模拟乘法器应用实验.

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1、实验四. 模拟乘法器应用实验 n模拟乘法器是一种利用晶体管的非线性特 性，经过电路上巧妙安排，在输出中把两 路输入信号抵消掉仅保留由非线性产生的 两路输入信号的乘积项，从而获得良好的 乘积特性的集成器件。其用途广泛，除用 于各种频率变换：如平衡调制、混频、倍 频、同步检波、鉴频、鉴相、自动增益控 制等电路外，还可与放大器结合完成许多 数学运算。常用的模拟乘法器有双差分模 拟乘法器MC1496、MC1596，四象限模 拟乘法器BG314及超高频四象限乘法器 A0834等。 实验任务与要求 n实验目的 （1）了解模拟乘法器的工作原理 （2）学会利用模拟乘法器完成平衡调制、混频 、倍频、同步检波、鉴

2、相及鉴频等功能。 实验仪器 n高频信号发生器 QF1055A 一台; n超高频毫伏表 DA22A 一台; n频率特性测试仪 BT3C 一台; n直流稳压电源 HY17112 一台; n数字示波器 TDS210 一台. 实验任务与要求 n基本实验的实验线路及说明 实验电 路如图1所示。该电路可用来实现普 通调幅、平衡调制、混频、倍频、同步检波 等功能。图中RL为负载电 阻，RB是偏置电阻 ，RE是负载反馈电阻，RW和R1、R2组成平衡调 节电路，调节RW，可使1、4两脚的直流电位 差为零，从而满足平衡调幅的需要，若1、4 脚直流电位差不为零，则1、4输入包括调制 信号和直流分量两部分，此时可实现

3、普通调幅 波，电感L1和C1、C2组成BPF以混频输出所需的 465KHz中频信号，同步检波可用前边的限幅器 (未给处)和模拟乘法器及低通滤波器（L2 C3 C4）构成。 图1.模拟乘法器应用电路一：振幅调制、 混 频等 n基本命题 1.实验前，所有实验先进行计算机仿真 ，研究载波、调制信号大小及频率变化 ，直流分量大小对已调信号的影响。 2.用模拟乘法器MC1596实现正弦调幅。分别 加入fx=500KHz，Ux=50mV，fy=10KHz， Uy=0.2V的信号时调电位器RW工作在不平衡 状态时便可产生含载波的正弦调幅信号。 u a:保持Ux（t）不变，改变Uy值：50mV、 100mV、

4、150V、200mV、250mV时，观察 Uo(t)的变化，并作出mUy(t)关系曲线（ *m指以调信号的调幅系数测试时可用公式 m=(A-B)/(A+B)） u b:保持Uy(t)不变，fy由小到大变化时 ，输出波形又如何变化？ 3.用模拟乘法器MC1596实现平衡调幅波。 a.调平衡：将乘法器y输入端接地,即Uy(t)=0,x输入 端加入fx=500KHz,Ux=50mV的输入信号,调电位器RW 使Uo(t)=0。 b分别加入fx=500KHz,Ux=50mV;fy=50KHz,Uy=200mV的 信号时,微调RW即可得到平衡的双边带信号,描绘 Uo(t)的波形,要特别注意调制信号过零时载

5、波倒相 现象。 c.保持Ux(t)不变，使Uy(t)由小到大变化，观察 Uo(t)的变化，记下变化结果，并测出最大不失真 的Uo(t)所对应的Uy(t)的大小。 d.保持Ux(t)不变，fy变化时Uo(t)变化情况如何？ 4.用MC1596实现 倍频:调整模拟乘法器仍工 作在平衡状态，在x输入端和y输入端同时 加fi=200KHz， Ui=50mV信号，微调Rw，用 示波器双踪观察Uo(t) 和Ui(t)的关系， 即有fo=2fi 5.用MC1596实现混频:在乘法器输入端分别加 入fx=565KHz，Ux=50mV和fy=100KHz，Uy=0.1V 信号，在乘法器输出端接入465KHz的带

6、通滤 波器，使可得到两信号的差频输出，实现混 频作用，记录输出波形及频率值。 6. 用MC1596实现同步检波:按原理电路(图1) 连接，当输入端加入调幅波信号时，该信号 载波频率为500KHz，大小为50mV，调制频率 为1KHz，m=30%时，分别观察图中A、B、C及 输出Uo(t)的波形。 扩展命题 1. 用模拟乘法器实现鉴频:实验电路如图2。输 入信号Us其载频fc=10.7MHz，调制频率F=1KHz ，频偏fm=75KHz,载波幅度Ucp.p=40mV,观察 Uo(t)，并测出整个电路的特性曲线.即鉴频特 性曲线(本实验用扫频仪进行),扫频仪的使用 请参考本章第一节相关内容。图2给

7、出的是用 模拟乘法器MC1596实现的相位鉴频电路。其 中C1与并联谐振回路LC共同组成线性移相网络 ，将调频波的瞬间时频率变化转变为瞬时相 位的变化（即FM波变为FMPM）。MC1596的 作用是将FM波与FMPM波相乘，输出端接集 成的差分放大器将双端输出变为单端输出， 再经RC构成的LPF输出。 模拟乘法器应用电路二：鉴频器 2.如何用模拟乘法器实现自动增益控制？ 3.平衡调制过程中会出现哪几种不正常的波 形？试分析原因。 4.调幅时出现的过调制波形如何？原因是？ 用实验说明。 整理所测数据及波形，认真分析各种频率变 换，用坐标纸画出所测波形，写出规范的实验 报告，并谈谈自己的体会。 实

8、验说明及思路提示 nMC1596(MC1496)电原理图和引脚图如图3所示 模拟乘法器的典型应用及仿真波形 1. 平衡调制抑制载波调制(DSBSC):即 乘法器在载波和调制同时输入时，通过平衡 调整（接在信号Uy通路的电位器），使载波 馈通为零，输出端只有两输入信号的乘积项 ，从而完成平衡调制，实现框图如图4. 图3.MC1596内部电路及引脚功能图如下： 图4:平衡调制框图如下： 由框图有： 用图1进行平衡调幅仿真，其波形和频谱分别见图 5(a).5(b) 图5(a).双边带平衡调幅波形如下： 图5(b).双边带平衡调幅频谱如下： 仿真条件：载波频率fx=500KHZ,U=10mV.调 电位

9、器工作在平衡状态调制频率fy10KHz, 调制电压Uy=0.2V 2.普通调幅(AM) 框图如图4。实验时乘法器因工作在不平衡 状 态，从而y通道存在直流而输出调幅波 (关系同学们可自行推导),仿真波形及频谱 如图6(a)、6(b)所示。 仿真条件：载波Ucm50mV,fx=500kHz,调制 频率fy10KHZ, Uy=0.5V。 图6(a).普通调幅波波形如下： 图6(b).普通调幅波频谱如下： 3.倍频原理框图如图7所示（输入输出关系自行 推导），仿真波形如图8所示。需注意的是， 倍频实现时模拟乘法器必须工作在平衡状态。 *仿真条件：Ux=Uy=20mV,fx=fy=200kHz,由图8

10、 看出,输出其频率为400KHz，实现了倍频作用 。 图7.倍频实现原理方框图如下： 图8.倍频波形对比图如下： 4.混频：原理框图如图9，两路输入信号（其频 率相差一个中频）经模拟乘器在输出端产生 其差频分量，该分量经过带通滤波器选择（ 中心频率为差频）即完成混频作用. 图9.混频实现框图如下： 5. 同步检波：原理框图如图10。 设输入的调幅信号电压 经限幅后得到的电压为 模拟乘法器输出Uo则为 从上式可以看出Uo(t)中不仅有成分，还有 2c成分及2c+,2c,等成分，只要 通过低通滤波器便可以得到只有成分的调 制信号，从而完成了检波作用。 图10.同步检波的实现框图如下： 6.鉴相：所

11、谓鉴相就是相位检波，用以比较两 相同频率的信号的相位差，原理框图如图11 所示。 图11.鉴相器实现框图如下： ux=ui=Uicosit uy=KUicos(it+) 经LPF后:u0(t)=Kcos 7.鉴频：鉴频是调频的逆过程，广泛采用的鉴 频电路是相位鉴频器。其鉴频原理是：先将 FM波经过一个线性移相网络变换成FMPM波 ，然后再与调频波经乘积型鉴相器进行鉴相 。实现框图如图12. 图12.模拟乘法器实现鉴频框图如下： 设 经移项后 乘法器的输出为 经LPF后：u0(t)=Ksin() 从上式可以看出：输出信号是相移网络的相 频特性()的函数。当|()|0.4rad, sin()(),

12、即输出电压正比于 ()，因为()正比于输入调频波的频 率变化，频 率变化又正比于调制信号，从而有输出电压 正比于调制电压，实现了鉴频作用，即有： u0(t)=K u(t) 模拟乘法器应用设计举例 模拟乘法器应用设计包括： a. 模拟乘法器静态偏置的确定。 b.完成各种应用电路的设计。 n静态偏置电压的确定：以MC1596为例 1.静态偏置电压的设置原则应保证每个晶体 管工作在放大状态。对于图3所示的内部电 路，应用时静压应满 足下列关系，即U8=U10 ，U1=U4，U6=U12，另外晶体管的集、基极间 的电压应 大于或等于2V，小于或等于最大允 许工作电压， 即满足： 15V（U6,U12）

13、-（U8,U10）2V 15V（U8,U10）-（U1,U4 ）2.7V 15V（U1,U4）- U52.7V 2.静态偏流的确定 静态时，因差分各管的基极偏流很小，因此 乘法器的静态偏置电流主要由恒流源Io的值 确 定。当器件单电源工作时，14脚接地，5脚 外 接偏置电阻到Vcc，由于Io是I5的镜像电流 ， 所以改变电阻R5可以调节Io的大小，即 IoI5=(12V-0.7)/(R5+500) 当器件为双电源工作时，引脚14接负电源 .UEE (一般接-8V），5脚通过电阻R5接地，因此 ， 改变R5也可以调节Io的大小,即 IoI5=(|-UEE|-0.7V)/(R5+500) 根据MC

14、1596的性能参数，器件的静态电流小于 4mA，一般取Io=I5=1mA左右.在UEE=-8V时,R5常 取 6.8K。器件的总耗散功率可由下式估算： PD=2I5（U6-U14）+I5（U5-U14） PD的值应小于器件的最大允许耗散功率（33mw ） 3.负反馈电阻对模拟乘法器输出性能的影响（ *应用时，载波从8，10输入；调制信号从1， 14输入） RE接入后，扩展了Uy的线性动态范围，所以 器件的工作状态主要由Ux决定，此时Uo的表 达式 可表示为： a.ux为小信号时（100mv),ux可看作载波控制的 开 关系数，此时uo可表示为： u0 -2(Rc/RE)uy 表明,ux为大信号时，输出电压u0与输入电压 ux无关。 n各种应用电路设计包括限幅电路、低通滤波 器、带通滤波器等的设计，有需要请参考相 关的资料，这里不再详述。