1、 . . . 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書學(xué)生： 學(xué)立 學(xué) 號： 1205094347 學(xué)生： 丁超 學(xué) 號： 1205094237 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 信息對抗技術(shù)專業(yè) 題 目： 電子系統(tǒng)課程設(shè)計 變頻式射頻密碼鎖控制軟件 子題目3：構(gòu)建一個混頻電路，要求工作帶寬大于30M 指 導(dǎo) 教 師： 丕狀 王鑒 金杰 2015 年 7 月 3 日中北大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書 2014/2015 學(xué)年第 二 學(xué)期學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 信息對抗技術(shù)專業(yè) 學(xué)生： 學(xué)立 學(xué) 號： 1205094347 學(xué)生： 丁超 學(xué) 號： 1205094237 題 目： 電子系統(tǒng)課程設(shè)計 變頻式

2、射頻密碼鎖控制軟件 子題目3：構(gòu)建一個混頻電路，要求工作帶寬大于30M 起 迄 日 期： 2015年6月8 日2015年7月3日 課程設(shè)計地點： 信息對抗技術(shù)專業(yè)綜合實驗室 指 導(dǎo) 教 師： 丕狀 王鑒 金杰 學(xué)科部主任： 丕狀 下達(dá)任務(wù)書日期: 2015 年6月8日課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書1設(shè)計目的：（1）通過本課程設(shè)計的學(xué)習(xí)，學(xué)生將復(fù)習(xí)所學(xué)的專業(yè)知識，使課堂學(xué)習(xí)的理論知識應(yīng)用于實踐，通過本課程設(shè)計的實踐使學(xué)生具有一定的實踐操作能力；（2）熟練使用示波器、信號源、萬用表、頻譜分析儀等儀器設(shè)備；（3）通過電子信息系統(tǒng)設(shè)計的課程設(shè)計，掌握設(shè)計信息處理系統(tǒng)的思維方法和基本開發(fā)過程。2設(shè)計容和要求

3、（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等）：（1）熟悉Multisim、Protel DXP軟件的使用a、熟悉Multisim的運行環(huán)境；b、掌握在Multisim平臺上完成電路原理圖的仿真；c、熟悉Protel DXP的運行環(huán)境；d、掌握在Protel DXP平臺上完成電路原理圖的繪制、pcb制版；e、根據(jù)所選題目的需要，會正確設(shè)計電路，最終優(yōu)化電路。（2）實踐設(shè)計要求：a、根據(jù)所選題目，設(shè)計相應(yīng)的電路；b、根據(jù)設(shè)計的電路，完成電路仿真，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化電路；c、根據(jù)設(shè)計電路完成PCB制版，最終完成電路的研制。（3）參考題目題目1 變頻式射頻密碼鎖控制軟件基本要求與目的：l 掌握壓控振蕩器

4、原理、PLL原理和時鐘調(diào)節(jié)的方法，掌握外圍電路和接口了解可編程的概念l 增益帶寬積、環(huán)路增益、穩(wěn)定性原理、相頻特性、幅頻特性、阻抗匹配等含義，了解電流反饋運算放大器的特點l 調(diào)制解調(diào)的方式和調(diào)制解調(diào)電路、性能l 了解分布參數(shù)、地線布局電路性能的影響方式，掌握原理圖和PCB的設(shè)計技巧課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書 和能力l 了解單片機特性，掌握單片機選擇和系統(tǒng)外圍電路與其接口電路設(shè)計l 進一步了解軟件無線電的概念l 學(xué)習(xí)計算機仿真技術(shù)，掌握示波器、信號源等常規(guī)儀器使用方法l 進一步學(xué)習(xí)資料查閱能力和PPT制作能力子題目1：研制寬帶雙路放大器，要求帶寬>30M，增益40dB，輸入阻抗和輸出阻抗為

5、75歐（3人）。子題目2：構(gòu)建一單片機控制系統(tǒng)，要求具有不少于4個按鍵，產(chǎn)生一個具有低相位抖動時鐘信號，頻率在10-100M可調(diào)。（2人+2人）。子題目3：構(gòu)建一個混頻電路，工作帶寬分別>30M（2人）。子題目4：設(shè)計調(diào)制、解調(diào)電路模塊（3人）。題目2 基于TDOA技術(shù)的被動聲定位系統(tǒng)設(shè)計基本要求與目的：l 了解被動聲定位的基本原理；l 了解TDOA算法；l 了解前置放大器和AGC的工作原理；l 掌握有源濾波電路設(shè)計的基本工作原理；l 掌握定位精度與AD之間的關(guān)系；l 了解單片機特性，掌握單片機選擇和系統(tǒng)外圍電路與其接口電路設(shè)計l 學(xué)習(xí)掌握前置放大電路、AGC放大電路、濾波電路、數(shù)據(jù)采集

6、存儲電路；l 培養(yǎng)資料查閱能力和團隊合作精神和組織能力子題目1：設(shè)計一個前置放大電路，前置放大倍數(shù)20dB（3人合作完成）。子題目2：設(shè)計一個AGC電路，要求增益控制圍40dB，輸出最大增益60dB。（3人合作完成）子題目3：設(shè)計一個有源低通濾波電路，要求倍頻程衰減24dB，截止頻率30kHz。（3人合作完成）子題目4：設(shè)計一個單通道信號采集存儲電路，采樣位數(shù)不低于12位，采樣率100KSPS,存儲深度512KB（4人合作完成）課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書3設(shè)計工作任務(wù)與工作量的要求包括課程設(shè)計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：（1） 要求設(shè)計組的每個成員都要了解整個的大題設(shè)計要求和思路；（

7、2） 子題目小組的同學(xué)各完成一份設(shè)計說明書，突出各自的工作容；（3） 要求有正確的仿真結(jié)果與結(jié)果分析；（4） 要有正確的測試結(jié)果（示波器、頻譜分析儀調(diào)試波形）。4主要參考文獻(xiàn)：見提供的附件資料5設(shè)計成果形式與要求： 每個子題目小組提供詳細(xì)的設(shè)計說明書一份 電路板實物，電路板上印制上所有小組成員完整的學(xué)號（1205094XXX）和課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書6工作計劃與進度：2015年06月08日 2015年06月14日：學(xué)習(xí)軟件的使用，電路原理，完成電路的設(shè)計；2015年06月15日 2015年06月19日：完成電路的仿真，原理圖繪制與制版；2015年 06月20日 2015年06月28日：完成

8、電路的實物制作（制版、焊接、調(diào)試）；2015年 06月29日 2015年07月02日：撰寫課程設(shè)計說明書；2015年7月03日：提交實物，答辯學(xué)科部主任審查意見：簽字：年月日目 錄一、引言91.1 研究目的與意義91.2 研究背景101.3國外研究現(xiàn)狀111.3.1國外研究動態(tài)111.3.2國研究動態(tài)121.4研究方法131.5設(shè)計流程141.5.1 multisim仿真141.5.2 Altium Designer繪制PCB板141.5.3 腐蝕電路板141.5.4 焊接電路141.5.6 測試與修改電路15二、混頻器理論基礎(chǔ)152.1混頻器理論基礎(chǔ)152.1.1 二極管環(huán)形混頻器

9、原理與基本組成152.1.2模擬乘法混頻電路的基本組成模型與主要技術(shù)特點162.2帶通濾波器的設(shè)計172.2.1有源帶通濾波器原理172.2.2無源帶通濾波器的設(shè)計18三、multisim設(shè)計與仿真213.1 二極管環(huán)形混頻器設(shè)計213.2模擬乘法器混頻電路：233.3帶通濾波器電路的設(shè)計與仿真253.3.1 RLC串聯(lián)濾波器253.3.2 有源帶通濾波器253.3.3軟件設(shè)計帶通濾波器263.4 方案選擇283.4.1 AD831芯片管腳293.4.2 AD831芯片部原理圖303.4.2 AD831雙電源低功耗供電模式32四、 Altium Designer繪制PCB板324.1.1 二極

10、管環(huán)形混頻器的原理圖設(shè)計324.1.2 二極管環(huán)形混頻器的PCB設(shè)計334.2 AD831模擬乘法器芯片實現(xiàn)混頻電路334.2.1原理圖與芯片封裝的繪制334.2.2 AD831混頻器原理圖繪制與說明364.2.3 AD831混頻器PCB繪制與說明374 腐蝕電路板384.2電路板腐蝕效果圖與注意事項39六、電路焊接42 / 42一、引言 在當(dāng)今社會，安全防盜已成為社會問題，而鎖自古以來就是防盜的重要工具，目前國大部分人使用的還是傳統(tǒng)的機械鎖，然而，眼下假冒偽劣的機械鎖互開率非常之高，此外，即使是一把質(zhì)量過關(guān)的機械鎖，通過急開鎖，甚至可以在不損壞鎖的前提下將鎖打開。機械鎖的這些弊端為一種新型的

11、鎖電子密碼鎖，提供了很大的發(fā)展空間。  從目前的技術(shù)水平和市場認(rèn)可程度看，使用最為廣泛的是鍵盤式電子密碼鎖，該產(chǎn)品主要應(yīng)用于保險箱、保險柜和取款機，由于人們對安全的重視和科技的發(fā)展，許多電子智能鎖（指紋識別、IC卡辨認(rèn)）已在國外相繼面世。但是這些產(chǎn)品的特點是針對特定的指紋和有效卡，只能適用于要求的箱、柜、門等。而且指紋識識別器在公共場所使用存在容易機械損壞，IC卡還存在容易丟失、損壞等缺點，再加上其成本較高，一定程度上限制了這類產(chǎn)品的普與和推廣。鑒于目前的技術(shù)水平與市場的接受程度，鍵盤式電子密碼鎖是這類電子防盜產(chǎn)品的主流。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，電子密碼防盜鎖作為防盜衛(wèi)士的作用也日

12、趨重要。電子密碼鎖是集計算機技術(shù)、電子技術(shù)、數(shù)字密碼技術(shù)為一體的機電一體化高科技產(chǎn)品，具有安全性高，使用方便等優(yōu)點。  電子密碼鎖是一種通過密碼輸入來控制電路或是芯片工作，從而控制機械開關(guān)的閉合，完成開鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品。它的種類很多，有簡易的電路產(chǎn)品，也有基于芯片的性價比較高的產(chǎn)品。現(xiàn)在應(yīng)用較廣的電子密碼鎖是以芯片為核心，通過編程來實現(xiàn)的。其性能和安全性已大大超過了機械鎖。1.1 研究目的與意義 本次課程設(shè)計我們分不同小組實現(xiàn)射頻式電子密碼鎖的不同模塊。第一組：研制寬帶雙路放大器，帶寬>30M，增益40dB，輸入阻抗和輸出阻抗為75歐。第二組：構(gòu)建一單片機控制系

13、統(tǒng)，要求具有不少于4個按鍵，產(chǎn)生一個具有低相位抖動時鐘信號，頻率在10-100M可調(diào)。第三組：構(gòu)建一個混頻電路，工作帶寬分別>30M。第四組：設(shè)計調(diào)制、解調(diào)電路模塊。各個小組協(xié)同工作，共同完成射頻電子密碼鎖的設(shè)計。我們組設(shè)計的是混頻器模塊，顧名思義，混頻器是將信號頻率由一個量值變換為另一個量值的過程。具有這種功能的電路稱為混頻器（或混頻器）。    一般用混頻器產(chǎn)生中頻信號：  混頻器將天線上接收到的信號與本振產(chǎn)生的信號混頻，coscos=cos(+)+cos(-)/2 。其中為信號頻率量，為本振頻率量，產(chǎn)生和差頻。當(dāng)

14、混頻的頻率等于中頻時，這個信號可以通過中頻放大器，被放大后，進行峰值檢波。檢波后的信號被視頻放大器進行放大，然后顯示出來。由于本振電路的振蕩頻率隨著時間變化，因此頻譜分析儀在不同的時間接收的頻率是不同的。當(dāng)本振振蕩器的頻率隨著時間進行掃描時，屏幕上就顯示出了被測信號在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號的幅度記錄下來，就得到了被測信號的頻譜。在射頻電子密碼鎖中，我們的混頻器模塊承接第二組的信號發(fā)生器，對其輸出的調(diào)制信號進行混頻，輸出到中頻放大器，用于信號解調(diào)。1.2 研究背景混頻器是微波集成器件中必不可少的部件，在微波通信、雷達(dá)、遙控、遙感、偵查與電子對抗系統(tǒng)、以與微波測量系統(tǒng)中，將微波信號用混

15、頻器降到中低頻進行處理。經(jīng)過混頻后得到的中頻信號比原始信號高，那么此種混頻方式叫做上變頻。由于變頻獲得的中頻頻率較高，所以對接收機中中頻放大、濾波、解調(diào)都提出了更高要求，使整個接收機成本較高。上變頻可獲得極高的抗鏡像干擾能力，且可獲得整個頻段非常平坦的頻率響應(yīng)。綜合以上因素，使這種變頻方式通常只有軍用等特殊場合（如軍用電臺）得到廣泛應(yīng)用，但在民用級產(chǎn)品中極少見到。 圖一：上變頻原理示意在超外差式接收機中，如果經(jīng)過混頻后得到的中頻信號比原始信號低，那么此種混頻方式叫做下變頻。由于下變頻方式的電路簡單，成本較低，所以被廣泛應(yīng)用于民用設(shè)備和對性能要求不高的軍用設(shè)備中。下變頻的目的是為了降低信號的載波

16、頻率或是直接去除載波頻率得到基帶信號。下變頻方式最大的缺點是對鏡像干擾的抑制能力較差。 圖二：下變頻原理示意1.3國外研究現(xiàn)狀接收機的關(guān)鍵部件之一是晶體檢波器或二極管混頻器，edwin armstrong首次采用真空管作為混頻器，將入射的頻率變?yōu)橹蓄l，再經(jīng)過很好的選擇性信號放大或檢波。二戰(zhàn)期間，伴隨著雷達(dá)的發(fā)展，微波混頻器有了進一步的發(fā)展，直到上世紀(jì)50年代末，系統(tǒng)噪聲系數(shù)才可以達(dá)到7dB。從微波到毫米波頻率圍，接收機靈敏度和動態(tài)圍在很大程度上仍然要靠混頻器。目前，國外許多科研工作者對混頻器的理論分析和工程應(yīng)用都做了大量的研究，研制了各種結(jié)構(gòu)和形式的混頻器.而且其中很多取得了不錯的指標(biāo)。國外的

17、研究起步早.工藝也較為先進.射頻微波混頻器主要為MMIC電路.性能也較為優(yōu)良。1.3.1國外研究動態(tài) 1994年，Jcan-M arc Mourant等人，設(shè)計了6-I8GHz超寬帶鏡像抑制混頻器.其中的無源器件是根據(jù)當(dāng)時最新的研究資料.采用平面小型化結(jié)構(gòu).LO和RF工作頻段為6-18GHz.中頻頻段為400-750MHz.變頻損耗小于9dB. 1995年Hwann-Kaco等人采用缺陷地非對稱共面波導(dǎo)到共面帶線過渡結(jié)構(gòu).設(shè)計了超寬帶巴倫，工作頻率可到50GHz.其回波損耗大于16dB:采用硅肖特基二極管，設(shè)計了工作頻率可以達(dá)到40GHz的雙平衡混頻器.本振LO到中頻IF端口的隔離度大于30d

18、B.本振LO到射頻RF端口的隔離度大于30dB.變頻損耗小于11dB。 1998年 Shau-Gang Mao等人采用共面波導(dǎo)(CPW)到共面帶線(CPS)過度巴倫結(jié)構(gòu)，同時采用了CPS高通濾波器和低通濾波結(jié)構(gòu).井且論文中提出了等效電路模型。變頻損耗小于10dB. LO-IF的隔離度大于30dB. LO-RF的隔離度大于20dB.本振LO工作頻帶為10GHz-35GHz，中頻工作頻帶為0.1-5GHZ. 2009年Young-Gun Kim等人.采用微帶到共面帶線（CPS)過渡巴倫結(jié)構(gòu).設(shè)計了可以從DC到40GHz的超寬帶巴倫。他們采用此結(jié)構(gòu)設(shè)計了超寬帶雙平衡混頻器，LO和RF的工作頻率在4-

19、26GHZ圍，中頻IF在1GHz以下，變頻損耗在10dB以下.此平面結(jié)構(gòu)為二極管的安裝帶來了方便。1.3.2國研究動態(tài) 國相關(guān)技術(shù)發(fā)展比國外晚.由于受到加工工藝與集成技術(shù)水平的限制.國這方而的報道大部分采用混合集成電路.井且很多都是單獨做的雙平衡混頻器.或者鏡像抑制混頻器.將二者結(jié)合起來的比較少。 2000年.Chi-Yang Chang等人.采用共面波導(dǎo)(CPW)到共面帶線(CPS) T型結(jié)過渡的雙巴倫結(jié)構(gòu).設(shè)計了平面雙平衡星形混頻器。此平面結(jié)構(gòu)適合MMIC設(shè)計，設(shè)計的MMIC變頻損耗在通帶為6-10dB。 2008年電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院萍等人，采用了雙面微帶漸近線巴倫結(jié)構(gòu)，研究設(shè)計了雙

20、雙平衡超寬帶微波混頻器，射頻RF和本振LO工作頻段為2-18GHz.中頻IF為0.3-5GHZ.變頻損耗為10dB.本振LO到射傾RF端口的隔離度大于18dB.本振LO到中頻IF端口的隔離度大于17dB。. 2008年電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電磁場與微波技術(shù)專業(yè)宣揚采用鰭線結(jié)構(gòu)，研究設(shè)計了“w波段寬帶混頻器”.工作頻率在75-105GHZ困.變頻損耗小于9dB，本振LO到射頻RF端口的隔離度大于25dB。 2009年東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室王彥煒等人.采用半模SIW巴倫設(shè)計了X波段雙平衡混頻器.經(jīng)測試.在8.7-9.7GHz的頻率鬧，變頻損耗小于9dB.噪聲系數(shù)小于10dB.實物面積60m

21、m X 68mm. 2011年.Fan Fan He等人采用平而S1W結(jié)構(gòu)的魔 T結(jié)構(gòu).設(shè)計了工作在X波段的單平衡混頻器.變頻損耗在10dB以下。1.4研究方法設(shè)計混頻電路，并測試其參數(shù)。混頻器的主要參數(shù)如下：（1）噪聲系數(shù)：混頻器的噪聲定義為：NF=Pno/Pso Pno是當(dāng)輸入端口噪聲溫度在所有頻率上都是標(biāo)準(zhǔn)溫度即T0=290K時，傳輸?shù)捷敵龆丝诘目傇肼曎Y用功率。Pno主要包括信號源熱噪聲，部損耗電阻熱噪聲，混頻器件電流散彈噪聲與本振相位噪聲。Pso為僅有有用信號輸入在輸出端產(chǎn)生的噪聲資用功率。（2）變頻損耗：混頻器的變頻損耗定義為混頻器射頻輸入端口的微波信號功率與中頻輸出端信號功率之比。

22、主要由電路失配損耗，二極管的固有結(jié)損耗與非線性電導(dǎo)凈變頻損耗等引起。（3）1dB壓縮點：在正常工作情況下，射頻輸入電平遠(yuǎn)低于本振電平，此時中頻輸出將隨射頻輸入線性變化，當(dāng)射頻電平增加到一定程度時，中頻輸出隨射頻輸入增加的速度減慢，混頻器出現(xiàn)飽和。當(dāng)中頻輸出偏離線性1dB時的射頻輸入功率為混頻器的1dB壓縮點。對于結(jié)構(gòu)一樣的混頻器，1dB壓縮點取決于本振功率大小和二極管特性，一般比本振功率低6dB。（4）動態(tài)圍：動態(tài)圍是指混頻器正常工作時的微波輸入功率圍。其下限因混頻器的應(yīng)用環(huán)境不同而異，其上限受射頻輸入功率飽和所限，通常對應(yīng)混頻器的1dB壓縮點。（5）雙音三階交調(diào)：如果有兩個頻率相近的微波信號

23、fs1和fs2和本振fLO一起輸入到混頻器，由于混頻器的非線性作用，將產(chǎn)生交調(diào)，其中三階交調(diào)可能出現(xiàn)在輸出中頻附近的地方，落入中頻通帶以，造成干擾，通常用三階交調(diào)抑制比來描述，即有用信號功率與三階交調(diào)信號功率比值，常表示為dBc。因中頻功率隨輸入功率成正比，當(dāng)微波輸入信號減小1dB時，三階交調(diào)信號抑制比增加2dB。（6）隔離度：混頻器隔離度是指各頻率端口間的相互隔離，包括本振與射頻，本振與中頻，與射頻與中頻之間的隔離。隔離度定義為本振或射頻信號泄漏到其它端口的功率與輸入功率之比，單位dB。（7）本振功率：混頻器的本振功率是指最佳工作狀態(tài)時所需的本振功率。原則上本振功率愈大，動態(tài)圍增大，線性度改

24、善（1dB壓縮點上升，三階交調(diào)系數(shù)改善）。（8）端口駐波比：端口駐波直接影響混頻器在系統(tǒng)中的使用，它是一個隨功率、頻率變化的參數(shù)。（9）中頻剩余直流偏差電壓：當(dāng)混頻器作鑒相器時，只有一個輸入時，輸出應(yīng)為零。但由于混頻管配對不理想或巴倫不平衡等原因，將在中頻輸出一個直流電壓，即中頻剩余直流偏差電壓。這一剩余直流偏差電壓將影響鑒相精度。1.5設(shè)計流程1.5.1 multisim仿真利用EDA仿真軟件multisim對設(shè)計的混頻電路進行仿真，通過對波形的觀測，確定混頻電路的設(shè)計是否能夠滿足要求。1.5.2 Altium Designer繪制PCB板利用Altium Designer將原理圖繪制成PC

25、B板，并檢測其電器特性，生成網(wǎng)格報表。1.5.3 腐蝕電路板將Altium Designer繪制好的電流圖熱轉(zhuǎn)印到電路板上，并利用三氯化鐵腐蝕劑對電路板進行腐蝕，然后制成電路板實物。1.5.4 焊接電路電路板腐蝕好以后即開始焊接電路，焊接的的時候注意元器件的型號和封裝，已經(jīng)參數(shù)的大小，并留好測試點。1.5.6 測試與修改電路測試電路，并且適當(dāng)調(diào)整元器件的參數(shù)，使輸出的中頻信號更加穩(wěn)定。二、混頻器理論基礎(chǔ)2.1混頻器理論基礎(chǔ)對于混頻電路的分析，重點應(yīng)掌握，一是混頻電路的基本組成模型與主要技術(shù)特點，二是混頻電路的基本原理與混頻跨導(dǎo)的計算方法，三是應(yīng)用電路分析。2.1.1 二極管環(huán)形混頻器

26、原理與基本組成當(dāng)器件的伏安特性是非線性時，能實現(xiàn)混頻。當(dāng)忽略三次方以上的各項時，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：式中分別為各項系數(shù)。若。代入上式并利用三角公式進行變換，則得到：可見，當(dāng)兩個不同頻率的高頻電壓作用于非線性器件時，將產(chǎn)生直流、二次諧波、和頻與差頻等。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。相乘器、晶體三極管、晶體二極管等非線性器件均可實現(xiàn)混頻。在通信設(shè)備中廣泛采用二極管環(huán)形相乘器構(gòu)成混頻器，稱為環(huán)形混頻器。它主要用于通信系統(tǒng)的微波波段，由兩個平衡混頻器組成，其電路如圖1 所示。圖中T1、T

27、2 為中心抽頭的寬頻帶變壓器。為了讓二極管工作在開關(guān)狀態(tài)，要求本振信號的功率必須足夠大。該電路的主要優(yōu)點是工作頻帶寬，可達(dá)幾千兆赫茲，噪聲系數(shù)小，動態(tài)圍大。2.1.2模擬乘法混頻電路的基本組成模型與主要技術(shù)特點： 混頻，工程上也稱變頻，是將信號的頻率由一個數(shù)值變成另一個數(shù)值的過程，實質(zhì)上也是頻譜線性搬移過程，完成這種功能的電路就稱為混頻電路或變頻電路。混頻電路的基本原理：圖2中，Us(t)為輸入信號，Uc(t)為本振信號。Ui(t)輸出信號。分析：當(dāng)則= 其中：對上式進行三角函數(shù)的變換則有：從上式可推出，Up(t)含有兩個頻率分量和為(c+S)，差為(C-S)。若選頻網(wǎng)絡(luò)是理想上邊帶

28、濾波器則輸出為若選頻網(wǎng)絡(luò)是理想下邊帶濾波器則輸出：2.2帶通濾波器的設(shè)計帶通濾波器是指能通過某一頻率圍的頻率分量、但將其他圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器。一個模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-電容電路。這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來產(chǎn)生。2.2.1有源帶通濾波器原理2. 教材例9.3.2電路圖2.2.2無源帶通濾波器的設(shè)計RLC串聯(lián)電路電路圖為：則有電壓轉(zhuǎn)移比為：且于是根據(jù)中心頻率的定義（電路轉(zhuǎn)移函數(shù)的分母為純實數(shù)時的頻率），則有下面計算截止頻率和。在頻率等于截止頻率時，轉(zhuǎn)移函數(shù)的幅值為。又當(dāng)時，有最大值（中心頻率為通帶幾何中心，即轉(zhuǎn)移函數(shù)最大幅值處）。則有 （） 設(shè)（）式

29、左側(cè)為，則有故解之有由此可以驗證 ，與前面計算結(jié)果一樣，故方確。于是帶寬滿足：。于是有品質(zhì)因數(shù)Q滿足：上述方法為計算品質(zhì)因數(shù)的一種方法，現(xiàn)在給出計算品質(zhì)因數(shù)的另外一種方法：發(fā)生諧振時的感抗或容抗值，稱為電路的特性阻抗。則在該電路中有 故由品質(zhì)因數(shù)為回路特性阻抗與回路中電阻R的比值，則于是可由方程組（和Q給定）：（公式）則當(dāng)三個變量確定一個值時，即可以確定所選元件的大小，進而構(gòu)造出該帶通濾波器。三、multisim設(shè)計與仿真3.1 二極管環(huán)形混頻器設(shè)計此電路圖是根據(jù)二極管環(huán)形混頻器進行設(shè)計的上變頻混頻器，電路結(jié)構(gòu)簡單，濾波清晰，選頻濾波器的中心頻率為56.234MHZ,帶寬只有14MHZ。此時輸

30、出的上變頻混頻波形為：波形良好，無失真現(xiàn)象。3.2模擬乘法器混頻電路：本次實驗采用現(xiàn)成的四象限模擬乘法器芯片MC芯片做，實驗電路圖如下：仿真結(jié)果分析：濾波波形無失真現(xiàn)象，模擬乘法器在理想仿真的情況下能夠滿足混頻器實驗的要求。3.3帶通濾波器電路的設(shè)計與仿真3.3.1 RLC串聯(lián)濾波器此種濾波器，結(jié)構(gòu)簡單，方便計算，不過主要存在的問題是當(dāng)頻率過高時，R、L、C的值很難達(dá)到指定的要求。設(shè)計為上變頻混頻電路時，若頻率達(dá)到100MHZ以上，帶寬30MHZ以上時，電容的容值很容易就低于1PF，實際標(biāo)稱值很難達(dá)到。3.3.2 有源帶通濾波器二階有源帶通濾波器結(jié)構(gòu)固然不是很復(fù)雜，不過其中心頻率很難達(dá)到高頻階

31、段，滿足本次課設(shè)的要求。3.3.3軟件設(shè)計帶通濾波器、利用軟件設(shè)Filter Solution 設(shè)計一個中心頻率為130MHZ,帶寬為30MHZ輸入阻抗為50歐姆，輸出阻抗為50歐姆的3階切比雪夫BPF：參數(shù)調(diào)整后，電路圖如下：此時帶通濾波器的中心頻率為122.7MHZ，帶寬為32MHZ：2、再利用Filter Solution生成一個中心頻率為50M，帶寬30M，輸入阻抗輸出阻抗均為50歐姆的2階切比雪夫帶通濾波器：修改后的電路圖如下：仿真如下修改參數(shù)后電路中心頻率為42MHZ，帶寬38MHZ。基本上滿足實驗的要求。3.4 方案選擇由于考慮到二極管環(huán)形混頻器的仿真波形特別的完美，并且電路極其

32、簡單，設(shè)計方便，繪制電路板容易。但是二極管環(huán)形混頻器由于使用了耦合線圈，暫時沒有辦法將其隔出，并模擬乘法器設(shè)計的混頻電路結(jié)構(gòu)簡單，不過考慮到線圈對高頻信號的影響，故不得不對此方案施以取舍。各種模擬乘法器對輸入高頻信號的頻率都有一定的適用圍，如MC1458，其頻帶使用圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到100Mhz，我們只能運用它檢測我們的設(shè)計思想是否能夠滿足設(shè)計混頻器的要求。轉(zhuǎn)而采用更專業(yè)的集成四象限模擬乘法器芯片如AD831、AD834、AD835等等。AD831是一個低失真、寬動態(tài)圍的單片混頻器芯片，RF輸入帶寬為400MHZ，輸入P1db為10dB,DC輸入電阻為1.3千歐，電容為2皮法；IF輸出帶寬為200M

33、Hz，變頻轉(zhuǎn)換增益為0dB,輸出電壓擺幅正負(fù)1.4伏；輸入IP3系數(shù)為10.314dB；LO的輸入頻率帶寬為400MHz,最大輸入電壓圍-1伏正1伏，差分和共模輸入阻抗為電阻為500歐姆，電容為2皮法；LO到RF的隔離度為45dB;雙電源電壓圍為4.55.5伏，單電源電壓圍911伏，電流消耗100125毫安。3.4.1 AD831芯片管腳考慮到價格與芯片的各項參數(shù)，我們選擇AD831低功耗的四象限模擬乘法器芯片。其芯片管腳如下：3.4.2 AD831芯片部原理圖上圖所示是AD831的部電路框圖。圖中，頻頻輸入信號加到晶體管Q1、Q2的基極，由于電阻R1、R2的負(fù)反饋潮作用，因而差分電流射頻信號

34、的幅度成線性關(guān)系。-10dBm的本振輸入信號經(jīng)過一個高增益、低噪聲的限幅放大器轉(zhuǎn)換成方波，而后交叉地加到Q3Q6的基極，最后混頻信號從IFP和IFN腳輸出。當(dāng)將IFP、IFN連接到有中心抽頭的變壓器上時，AD831不可提供從射頻到中頻的單路輸出。若使用輸出放大器，則可降IFP和IFN腳直接與AP和AN腳相連，這時，片的負(fù)載電阻可將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓來驅(qū)動輸出放大器。1控制偏置電流 AD831的射頻輸出的最大值與偏置電流成比例，在BIAS引腳與電源之間接一個電阻可使偏置電流減小。正常工作時可將BIAS腳懸空，而在低功耗工作時，可將BIAS腳直接連接到正電源。混頻器工作電流的調(diào)節(jié)圍可從正

35、常工作的100mA調(diào)整至最小功耗時的45mA。2低通濾波 在混頻和輸出放大器之間可加入一個簡單的低通濾波器，方法是在芯片的部電阻性負(fù)載上并聯(lián)一個外接電容（芯片的部電阻性負(fù)載為14，允許有20%的偏差），這樣在下混頻應(yīng)用中將顯著衰減本振信號和射頻信號的和頻成分。該一階低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，應(yīng)選擇在比下混頻的IF輸出高一個倍頻程的位置。例如，對70MHz中頻輸出而言，-3dB點可選在140MHz附近，此時CF應(yīng)為82pF。 3輸出放大器的應(yīng)用 AD831的輸出放大器可將混頻的差分電流轉(zhuǎn)換為單端電壓輸出形式，并可在50的負(fù)載上提供高達(dá)1V的峰-峰值電壓。把AN和AP直接

36、連接到混頻級的集電極輸出上，并將輸出端（OUT）接至VFB，這樣可提供單增益。改變增益時，可在放大器的輸出端外接一個電阻網(wǎng)絡(luò)R3、R4并連接至VFB。3.4.2 AD831雙電源低功耗供電模式采用5V電源供電，電路不僅功耗低而且實驗室5V的電源比較常見，方便后期的實驗檢測。四、 Altium Designer繪制PCB板4.1.1 二極管環(huán)形混頻器的原理圖設(shè)計：4.1.2 二極管環(huán)形混頻器的PCB設(shè)計：本次PCB的布線采用雙層板布線，因為二極管環(huán)形和兩個變壓器之間的第3管腳需要接本振輸入信號，所以線路勢必有交叉，并且高頻板引線對高頻信號影響極壞，所以我們首先考慮雙層板。由于電感取值特別小，因此

37、考慮電感使用貼片封裝的形式。4.2 AD831模擬乘法器芯片實現(xiàn)混頻電路4.2.1原理圖與芯片封裝的繪制：繪制原理圖的過程中，發(fā)現(xiàn)缺少PLCC20管腳的AD831芯片的原理圖與封裝，我們首先想到的是在網(wǎng)上檢索AD831的原理圖與封裝，雖然找到了，但是網(wǎng)路上的AD831芯片的原理圖庫與我們連線使用的電路管腳分布很不一樣，強行使用其原理，必將造成繪制原理圖的時候線路出現(xiàn)交叉，影響視覺效果。所以我們還是決定自己繪制器件原理圖和封裝。封裝的繪制采用元器件繪制向?qū)缦?其參數(shù)設(shè)置參照芯片手冊元器件的外型設(shè)置：4.2.2 AD831混頻器原理圖繪制與說明AD831整體效果圖如下，選頻網(wǎng)絡(luò)才有雙切換模式，兩

38、個帶通濾波器一個濾取上變頻，一個濾取下變頻。前置CLC阻抗匹配電路：射頻信號端的阻抗匹配電路使傳輸線獲得最大功率。下變頻選頻網(wǎng)絡(luò)：此處的帶通濾波器中心頻率為42MHZ，帶寬38MHZ的Filter Solution 設(shè)計的帶通濾波器修改而來。上變頻選頻網(wǎng)絡(luò)：中心頻率為122.7MHZ，帶寬為32MHZ，電感電容的參數(shù)值略有修改。4.2.3 AD831混頻器PCB繪制與說明電路板繪制過程中，由于是高頻板，走線盡可能短，布線線寬盡可能寬。并且在輸入端和混頻輸出端各留有測試孔。封裝問題，電阻、電感、電容均采用直插式，購買電感時去檢索了一下本來是有NH級的直插電感，可是后來沒有買到直插的電感，只能使用

39、貼片的電感。4 腐蝕電路板4.1電路板制作流程：1、 打印電路板:將繪制好的電路板用轉(zhuǎn)印紙打印出來，注意滑的一面面向自己，一般打印兩電路板，即一紙上打印兩電路板。在其中選擇打印效果最好的制作線路板。2、 裁剪覆銅板用感光板制作電路板全程圖解 。覆銅板，也就是兩面都覆有銅膜的線路板，將覆銅板裁成電路板的大小，不要過大，以節(jié)約材料。3、 預(yù)處理覆銅板用細(xì)砂紙把覆銅板表面的氧化層打磨掉，以保證在轉(zhuǎn)印電路板時，熱轉(zhuǎn)印紙上的碳粉能牢固的印在覆銅板上，打磨好的標(biāo)準(zhǔn)是板面光亮，沒有明顯污漬。4、 轉(zhuǎn)印電路板將打印好的電路板裁剪成合適大小，把印有電路板的一面貼在覆銅板上，對齊好后把覆銅板放入熱轉(zhuǎn)印機，放入時一定要保證轉(zhuǎn)印紙沒有錯位。一般來說經(jīng)過2-3次轉(zhuǎn)印，電路板就能很牢固的轉(zhuǎn)印在覆銅板上。熱轉(zhuǎn)印機事先就已經(jīng)預(yù)熱，溫度設(shè)定在160-200攝氏度，由于溫度很高，操作時注意安全5、 腐蝕線路板先檢查一下電路板是否轉(zhuǎn)印完整，若有少數(shù)沒有轉(zhuǎn)印好的地方可以用黑色油性筆修補。然后就可以腐蝕了，等線路板上暴露的銅膜完全被腐蝕掉時，將線路板從腐蝕液中取出清洗干凈，這樣一塊線路板就腐蝕好了。腐蝕液的成分為濃鹽酸、濃雙氧水、水，比例為1