1、实验五 混频原理和电路分析实验 一、实验目的 1、掌握二极管环形混频器的工作原理； 2、了解二极管环形混频器组合频率的测试方法。 3、观察三极管混频器输出信号的频谱。 二、实验仪器 1、示波器 一台 2、数字万用表 一块 3、调试工具 一套 4、频谱分析仪 一台 三、实验原理 1、混频器原理及相关知识 混频就是要对某信号进行频率变换，将其载频变换到某一固定的频率上，而保持原信号的调制规律不变。混频是一种频谱搬移电路，混频前后，信号的频谱结构并不发生变化，混频器的电路组成如图 5-1 所示。 tffo非线性器件滤波器混频器vsv0tff0tviffi本机振荡器图5-1 混频器的组成及作用 混频原
2、理： 当两个不同频率的正弦电压，同时作用到一个非线性元件上时，就会在它的输出电流中，产生许多组合频率分量，选用适当的滤波器取出所需的频率分量，此时就完成了混频。 混频器的电路分为叠加型混频器，乘积型混频器两种类型。如图 5-2 所示。 vs(t)v非线性器件带通vI(t)ivo(t)vs(t)带通vI(t)vL(t)vo(t)(a )叠加型混频器实现模型 (b) 乘积型混频器实现模型 图5-2 混频器电路 叠加型混频器的类型： (1) 晶体三极管混频器，它有一定的混频增益； (2) 场效应管混频器，其交调、互调干扰少； (3) 二极管平衡混频器和环形混频器，其动态范围大、组合频率干扰少。 混频
3、器的主要质量指标： （ 1）变频增益 混频后的输出电压振幅和输入信号电压振幅之比，称为变频电压增益或变频放大系数。 （ 2）失真和干扰 失真包括频率失真和非线性失真。混频中有可能出现组合频率、交叉调制、互相调制等特有干扰。要求混频器件最好工作在其特性曲线的平方项区域，使之既能完成频率变换，又能防止失真，抑制干扰。 （ 3）噪声系数 即输入端高频信号噪声功率比和输出端信号噪声功率比之比。 （ 4）选择性 2、晶体三极管混频器 晶体管混频电路有多种形式，但无论本振电压注入方式如何，都是利用晶体管的发射结非线性实现混频。如图 5-3 所示： viv0VCCVBBL1C1C2eceicebeTvs+L
4、2+ +图5-3 晶体三极管混频器 在晶体管混频器的分析中，输入信号电压Vs很小，经常将晶体管视为一个跨导随本振信号变化的线性参变元件。如图 5-4 所示： VBBOOictebeebea2b2aba1b1图5-3 加电压后的晶体管转移特性曲线 因 VoVsm使晶体管工作在线性时变状态，若中频频率取差频 ，则混频后输出的中频电流为：soi=tVgsosi)cos(21 =i (5-1) 混频跨导 的定义为： cg121gVIgSic=输入高频电压振幅输出中频电流振幅(5-2) 跨导 是随本振信号作周期型变化。晶体管用作放大器时，工作点可选在 附近，可得到较高电压和功率增益，晶体管作为混频器，
5、可以选得比较低。 cgmaxgcg(2)二极管开关混频： 将二极管作为非线性器件，当本振电压取得较大时（约 0.6-1 伏） ,使二极管工作在导通，截止的开关状态，图 5-4 是一个单二极管电路， H(j)u1u2uoVDiD图 5-4 单二极管电路 分析可知，流过二极管的电流 iD 中的频率分量有: （1 ）输入信号 u1 和控制信号 u2 的频率分量 1 和 2; （2 ）控制信号 u2 的频率 2 的偶次谐波分量; （3 ）由输入信号 u1 的频率 1 与控制信号 u2 的奇次谐波分量的组合频率分量（2n+1） 2 1,n=0,1,2,。 由于二极管混频具有组合频率少，动态范围大，噪声小
6、等优点，用途很广泛，但是其无放大作用，所组成的环形混频器没有变频增益，只有衰减。二极管环形混频器是变频常用电路，如图 5-5 所示， T1RLT2iLi1i2u2(a)VD1VD4VD3VD2i3i4T1RLT2iL1i1i2u2(b)VD1VD2T1RLT2iL2u2(c)VD4VD3i3i4u1u1u1u1u1u15-5 二极管环形混频器变频电路原理 二极管双平衡混频器的基本工作原理是利用二极管伏安特性的非线性。图 5-5a 双平衡混频器拆开成图 5-5（ b）（c ）所示的两个单平衡混频器。在本振电压的正半周， D2,D1 导通；负半周， D3,D4 导通。可以看出：环形开关混频器工作在
7、开关状态时，输出电流中的组合频率，只有本振电压的奇次谐波与信号电压频率的基波的组合，环形混频器较之其他的混频器，组合频率少是其突出的优点之一。二极管双平衡混频器的最大特点是工作频率极高，可达微波波段。 3、乘积型混频器原理: 模拟相乘器是一种时变参量电路。在高频电路中，相乘器是实现频率变换的基本组件，与一般非线性器件相比，相乘器可进一步克服某些无用的组合频率分量，使输出信号频谱得以净化。 在通信系统及高频电子技术中应用最广的乘法器有两种，一种是二极管平衡相乘器，另一种是由双极型或 MOS 器件构成的四象限模拟相乘器。 四象限模拟乘法器又大致分为两种。一种是在集成高频电路中经常用到的乘法器，它们
8、大多属于非理想乘法电路，是为了完成某种功能而制成的一种专用集成电路，如电视接收机中的视频信号同步检波电路、相位检波电路以及调频立体声接收机中的立体声解码电路等。这种乘法电路均采用差动电路结构。另一种是较为理想的模拟乘法器，属于通用的乘法电路，用户可用这种乘法器按需要设计，完成其功能。常用的集成化模拟乘法器的产品有 BG314、MC1495L/MC1595L、 MC1496 等。 若输入信号分别用 v1(t)和 v2(t)表示，输出信号用 vo(t)表示，则理想模拟乘法器的传输特性方程可表示为 vo(t)= Kv1(t) v2(t)，式中，K 是乘法器的比例系数或增益系数。该式表明，对一个理想的
9、相乘器，其输出电压的瞬时值 vo(t)仅与两个输入电压在同一时刻的瞬时值 v1(t)和 v2(t)的乘积成正比，而不包含任何其它分量。 例如：乘积型混频器由模拟乘法器和带通滤波器组成，设输入信号为普通调幅波，即 tcos)tcosm1(V)t(sasms+=vtcosV)t(oomo=v设乘法器的增益系数为 K，则输出电压为 t)cos(t)cos(tcosm1(VV2K)t(k)t(s0s0aomsm0s0+= vvv 采用中心频率不同的带通滤波器( 0 s)t或( 0+s)t则可完成低中频混频或高中频混频。 在本实验中采用集成模拟乘法器MC1496 来完成调幅作用。 MC1496 是四象限
10、模拟乘法器，其内部电路图和引脚图如图 5-6 所示。其中V 1、V 2与V 3、V 4组成双差分放大器，以反极性方式相连接，而且两组差分对的恒流源V 5与V 6又组成一对差分电路，因此恒流源的控制电压可正可负，以此实现了四象限工作。V 7、V 8为差分放大器V 5与V6 的恒流源。 图 5-6a MC1496 的内部电路及引脚图 R3I3R13I13VEERxRyvxvy+ + +VCCR1RcRc+vo1214561011489123137MC1496/MC1596图 5-6a MC1496 的典型外围连接图 4、场效应管频谱线性搬移电路 结型场效应管混频是利用栅漏极间的非线性转移特性实现频
11、谱线性搬移功能的。场效应管转移特近似为平方律关系，如图 5-7 是场效应管的电流与跨导特性。 iD/mA02468IDSS2 1QVPuGB(a)1gm2gmQuGSgm0tu2U2tgm(t)(b)Q00图 5-7 结型场效应管的电流与跨导特性 当输入信号 tcosUu11i= 时, 且 U1U2, ttcoscosVUU)t(gtcosU)t(gtcosU)t(g)t(i21P31m011m011mD += 五、实验步骤 （一）二极管环形混频器 二极管环形混频器实验原理图如图 5-8 所示。 R10C2Q1R11R13R14 C1R6R4R5R2R3R1 R8R7R9R12FL1TP1TT
12、1TP2+12V12345678MI XER图 5-8 二极管环形混频实验原理图 图中，MIXER 内集成了 4 个二极管，组成二极管环形混频电路。本振信号和射频信号分别从 TP1 和 TP2 输入， R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6 组成的 形网络，用来隔离本振信号、射频信号和中频信号之间的相互干扰。 FL1 为 455KHz 陶瓷滤波器，用来选取所需的中频信号。Q1 组成放大器，用来放大中频信号。C2 为隔直电容，经放大的中频信号可在 TT1 处观测。混频器模块的射频信号（10.7MHz ）和本振信号（10.245MHz ） ，分别由正弦波振荡器模块的石英晶体振荡器和集成电路振
13、荡器（也可以由高频信号源产生）提供。 1、产生射频信号和本振信号 用石英晶体振荡器产生 10.7MHz 的射频信号，用集成电路振荡器或高频信号源产生10.245MHz 的本振信号。射频信号（ 10.7MHz）从 TP5 处输出，调节 W2 可改变射频信号的幅度。本振信号（10.245MHz ）从 TP7 处输出，调节 W4 可改变本振信号的幅度，调节 CC2使本振信号频率为 10.245MHz。 2、连接二极管混频实验电路 3、输入本振信号和射频信号 （1 ）调节正弦波振荡器模块的 W2，使该模块 TP5 处 10.7MHz 信号的峰峰值为 1V 左右。连接该模块 TP5 与混频器模块的 TP
14、2。 （2 ）调节正弦波振荡器模块的 W4，使该模块 TP7 处 10.245MHz 信号的峰峰值为 1.7V左右。连接该模块的 TP7 与混频器模块的 TP1。 4、观察中频信号 用示波器在混频器模块的 TT1 处观察，验证中频信号的频率是否为 10.7MHz10.245MHz 455KHz。 5、观察混频器输出信号的频谱 用频谱分析仪在混频器 MIXER 第 4 脚的军品插座处测量输出信号的频谱。记录此频谱分布图。 6、观察镜频干扰（选作） （1 ）不改变本振信号，用正弦波振荡器模块的三点式 LC 振荡器产生 9.790MHz 的信号，射频信号（9.790MHz ）从正弦波振荡器模块的 T
15、P4 处输出。 （2 ）连接正弦波振荡器模块的 TP4 和混频器模块的 TP2。用示波器在混频器模块的 TT1处观察，验证中频信号的频率是否为 10.245MHz9.790MHz 455KHz 。 （二）三极管混频 三极管混频器实验原理图如图 5-9 所示。 R10C2Q1R11R13R14 C1R12FL1TT1Q3C17C18C16C15TP8TP7L3L1L2W1R37R36-12V +12V图 5-9 三极管混频实验原理图 本振信号和射频信号分别从 TP8 和 TP7 输入，混频器的输出经过 455KHz 的陶瓷滤波器 FL1 滤除其它组合频率，再经过中放（由 Q1 组成）放大后输出，
16、可在 TT1 处观察输出信号。 三极管混频器的主要优点是增益较高，但是较之二极管环形混频器，三极管混频器的组合频率较多，干扰严重且噪声较大。所以 TT1 处信号的频谱没有二极管混频时纯净（反映为波形较粗）。 1、产生射频信号和本振信号； 用石英晶体振荡器产生 10.7MHz 的射频信号，用集成电路振荡器（或者高频信号源）产生 10.245MHz 的本振信号。 2、连接三极管混频实验电路； 3、输入本振信号和射频信号； 4、观察中频信号； 用示波器在混频器模块的 TT1 处观察中频信号的频率是否为 10.7MHz10.245MHz 455KHz。调节混频器模块的 W1 使 TT1 处波形最大不失
17、真。 5、观察混频器输出信号的频谱； 用频谱分析仪在混频器模块 Q3 的集电极军品插座处测量混频器输出信号的频谱。记录此频谱分布图。 （三）、场效应管混频（选作） 场效应管混频器实验原理图如图 5-10 所示。 Q2R16R17R18R15R19C6C5TP3TP4+12VR10C2Q1R11R13R14 C1R12FL1TT1+12V图 5-10 场效应管混频实验原理图 本振信号和射频信号分别从 TP3 和 TP4 输入，混频器的输出经过 455KHz 的陶瓷滤波器 FL1 滤除其它组合频率，再经过中放（由 Q1 组成）放大后输出，可在 TT1 处观察输出信号。 1、产生射频信号和本振信号；
18、用石英晶体振荡器产生 10.7MHz 的射频信号，用集成电路振荡器（或者高频信号源）产生 10.245MHz 的本振信号。 2、连接场效应管混频实验电路； 3、输入本振信号和射频信号； 4、观察中频信号； 用示波器在混频器模块的 TT1 处观察中频信号的频率是否为 10.7MHz10.245MHz 455KHz。 5、观察混频器输出信号的频谱（选做） （四）乘法器混频 乘法器混频实验的原理图如图 5-11 所示。 R22R31R29R30R32R33R24R26R27C9C12C10R23R25C7TP5TP6D3-12VMC1496R10C2Q1R11R13R14C1R12FL1TT1+12
19、V+12V图 5-11 乘法器混频实验原理图 本振信号和射频信号分别从 TP5 和 TP6 输入，混频器的输出经过 455KHz 的陶瓷滤波器 FL1 滤除其它组合频率，再经过中放（由 Q1 组成）放大后输出，可在 TT1 处观察输出信号。 1、产生射频信号和本振信号；用石英晶体振荡器产生 10.7MHz，峰峰值 350mV 的射频信号，用集成电路振荡器（或者高频信号源）产生 10.245MHz，峰峰值 500mV 的本振信号。 2、连接混频实验电路； 3、输入本振信号和射频信号； 4、观察中频信号； 用示波器在混频器模块的 TT1 处观察中频信号的频率是否为 10.7MHz10.245MHz 455KHz。 5、观察混频器输出信号的频谱。 六、思考题 1、按步实验并得出中频信号频率与本振信号频率、射频信号频率的关系。 2、讨论镜频干扰产生的条件及消除镜频干扰的方法。 3、当高频输入信号的幅值为 100mV 时，环形开关混频器的输出应不大于多少伏，为什么？ 4、通过变频增益的计算和对波形的观察，说出变频的特点 5、什么是镜象干扰？如何克服 6、为什么说环形开关混频器能减小交调，互调等非线性干扰？ 7、三极管混频器的-12V 电源不打开时，也能在 TT1 处观察到 455KHz 的中频信号，为什么？该中频信号有什么特点？
