一、实验目的、意义1了解模拟乘法器MC1496的电路组成结构与工作原理。2掌握利用乘法器实现振幅调制、同步检波、倍频与混频等几种频率变换电路的原理及设计方法。3学会综合地、系统地应用已学到模、数字电路与高频电子线路技术的知识掌握对振幅调制、同步检波、混频和倍频电路的制作与仿真技术提高独立设计高频单元电路和解决问题的能力。二、设计任务与要求1设计任务用模拟乘法器实现振幅调制(含AM与DSB)、同步检波、混频、倍频等频率变换电路的设计已知模拟乘法器为1496采用双电源供电Vcc12VVee-8V。2设计要求①全载波振幅调制与抑制载波振幅调制电路的设计与仿真基本条件高频载波500KHz/100mV调制信号1KHz/300mV模拟乘法器采用MC1496。并按信号流程记录各级信号波形。计算此条件时的AM调制信号的调制度m分析AM与DSB信号m100%时过零点的特性。②倍频器电路设计与仿真实现对信号的倍频。基本条件UxUy载波信号Uxf500KHZ/60mV,并记录各级信号波形。推证输入、输出信号的关系。三、主要仪器设备及耗材1双踪示波器2计算机与仿真软件四、实验内容1集成模拟乘法器1496的内部结构集成模拟乘法器是完成两个模拟量电压或电流相乘的电子器件。在高频电子线路中振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与解调的过程均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分立器件如二极管和三极管要简单的多而且性能优越。所以目前在无线通信、广播电视等方面应用较多。集成模拟乘法器的常见产品有BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等。下面介绍MC1496集成模拟乘法器。1)MC1496的内部结构MC1496是目前常用的平衡调制/解调器。它的典型应用包括乘、除、平方、开方、倍频、调制、混频、检波、鉴相、鉴频、动态增益控制等。MC1496的内部电路与外部引脚图如图1(a)(b)所示。图1 MC1496的内部电路及引脚图其内部电路含有8个有源晶体管引脚8与10接输入电压VX、1与4接另一输入电压VY引脚6与12接输出电压VO。一个理想乘法器的输出为VOKVXVY而实际上输出存在着各种误差其输出的关系为VOK(VX VXOS)(VYVYOS)VZOX。为了得到好的精度必须消除VXOS、VYOS与VZOX三项失调电压。引脚2与3之间需外接电阻对差分放大器T5与T6产生交流负反馈可调节乘法器的信号增益扩展输入电压的线性动态范围。MC1496各引脚功能如下表所示表1 MC1496引脚功能表引脚编号标识功能引脚编号标识功能1SIG信号输入正端2GADJ增益调节端3GADJ增益调节端4SIG-信号输入负端5BIAS偏置端6OUT正电流输出端7NC空脚8CAR载波信号输入正端9NC空脚10CAR-载波信号输入负端11NC空脚12OUT-负电流输出端13NC空脚14V-负电源2)Multisim建立MC1496电路模块启动Multisim程序新建电路图文件按照MC1496的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。单击绘制/连接器/HB/SB连接器命令屏幕上出现输入/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。单击绘制/用支电路替换命令屏幕上出现支电路名称对话框在对话框中输入MC1496单击确认完成子电路的创建。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打开子电路图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2AM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vctVcmcosωct另一输入端输入调制信号vΩtVΩmcosΩt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votKvctvΩtKVcmVΩmcos(ωc-Ω)t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votVcm1mcosΩtcosωctVcmcosωct12mVcmcosωcΩt12mVcmcosωc-Ωt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 AM/DSB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应用资料得到典型应用电路如图4所示。图4 MC1496构成的振幅调制电路原理图由此得到实际的模拟乘法器MC1496构成的振幅调制电路与测量系统原理图如下图所示。图5 MC1496构成的振幅调制电路与测量系统原理图2)AM与DSB电路的仿真按设计电路设置元件参数并用仿真软件Multisim完成电路连接当电路平衡时即UΩ0,Uo0,模拟乘法器MC1496的静态特性数据如下表所示表2 MC1496静态特性表引脚8101461223514电压V5.995.99-0.016-0.0167.957.95-0.64-0.64-6.85-8.0调整R15的阻值至99%使模拟乘法器的1、4脚间电压为200mV电路不平衡。按设计要求加入信号载波信号UX:f500KHz/60mV调制信号UY:f2KHz/150mV此时实现AM调制。信号时域波形和频谱图如下图所示此条件下调制指数ma0.45。图6 AM信号波形与频谱调节R15使AM信号过调制当ma100%时过零点为一条直线示波器观察波形如下图所示图7 过调制AM信号过零点波形令UΩ0调节R15至50%使模拟乘法器1、4脚间电压为0V电路平衡。按设计要求加入信号载波信号UX:f500KHz/60mV调制信号UY:f2KHz/200mV此时实现DSB调制。信号时域波形和频谱图如下图所示图8 DSB信号波形与频谱图实验测得DSB信号过零点波形如下图所示为M曲线。图9 DSB信号过零点波形3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下图所示图10 倍频器电路原理框图当输入信号为uxuyui时模拟相乘器就构成了平方运算电路其输入与输出的关系式为uoKuxuyKui2如果uxuyuiuimsinωt则有uoKuimsinωt2[Kuim2(1cos2ωt)]2因此只需要在输出端uo加一隔直电容就可以实现对输入正弦波的二倍频。输出电压即为uoK[uims2cos2ωt]2倍频电路的设计如下图所示图11 倍频器电路原理图2)倍频器电路仿真在仿真软件Multisim中按设计电路设置元件参数并完成电路连接调节R15使电路平衡UcUΩ0,Uo0按设计要求加入信号ui:f500KHz/60mV输出波形如下图所示图12 倍频电路输出波形图可以看到电路实现了对输入信号的倍频功能输出波形良好无失真频率稳定符合要求。五、体会与建议在本学期的高频实验中我学习并搭建了许多课本上所教授的电路模型观察并记录了各项参数使我对正在学习的高频电子线路课程更加熟悉。实验紧跟教学内容有助于我更加深入地了解、感受、体验分析设计电路的全过程。尽管本学期的实验课程不同以往线上教学时间紧、任务重仿真软件、仿真平台常常出现意外情况但也锻炼了我们独立解决问题的能力同学们互相帮助交流经验解决了许多没有遇到过的新问题、新挑战使我积累了许多电路实验的小经验。由于虚拟仿真实验的特殊性受制于不同平台、不同版本的仿真软件限制也许同样的电路能够产生不同的结果希望后续的实验能够多加考量统一仿真环境、改善平台使用体验。