高频模拟乘法器的综合应用设计实验

实验课程名称：_高频电子线路               

启动multisim11程序，Ctrl+N新建电路图文件，按照MC1496内部结构图，将元器件放到电子工作平台的电路窗口上，按住鼠标左键拖动，全部选中。被选择的电路部分由周围的方框标示，表示完成子电路的选择。为了能对子电路进行外部连接，需要对子电路添加输入/输出。单击Place / HB/SB  Connecter 命令或使用Ctrl+I 快捷操作，屏幕上出现输入/输出符号，将其与子电路的输入/输出信号端进行连接。带有输入/输出符号的子电路才能与外电路连接。单击Place/Replace by Subcircuit命令，屏幕上出现Subcircuit Name对话框，在对话框中输入MC1496，单击OK，完成子电路的创建选择电路复制到用户器件库，同时给出子电路图标。双击子电路模块，在出现的对话框中单击Edit Subcircuit 命令，屏幕显示子电路的电路图，可直接修改该电路图。MC1496内部结构multisim电路图和电路模块如图2所示。

图2 MC1496的内部电路及电路模块引脚图

2、AM与DSB电路的设计与仿真

调幅就是用低频调制信号去控制高频振荡（载波）的幅度，使高频振荡的振幅按调制信号的规律变化。 把调制信号和载波同时加到一个非线性元件上(例如晶体二极管或晶体三体管)，经过非线性变换电路，就可以产生新的频率成分，再利用一定带宽的谐振回路选出所需的频率成分就可实现调幅。幅度调制信号按其不同频谱结构分为普通调幅（AM）信号，抑制载波的双边带（DSB）信号，抑制载波和一个边带的单边带（SSB）信号。

利用模拟乘法器相乘原理实现调幅是很方便的，工作原理如下：在乘法器的一个输入端输 入载波信号 另一输入端输入调制信号，则经乘法器相乘，可得输出抑制载波的双边带调幅信号的表达为：

若要输出普通调幅信号，只要调节外部电路的平衡电位器，使输出信号中有载波即可。输出信号表达式为：

普通振幅调制电路的原理框图与抑制载波双边带振幅调制电路的原理框图如图3所示

图3 普通振幅调制电路与抑制载波双边带振幅调制电路原理框图

① AM与DSB电路的设计

查集成模拟乘法器MC1496 应用资料（附录1），得典型应用电路如图4所示。

图4   1496构成的振幅调制电路电原理图

图中载波信号经高频耦合电容C1输入到Uc⑩端，C3为高频旁路电容，使⑧交流接地。调制信号经高频耦合电容C2输入到UΩ④端，C5为高频旁路电容，使①交流接地。调制信号UAM从⑿脚单端输出。电路采用双电源供电，所以⑤脚接Rb到地。因此，改变R5也可以调节I0的大小，即：

     则：当VEE=-8V，I5=1mA时，可算得：（MC1496器件的静态电流一般取I0＝I5＝1mA左右）

 R95={（8-0.75）/（1X10-3）}-500=6.75KΩ  取标称电阻，则R9=6.8KΩ

MC1496的②③脚外接电阻RB，对差分放大器T5、T6产生电流负回授，可调节乘法器的增益，扩展输入信号UΩ动态范围。因为：UΩ≤I5RB

式中  I5为5脚的电流，当选I5=1mA，Uy=1V(峰值)时，由上式可确定RB：

RB≥UΩ/I5=1/1X10-3=1KΩ，即R11=1KΩ。

负载电阻RC的选择

由于共模静态输出电压为：U6=U12=VCC-I5RL

式中U6、U12是6脚与12脚的静态电压。当选U6=U12=8V，VCC=12V，I5=1mA时，

RL=（VCC-U6）/I5=(12-8)/(1X10-3)=4KΩ，取标称电阻RL=3.9KΩ。

电阻R1、R2、R3与RC1、RC2提供芯片内晶体管的静态偏置电压，保证各管工作在放大状态。阻值的选取应满足如下关系： 

，    ，       

所以取：R5=R6=1KΩ R3=51Ω R7=R8=R10=51Ω，R4=R14=1KΩ，WR1=50 KΩ

电阻R5、R6、WR1、R7和R8用于将直流负电源电压分压后供给MC1496的1、4脚内部的差分对三极管基极偏置电压。通过调节RP，可使MC1496的1、4端的直流电位差为零，即UΩ输入端只有调制信号输入而没有直流分量，则调幅电路的输出为抑制载波的双边带调幅波；若调节RP，使MC1496的1、4端的直流电位差不为零，则电路有载波分量输出，为普通调幅波。

耦合电容与高频电容的选择

电容C1与C2应选择得使其电抗在载波频率上低于5Ω，即：

1/ωC1=1/ωC2≤5Ω    所以取C1=C3=0.1uf,C2=C5=4.7uf,

由此得到实际的模拟乘法器1496构成的振幅调制电路与测量系统电原理图，如图5。

图5 1496构成的振幅调制电路电原理图

② AM与DSB电路的仿真

1)全载波振幅调制（AM）

（1）按设计电路设置元件参数并用Multisim完成电路连接。

（2）当电路平衡时，即UΩ=0,Uo=0 , 模拟乘法器1496的静态特性数据如表12。

表2 静态数据

图6 AM波形及频谱

（4）调R15使AM信号过调制，即使M＞100%。当M＞100%时，过零点为一条直线。实验测得信号波形如图7所示。

图7 AM过调制过零点波形

2) 抑制载波振幅调制（DSB）

(1)  令UΩ=0，调WR1，使模拟乘法器脚间电压为0V,即电路平衡。

按设计要求加入信号，载波信号UX：f=1MHZ /100mV   调制信号Uy：f=2KHz/200mV，此时实现DSB调制。信号的时域和频域波形如图8所示。

图8 DSB波形及频谱

    实验测得DSB过零点信号波形如图9所示。为M曲线。

图9 DSB过调制过零点波形

(2)同步检波器电路设计与仿真

① 同步检波器电路设计

振幅调制信号的解调过程称为检波。常用方法有包络检波和同步检波两种。由于普通调幅波（AM）信号的包络直接反映了调制信号的变化规律，可以用二极管包络检波的方法进行解调。而双边带或单边带振幅调制信号的包络不能直接反映调制信号的变化规律，所以无法用包络检波进行解调，必须采用同步检波方法。

MC1496模拟乘法器构成的同步检波解调器电路原理框图10所示。

图10 同步检波解调器电路原理框图

其中y端输入同步载波信号UC，x端输入已调波信号US。解调器输出信号经低通后输出解调信号。其1496构成的同步检波电路与外接元件参数与AM调制电路无异，仅需接一低通滤波器实际设计电路如图11所示。          

图11 同步检波器电路

② 同步检波器电路仿真

1、按设计电路设置元件参数并用EWB完成电路连接。

2、调RW1使电路平衡时，即Uc=UΩ=0,Uo=0

3、按设计要求加入信号，（载波信号UX：f=1MHZ /50mV   调制信号Uy：f=2KHz/200mV），

     a．按已知条件产生DSB信号  

 b. 按同步检波工作原理加入信号，得实验数据如图12所示。

图12 同步检波器电路仿真波形

（3）混频器电路设计与仿真

混频电路的作用是在本地振荡电压的作用下，将载频为fc的高频已调信号不失真地变换为载频为f的中频已调信号。

由于乘法器可以产生只包含两个输入信号之和频及差频分量的输出信号，所以用模拟乘法器和带通滤波器可以方便地实现混频功能。其原理框图如图13所示：

图13 乘法器混频原理框图

    用模拟乘法器实现混频，就是在Ux端和Uy端分别加上两个不同频率的信号，相差一中频，再经过带通滤波器取出中频信号。

①混频器电路设计

由1496模拟乘法器构成混频电路和外接元件参数与AM调制电路无异，仅输出端需接465KHZ谐振回路，其设计的电路如图14所示。但必须保证模拟乘法器工作在平衡状态。

图14 乘法器混频电路

    正弦波由10端（X输入端）注入，高频信号源输出的正弦波由1端（Y输入端）输入，混频后的中频电压由6端经带通滤波器输出，其中8C﹑2L﹑5C﹑17R构成一选频滤波回路，调节可变电阻12R能使1﹑4脚直流电位差为零，可以减小输出信号的波形失真，使电路平衡。在2﹑3脚之间加接电阻，可扩展输入信号su的线性范围。

②混频器电路仿真

1、按设计电路设置元件参数并完成电路连接。

2、调RW1使电路平衡时，即Uc=UΩ=0,Uo=0

3、按设计要求加入信号，得实验数据如图15所示   

图15 乘法器混频电路波形

（4）倍频器电路设计与仿真

①倍频器电路设计

由模拟相乘器构成的倍频器电路原理框图如图16所示：

图16 倍频器电路原理框图

    当输入信号为：  ，即模拟相乘器接成如图16所示， 就构成了平方运算电路， 其输出与输入的关系是：

     如果 

则有  

因此， 只要在图14的输出端加一隔直电容， 便可实现正弦波的二倍频。

其输出电压即为 

依据以上原理，设计出的实际倍频电路如图17所示：

图17 倍频器电路

②倍频器电路仿真

1、按设计电路设置元件参数并完成电路连接。

2、调RW1使电路平衡时，即Uc=UΩ=0,Uo=0

3、按设计要求加入信号，得实验数据如图18所示。

图18 倍频器电路波形

四．体会与建议

    通过本次设计性实验的操作及报告的撰写，我对Multisim仿真软件的使用更加熟悉了，同时也领略到了该软件强大的仿真能力。在设计及仿真的过程中，我对模拟乘法器的原理以及应用有了更深刻的理解和记忆，再动手进行设计仿真时，真正认识到了自己理论知识的不足，并将自己的短板弥补回来，真是受益匪浅。

附录1：MC1496资料