混频器性能的测试与分析
混频器性能的测试与分析
实验目的
1.熟悉三极管混频器的基本工作原理；
2.熟悉MC1496实现混频的方法；
3.掌握混频器输出信号的频率分布情况，尤其是非线性部分；
4.掌握频谱分析仪的使用方法。
实验内容
1.用示波器观察混频器输入输出波形；
2.用频率计测量混频器输出频率；
3.用频谱分析仪观察和分析混频器输出波形。
实验原理概述
在我们的课程中，混频器的功能定义为将不同的载波频率转换为固定的中频，实际上，它通过“差频”或“和频”实现信号在频率轴上的线性搬移。
混频器常用的非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器。
（1）晶体三极管混频器
三极管混频器是最简单的混频器之一，原理图如图1-1所示。
从图可知，输入的高频信号，通过 加到三极管的b极，而本振信号 经 耦合，加在三极管的e极，这样加在三极管输入端的交流信号为 （总电压还有直流电压）。即两信号在三极管输入端互相叠加。
由于三极管的即转移特性存在非线性，使两信号相互作用，产生很多新的频率成分，其中就包括和频及差频，通过后端的带通滤波器将其选出，从而实现混频。
根据教材中的晶体管混频器一节，当 为小信号， 为大信号时，利用幂级数分析法，集电极的电流表达式如下：
上式可以作为观察输出信号频率成分的参考。图1-2是晶体三极管混频器实验电路。本振电压信号UL（频率为8.8MHZ）从2P8输入，经2R50、2C32送往晶体三极管的发射极。消息信号电压（频率为6.3MHZ）从2P6输入，经2R49、2C30送往晶体三极管的基极。混频后的中频信号由晶体三极管的集电极输出，集电极的负载由2L5、2C36和变容管2D8构成谐振回路，该谐振回路调谐在中频 上。即测量输出信号的频率是2.5MHZ。图中电位器2W5用来调整晶体三极管2Q4静态工作点。2W6用来调整变容管2D8上的偏压，从而调整中频的谐振频率。
（2）用MC1496集成电路构成的混频器MC1496是一种四象限模拟乘法器（内部是差分对晶体管电路），广泛地应用于调幅电路和检波电路设计。很明显，两个余弦波信号相乘，也可以实现混频。图1-3是用MC1496构成的混频器，图中，6P4为本振信号 输入口，本振信号经6C6从乘法器的一个输入端（10脚）输入。6P5为射频消息信号输入口，从乘法器的另一个输入端（1脚）输入，混频后的中频（ ）信号由乘法器输出端（12脚）输出。输出端的带通滤波器由6L2、6C12和6C13组成，带通滤波器必须调谐在中频频率 上。本实验中，输入的射频信号频率为 ，则本振频率为 ，中频 。图中三极管6Q2为射极跟随器，它的作用是提高本级带负载的能力。带通滤波器选出的中频，经射极跟随器后由6P7输出，6TP7为混频器输出测量点。
实验步骤
实验准备
接通实验箱电源。点击显示屏，选择“实验系统”中的“高频原理实验”，然后再选择“混频器实验”中的“三极管混频实验”，显示屏会显示三极管混频器原理实验图。观察电路结构，确定输入端和输出端。
晶体三极管混频器
实验箱的高频信号源和电路的2P8相连，要求信号（此信号即本振信号）频率为8.8MHZ，Vpp为1.5V，此处可用示波器测量。
利用外部的信号发生器产生高频信号（此信号相当于高频消息信号）输入到2P6，要求信号频率为6.3MHZ，Vpp为500mV。
用示波器观测混频器输出2TP9，调整2W5和2W6使混频输出达到最大值。调整前后如下图所示。
调整前
调整后
用频率计测量2P9的频率（即混频输出频率），验证其是和频还是差频。
测量得混频输出频率为2.5MHz，即8.8MHZ-6.3MHZ。说明混频输出频率为本振信号和高频消息信号的差频。
关掉示波器，拔掉示波器连接探头和频率计的连接导线，只使用频谱分析仪测量混频输出信号（2TP9）。要求选择扫频范围为2MHZ到20MHZ，分辨率带宽（BW）为100HZ。先观察频谱峰值（Peak），要求记录下峰值列表（Peak table）。记录如下图所示。
测量得混频输出频率为2.5MHz，即8.8MHZ-6.3MHZ。说明混频输出频率为本振信号和高频消息信号的差频。
关掉示波器，拔掉示波器连接探头和频率计的连接导线，只使用频谱分析仪测量混频输出信号（2TP9）。要求选择扫频范围为2MHZ到20MHZ，分辨率带宽（BW）为100HZ。先观察频谱峰值（Peak），要求记录下峰值列表（Peak table）。记录如下图所示。
从杂质频率的多少分析集成乘法器混频器和晶体三极管混频器的性能优劣。
如上图可知可测量到的频率成分为2.504MHZ、5MHZ、7.496MHZ、2.696MHZ、2.312MHZ、12.488MHZ、9.992MHZ、3.44MHZ、3.536MHZ和3.008MHZ。
由于本实验中，输入的射频信号频率为 ，本振频率为
因此根据公式1存在 ，其中 5MHZ、7.496MHZ、2.696MHZ、2.312MHZ、12.488MHZ、9.992MHZ、3.44MHZ、3.536MHZ和3.008MHZ均为杂频。
与晶体三极管混频器相比，集成乘法器混频器测量到的杂质频率较多，因此晶体三极管混频器性能较好。
（2）普通调幅波信号的混频
输入端的连接方式不变，只是将外部的信号发生器的输出信号改为普通调幅波。其中载波频率为6.3MHZ，消息信号频率为10KHZ，调制系数（即仪器中的深度）ma为0.3。
使用频谱分析仪测量混频输出信号（6TP7）。要求选择扫频范围为2.45MHZ到2.55MHZ，分辨率带宽（BW）为100HZ（也可以更小）。
观察此时混频后的调幅波的频谱图。记录载波、上边频和下边频的功率值。假设各频率信号在电路中的负载电阻相同（都为R），根据功率值计算调制系数ma，分析ma比最初的0.3是变大还是变小。
记录如下图所示。
其中载波功率值为-5.97dBm，上边频功率值为-24.68dBm，下边频功率值为-24.69dBm。
根据上下边频功率公式，将载波、上边频和下边频的功率值代入并计算得ma约等于0.226，a比最初的0.3变小。
