其它LC振蕩器相比具有更穩(wěn)定的震蕩頻率，為了得到穩(wěn)定的頻率輸出因而我們選擇使用晶體振蕩器作為本地震蕩單元。

當(dāng)器件的伏安特性是非線性時(shí)，能實(shí)現(xiàn)混頻。當(dāng)忽略三次方以上的各項(xiàng)時(shí)，非線性器件的輸出電流與輸入電壓之間的關(guān)系可以表示為，式中、、分別為各項(xiàng)的系數(shù)。若，代入上式并利用三角公式進(jìn)行變換，則得到：。其中就是所需的頻率分量，即中頻。只要在輸出端接上諧振頻率為中頻的諧振回路，就能濾除不需要的頻率分量，選出中頻電壓。

可見，當(dāng)兩個(gè)不同頻率的高頻電壓作用于非線性器件時(shí)，將產(chǎn)生直流、二次諧波、和頻。

二極管環(huán)形混頻器工作原理：

混頻器就是對(duì)某信號(hào)進(jìn)行頻率交換，將其載頻變換到某一固定的頻率上，而保持原信號(hào)的調(diào)制規(guī)律不變�；祛l是一種頻譜搬移電路，混頻前后，信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)并不發(fā)生變化。當(dāng)兩個(gè)不同頻率的正弦電壓，同時(shí)作用在一個(gè)非線性元件上時(shí)，就會(huì)在它的輸出電流中，產(chǎn)生許多組合頻率分量，選用合適的濾波器選出所需的頻率分量，此時(shí)就完成了混頻。

在本振電壓的正半周，二極管D1與D3導(dǎo)通，D2與D4截止。此時(shí)，混頻器相當(dāng)于一個(gè)二極管反向型平衡混頻器，如圖３．１.

在輸出變壓器T2初級(jí)產(chǎn)生的電流為：

在本振電壓的負(fù)半周，二極管D2與D4導(dǎo)通，D1與D3截止。此時(shí)，混頻器也相當(dāng)于一個(gè)二極管平衡混頻器如圖３．２。

這時(shí)輸出變壓器T2初級(jí)產(chǎn)生的電流為：

式中，是相應(yīng)于圖2中本振電壓極性的開關(guān)函數(shù)，它的區(qū)別僅在于二者在開關(guān)時(shí)間上相差半個(gè)震蕩電壓周期。

環(huán)形混頻器輸出電流，由以上推導(dǎo)得：

;

式中：

因此：;

令代入上試，可見，輸出電流中即有差頻，經(jīng)過檢波則可得到我們所需要的中頻：。

有計(jì)算值與仿真值的比較可得輸出波形包含射頻信號(hào)和本振信號(hào)的差頻、和頻等混頻結(jié)果，基本完成了設(shè)計(jì)要求， 仿真值基本滿足要求，說明電路各部分均正常工作。美中不足的是仿真結(jié)果同理論值仍存在一定的誤差，需要進(jìn)一步改善電路的性能，使電路更加精確和抗干擾能力更強(qiáng)。

并聯(lián)諧振型晶體振蕩器原理與一般反饋式LC振蕩器相同，只是把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的震蕩回路之中，作為一個(gè)感性元件，并與其它回路元件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成三端振蕩器。

根據(jù)這個(gè)理論可以構(gòu)成三種類型的基本電路。本設(shè)計(jì)中我們使用c-b型并聯(lián)晶體振蕩器，其電路圖如下：

A、直流參數(shù)的計(jì)算

正確的靜態(tài)工作點(diǎn)是振蕩器能夠正常工作的關(guān)鍵因素，靜態(tài)工作點(diǎn)主要影響晶體管的工作狀態(tài)，若靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置不當(dāng)則晶體管無法進(jìn)行正常的放大，振蕩器在沒有對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)是無法工作的。振蕩器主電路的靜態(tài)工作點(diǎn)主要由R1、R2、R4決定。

將電感短路，電容斷路，得到其直流通路，如下圖所示：

高頻振蕩器的工作點(diǎn)要合適，若偏低、偏高都會(huì)使振蕩波形產(chǎn)生嚴(yán)重失真，甚至停振。實(shí)際中取=0.5~5mA之間，若取=2mA，，則有：

                           

為提高電路的穩(wěn)定性，Re值可適當(dāng)增大，取Re=1，則Rc=2，則有：  若取流過的電流為10，則=10=0.33mA，則�。�

            

            

實(shí)際電路中，可用10與50電位器串聯(lián)，Rb2可以取6.2，以便工作點(diǎn)的調(diào)整。

B、交流參數(shù)的確定

對(duì)于振蕩器，當(dāng)電路接為并聯(lián)型振蕩器時(shí)，晶體起到等效電感的作用，輸出頻率應(yīng)為2.5MHZ，則由f0=1/2π知C3=30p、C4=30p、C6=30p。與C4并聯(lián)一30pF可調(diào)電容，用于對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)整。為了提高振蕩器的工作性能和穩(wěn)定度，在電路中還應(yīng)有高頻扼流圈，一般取扼流圈L1=100uH。                                            

C、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

起振過程：

通過設(shè)計(jì)晶體振蕩器電路，使我的動(dòng)手能力和經(jīng)驗(yàn)有了一定程度的提高。我更好地了解了石英晶體的結(jié)構(gòu)和特性。 剛拿到設(shè)計(jì)題目時(shí)一頭霧水，不知道該怎樣去實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。于是便拿起教材與實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，對(duì)知識(shí)系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請(qǐng)教，終于熟練掌握了基本理論知識(shí)，而且領(lǐng)悟諸多平時(shí)學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識(shí)，學(xué)會(huì)了如何思考的思維方式，對(duì)設(shè)計(jì)有了初步的思路。有了方案還不夠，還要去論證其可行性，前四天都是在網(wǎng)上和圖書館中查資料，論證電路的可行性。在這方面我們進(jìn)行了深刻的探討，加深了我們對(duì)其更好的理解和認(rèn)識(shí)。由于知識(shí)水平有限，這次設(shè)計(jì)存在很多不完善之處，同時(shí)也深刻地意識(shí)到自己在設(shè)計(jì)方面能力的欠缺，以往都是只學(xué)習(xí)原理，對(duì)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)了解不多，而我們這專業(yè)要求最重要的就是實(shí)踐能力。以后我要多看專業(yè)書，多做些實(shí)際電路以加強(qiáng)這方面的鍛煉�？傊�，通過這次設(shè)計(jì)電路，我收獲挺大。感謝老師的辛勤教導(dǎo)，以后我會(huì)加倍努力。

混頻器：

振蕩器：