硬件探索——模拟乘法器的综合应用设计实验

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， V cc=12V ， V ee = -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： 500 KHz /100 mV ，调制信号： 1 KHz /300 mV ，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 m＞100% 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： U x = Uy （载波信号 Ux ： f=500 KHZ / 6 0 mV ）,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 V X 、1与4接另一输入电压 V Y ，引脚6与12接输出电压 V O 。一个理想乘法器的输出为 V O =K V X V Y ，而实际上输出存在着各种误差，其输出的关系为： VO=K(VX + V XOS )(VY+ V YOS )+ V ZOX 。为了得到好的精度，必须消除 V XOS 、 V YOS 与 V ZOX 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

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

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 v c t = V cm cos ω c t ，另一输入端输入调制信号 v Ω t = V Ω m cosΩ t ，，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：

vo t =K v c t v Ω t =K V cm V Ω m cos ( ω c - 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：

vo t = V cm 1+m cosΩ t cos ω ct

=V cm cos ω c t+ 1 2 m V cm cos ω c + Ω t+ 1 2 m V cm cos ω c - Ω t

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

1. 按设计电路设置元件参数并用仿真软件Multisim完成电路连接
2. 当电路平衡时，即 U Ω =0 , U o =0 ,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

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 U X:f=500 KHz / 60 mV ，调制信号 U Y:f=2 KHz/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 m a=0.45 。

图6 AM信号波形与频谱

调节R15使AM信号过调制，当 m a >100% 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 U Ω =0 ，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 U X :f=500 KHz / 60 mV ，调制信号 U Y :f=2 KHz/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 u x = u y = u i 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 u o =K u x u y =K u i 2 ，如果 u x = u y = u i = u im sin ωt ，则有 u o =K u im sin ωt 2 = [K u im 2 (1+ cos 2ωt )] 2 ，因此只需要在输出端 u o 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 u o =K [ u im s 2 cos 2ωt ]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， U c = U Ω =0 , U o =0 ，按设计要求加入信号 u i :f=500 KHz/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。