劉婉茹，葉建芳，孫一萍

基于Multisim乘法器混頻電路的仿真研究

劉婉茹，葉建芳，孫一萍

混頻器是高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的典型內(nèi)容。針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的不足，通過引用Multisim虛擬仿真技術(shù)，分析研究了模擬乘法器MC1496芯片構(gòu)成的混頻電路的性能。由于Multisim元件庫中沒有MC1496的模型，首先在創(chuàng)建MC1496芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于該模型的混頻電路，并對(duì)其直流工作點(diǎn)、傅里葉變換、混頻增益及1dB壓縮電平等性能進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，該電路模型能夠客觀地描述MC1496的基本特性，為運(yùn)用該芯片完成各種功能電路的仿真研究奠定了基礎(chǔ)，有效擴(kuò)展了Multisim軟件的使用范圍，具有一定的借鑒意義。

仿真；混頻電路；模擬乘法器；Multisim軟件

0 引言

在無線通信中，信號(hào)頻率變換的重要性不言而喻。信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)可以將信號(hào)的頻譜進(jìn)行搬移從而實(shí)現(xiàn)信道的頻分復(fù)用。而混頻是將已調(diào)波中載波頻率變換為中頻頻率，而保持調(diào)制規(guī)律不變的頻率變換過程。

目前，在高頻電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，混頻器已成為典型的教學(xué)內(nèi)容。隨著電路復(fù)雜度的不斷提高，掌握通信電子線路EDA技術(shù)也越來越重要。美國NI公司的Multisim軟件是一款專門用于電子電路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件，具有強(qiáng)大的仿真分析能力[1,2]。本文通過研究和反復(fù)地仿真嘗試，提出了運(yùn)用Multisim進(jìn)行混頻電路實(shí)驗(yàn)的方法。在Multisim13.0仿真環(huán)境中準(zhǔn)確構(gòu)建了雙差分對(duì)集成模擬乘法器MC1496模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于該模型的混頻電路，并對(duì)其性能進(jìn)行了仿真分析，有效擴(kuò)展了Multisim軟件的應(yīng)用范圍。

1 Multisim 13.0主要特點(diǎn)

NI Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的一款用于原理電路設(shè)計(jì)與電路功能測(cè)試的仿真軟件，在Multisim元件庫中有上千種虛擬電子元器件以及電工儀表等可以使用，而且具有直流工作點(diǎn)分析、頻域分析等詳細(xì)的電路分析功能[3,4]。NI Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問題。利用這些虛擬儀器可以靈活的進(jìn)行電路性能分析，能完美的解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室需要花費(fèi)大量財(cái)力才能解決的“如果……會(huì)怎么樣”的問題。在仿真環(huán)境中方便地改變電路元件的參數(shù)，了解掌握電路參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，從而有效掌握工程設(shè)計(jì)方法，大大提高學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力。NI Multisim軟件是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件工具。

2 基于MC1496 的混頻電路

為了進(jìn)一步了解模擬乘法器MC1496芯片的工作特性，更加深刻的掌握由其構(gòu)成的混頻器的基本原理，在Multisim13.0仿真環(huán)境中，建立了MC1496內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型及其構(gòu)成的混頻電路。

2.1 MC1496芯片介紹

MC1496模擬乘法器是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬信號(hào)相乘功能的有源非線性器件，在通信電子線路中典型的應(yīng)用包括調(diào)幅調(diào)制、同步檢波、混頻、倍頻、鑒相等[5,6]。MC1496芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 MC1496內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

它是一個(gè)四象限模擬乘法器的基本電路，該電路采用了兩組差動(dòng)對(duì)組成，以反極性方式相連接，而且兩組差分對(duì)的恒流源又組成一對(duì)差分電路，因此恒流源的控制電壓可正可負(fù)，從而實(shí)現(xiàn)了四象限工作[7]。其中引腳1、4之間接射頻信號(hào)輸入，引腳8、10之間接本地載波輸入，腳14為負(fù)電源端（雙電源供電時(shí)）或接地端（單電源供電時(shí)），2、3腳可以控制乘法器的增益，雙差動(dòng)放大器的兩個(gè)集電極（即引腳6、12之間）輸出中頻信號(hào)。

2.2 混頻電路工作原理

混頻電路原理圖，如圖2所示：

圖2 混頻電路原理圖

本電路采用+12V，-8V雙直流電源供電。進(jìn)行混頻時(shí)，本地振蕩信號(hào)經(jīng)耦合電容C1從10腳輸入，射頻信號(hào)經(jīng)耦合電容C2從1腳輸入。2.、3腳之間接1KΩ電阻，用來擴(kuò)展射頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。引腳5外接電阻用來調(diào)節(jié)偏置電流及鏡像電流的值?；祛l后的中頻信號(hào)從引腳12經(jīng)過濾波器后輸出。

2.3 Multisim仿真平臺(tái)的構(gòu)建

由于在Multisim13.0軟件的元件庫中沒有MC1496模型，必須首先根據(jù)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在Multisim中創(chuàng)建該芯片的仿真模型，并定義為子電路替代模塊如圖3所示：

圖3 芯片內(nèi)部電路及替代模塊

在編輯窗口，根據(jù)已經(jīng)生成的MC1496子模塊，選擇所需的外圍電路元件及測(cè)試儀器，創(chuàng)建MC1496構(gòu)成的混頻仿真電路，如圖4所示：

圖4 混頻仿真電路圖

3 電路性能仿真分析

3.1 直流工作點(diǎn)分析

為了使晶體管工作在放大狀態(tài)，則靜態(tài)偏置電壓的設(shè)置應(yīng)保證晶體管的集—基極間的電壓應(yīng)大于或等于2V，小于或等于最大允許工作電壓[8]。根據(jù)MC1496的特性參數(shù)，在應(yīng)用時(shí)，靜態(tài)偏置電壓應(yīng)滿足下列關(guān)系，即式（1）、（2）：

在Multisim13.0軟件中點(diǎn)擊直流工作點(diǎn)分析選項(xiàng)，選擇對(duì)應(yīng)引腳的電壓進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示：

圖5 直流工作點(diǎn)仿真圖

由圖5可以看出，滿足式（1）和（2）的要求。電路參數(shù)設(shè)置合理。

3.2 混頻波形

利用Multisim虛擬儀器——具有4個(gè)通道的四蹤示波器同時(shí)觀察射頻輸入信號(hào)、本振信號(hào)及中頻輸出信號(hào)。調(diào)節(jié)幅度按鈕可以設(shè)置每個(gè)通道的波形幅度及Y位置，從而將幾個(gè)通道的波形完整展示出來。從第一路到第三路分別給出射頻信號(hào)、本地振蕩信號(hào)以及混頻后中頻信號(hào)的時(shí)域波形，如圖6所示：

圖6 混頻波形

用頻率計(jì)數(shù)器可以測(cè)得混頻后的中頻輸出頻率為465kHz，與理論相符，如圖7所示：

圖7 頻率計(jì)數(shù)器顯示

3.3 傅里葉分析

在Multisim13.0的仿真分析里面選擇傅里葉分析，選擇要分析的對(duì)象和合適的參數(shù)值，即可依次得到射頻信號(hào)、本地振蕩信號(hào)和混頻后中頻信號(hào)的傅里葉仿真圖，如圖8所示：

圖8 傅里葉仿真圖

由圖8可以看出，仿真結(jié)果與理論值相符。

3.4 混頻增益與1dB壓縮電平

實(shí)際情況，當(dāng)輸入信號(hào)功率較小時(shí)，混頻增益為定值，輸出中頻功率隨輸入信號(hào)功率線性增大；由于器件的非線性，當(dāng)輸入信號(hào)功率增大到一定程度，輸出中頻功率的增大將趨于緩慢，混頻增益將會(huì)減小，出現(xiàn)增益壓縮的現(xiàn)象。而混頻器實(shí)際功率增益低于理想線性功率增益1dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的中頻功率電平稱為1dB壓縮電平。

為了研究MC1496構(gòu)成的混頻電路的增益壓縮現(xiàn)象。設(shè)置本地振蕩信號(hào)幅度為200mV保持不變，觀察并記錄射頻信號(hào)幅值分別為表1各值時(shí)，輸出的中頻信號(hào)幅值的大小。記錄如表1所示：

表1 混頻增益 單位：mV

根據(jù)表1制作出理想混頻增益與實(shí)際混頻增益對(duì)比的折線圖，曲線的斜率即為對(duì)應(yīng)的混頻增益如圖9所示：

圖9 混頻增益對(duì)比圖

可以看出，隨著射頻輸入信號(hào)VSm的加大，混頻增益呈減小趨勢(shì)，出現(xiàn)增益壓縮現(xiàn)象。同時(shí)可以看出該混頻器射頻信號(hào)輸入的線性動(dòng)態(tài)范圍上限為300mV，即在300mV以內(nèi)輸出中頻信號(hào)幅度與輸入射頻信號(hào)幅度呈正比，混頻增益為常數(shù)。

當(dāng)輸入信號(hào)幅度過大時(shí)，如設(shè)置射頻信號(hào)幅度為2V時(shí)，會(huì)影響混頻效果，引起嚴(yán)重的失真，如圖10所示：

圖10 射頻信號(hào)幅度過大時(shí)混頻失真

4 總結(jié)

本文利用Multisim13.0仿真軟件，對(duì)模擬乘法器MC1496芯片構(gòu)成的混頻器進(jìn)行了仿真研究。利用仿真平臺(tái)自帶的示波器、頻率計(jì)數(shù)器等虛擬儀器以及直流工作點(diǎn)分析、傅里葉分析等功能對(duì)電路的性能進(jìn)行了仿真，并分析研究了參數(shù)改變對(duì)電路性能的影響。

硬件電路的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，仿真分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，說明MC1496仿真模型能夠客觀的描述集成模擬乘法器的基本特性。為運(yùn)用該芯片完成各種功能電路的仿真提供了借鑒。此外，將Multisim仿真軟件引入專業(yè)課程的理論教學(xué)中，能夠?qū)⒊橄箅y懂的理論和概念直觀、形象的展示出來，能加深學(xué)生對(duì)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素的理解，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1] 梁青,候傳教. Multisim 11電路仿真與實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[2] 黃志偉.基于NI Multisim的電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[3] 宮芳. 集成模擬乘法器在通信中應(yīng)用的仿真研究[J]. 信息技術(shù), 2003, 27(6): 41-42.

[4] 林章. 模擬相乘器MC1496的應(yīng)用分析[J]. 福建師大福清分校學(xué)報(bào),2005: 132-137.

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[6] 王旭.模擬乘法器MC1496 的應(yīng)用研究[J]. 電子測(cè)試, 2015, (8): 16.

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[8] 謝自美.電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2015,

Simulation and Study of Multiplier Mixer Circuit Based on Multism

Liu Wanru, Ye Jianfang, Sun Yiping
(College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The mixer circuit is a typical example in high frequency experimental teaching. For the deficiency of traditional laboratory, the paper analyzes the performance of the mixer circuit constituted by analog multiplier MC1496 by using Multisim simulation technology. Firstly, because there is no model of MC1496 in Multisim component library, the paper builds up the chip internal structure and designs the mixer circuit based on it. Then it simulates and analyzes the mixer circuit performance, including static point, Fourier transform, the mixer gain analysis and 1dB compression level. It is indicated in the result that the circuit model can objectively describe the basic character of MC1496. In addition, it lays a foundation for using the chip to complete simulation analysis of various functional circuit and effectively expands Multisim’s range of application. So it has certain reference significance.

Simulation; Mixer circuit; Multiplier; Multisim

TP391.9

A

1007-757X(2016)010-0048-03

2015.12.18）

劉婉茹（1991-），女（漢族），石家莊市人，東華大學(xué)信息學(xué)院，碩士研究生，研究方向：無線通信電路，上海 210620

葉建芳（1964-），女（漢族），浙江金華人，東華大學(xué)信息學(xué)院，副教授，研究生導(dǎo)師，研究方向：無線通信及射頻微波電路，上海 210620

孫一萍（1992-），女（漢族），山東省煙臺(tái)市人，東華大學(xué)信息學(xué)院，碩士研究生，研究方向：無線通信電路，上海 210620