二极管环形混频实验

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++L2+––+––++–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：soiω−ω=ωtVgsosi)cos(21ωω−=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，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(jω)£«££«£u1u2uo£«£VDiD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ω1和ω2;　（2）控制信号u2的频率ω2的偶次谐波分量;　（3）由输入信号u1的频率ω1与控制信号u2的奇次谐波分量的组合频率分量（2n+1）ω2±ω1,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，T1RLT2iLi1i2£«£u2(a)VD1VD4VD3VD2i3i4T1RLT2iL1i1i2£«£u2(b)VD1VD2T1RLT2iL2£«£u2(c)VD4VD3i3i4£«£u1£«£u1£«£u1£«£u1£«£u1£«£u15-5二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(sasmsωΩ+=vtcosV)t(oomoω=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(s0s0aomsm0s0ω+ω+ω−ωΩ+==vvv采用中心频率不同的带通滤波器(ω0–ωs)t或(ω0+ωs)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是四象限模拟乘法器，其内部电路图和引脚图如图5-6所示。其中V1、V2与V3、V4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V5与V6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。V7、V8为差分放大器V5与V6的恒流源。图5-6aMC1496的内部电路及引脚图R3I3R13I13–VEERxRyvxvy+–+–+VCCR1RcRc–+vo1214561011489123137MC1496/MC1596图5-6aMC1496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/mA02468IDSS£2£1QVPuGB(a)£1gm£2gmQuGSgm0tu2U2tgm(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tcosUu11iω=时,且U1U2,ttcoscosVUU)t(gtcosU)t(gtcosU)t(g)t(i21P31m011m011mDωωωω+==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。R10C2Q1R11R13R14C1R6R4R5R2R3R1R8R7R9R12FL1TP1TT1TP2+12V12345678MIXER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π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TP2。（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10.7MHz－10.245MHz＝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TP4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10.245MHz－9.790MHz＝455KHz。（二）三极管混频三极管混频器实验原理图如图5-9所示。R10C2Q1R11R13R14C1R12FL1TT1Q3C17C18C16C15TP8TP7L3L1L2W1R37R36-12V+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，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10.7MHz－10.245MHz＝455KHz。调节混频器模块的W1使TT1处波形最大不失真。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+12VR10C2Q1R11R13R14C1R12FL1TT1+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；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10.7MHz－10.245MHz＝455KHz。5、观察混频器输出信号的频谱（选做）