基于Multisim乘法器混頻電路的仿真研究

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驗教學中的典型內容。針對傳統實驗室的不足，通過引用Multisim虛擬仿真技術，分析研究了模擬乘法器MC1496芯片構成的混頻電路的性能。由于Multisim元件庫中沒有MC1496的模型，首先在創建MC1496芯片內部結構模型的基礎上，設計了基于該模型的混頻電路，并對其直流工作點、傅里葉變換、混頻增益及1dB壓縮電平等性能進行了仿真分析。結果表明，該電路模型能夠客觀地描述MC1496的基本特性，為運用該芯片完成各種功能電路的仿真研究奠定了基礎，有效擴展了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，信號頻率變換的重要性不言而喻。信號的調制和解調可以將信號的頻譜進行搬移從而實現信道的頻分復用。而混頻是將已調波中載波頻率變換為中頻頻率，而保持調制規律不變的頻率變換過程。

目前，在高頻電路實驗的教學中，混頻器已成為典型的教學內容。隨著電路復雜度的不斷提高，掌握通信電子線路EDA技術也越來越重要。美國NI公司的Multisim軟件是一款專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件，具有強大的仿真分析能力[1,2]。本文通過研究和反復地仿真嘗試，提出了運用Multisim進行混頻電路實驗的方法。在Multisim13.0仿真環境中準確構建了雙差分對集成模擬乘法器MC1496模型的基礎上，設計了基于該模型的混頻電路，并對其性能進行了仿真分析，有效擴展了Multisim軟件的應用范圍。

1 Multisim 13.0主要特點

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計與電路功能測試的仿真軟件，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分析、頻域分析等詳細的電路分析功能[3,4]。NI Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節的這一問題。利用這些虛擬儀器可以靈活的進行電路性能分析，能完美的解決傳統實驗室需要花費大量財力才能解決的“如果……會怎么樣”的問題。在仿真環境中方便地改變電路元件的參數，了解掌握電路參數與系統性能之間的動態聯系，從而有效掌握工程設計方法，大大提高學生工程設計能力。NI Multisim軟件是電子學教學的首選軟件工具。

2 基于MC1496 的混頻電路

為了進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成的混頻器的基本原理，在Multisim13.0仿真環境中，建立了MC1496內部結構的模型及其構成的混頻電路。

2.1 MC1496芯片介紹

MC1496模擬乘法器是實現兩個模擬信號相乘功能的有源非線性器件，在通信電子線路中典型的應用包括調幅調制、同步檢波、混頻、倍頻、鑒相等[5,6]。MC1496芯片的內部結構如圖1所示：

圖1 MC1496內部結構圖

它是一個四象限模擬乘法器的基本電路，該電路采用了兩組差動對組成，以反極性方式相連接，而且兩組差分對的恒流源又組成一對差分電路，因此恒流源的控制電壓可正可負，從而實現了四象限工作[7]。其中引腳1、4之間接射頻信號輸入，引腳8、10之間接本地載波輸入，腳14為負電源端（雙電源供電時）或接地端（單電源供電時），2、3腳可以控制乘法器的增益，雙差動放大器的兩個集電極（即引腳6、12之間）輸出中頻信號。

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。進行混頻時，本地振蕩信號經耦合電容C1從10腳輸入，射頻信號經耦合電容C2從1腳輸入。2.、3腳之間接1KΩ電阻，用來擴展射頻信號的動態范圍。引腳5外接電阻用來調節偏置電流及鏡像電流的值。混頻后的中頻信號從引腳12經過濾波器后輸出。

2.3 Multisim仿真平臺的構建

由于在Multisim13.0軟件的元件庫中沒有MC1496模型，必須首先根據芯片的內部結構在Multisim中創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 芯片內部電路及替代模塊

在編輯窗口，根據已經生成的MC1496子模塊，選擇所需的外圍電路元件及測試儀器，創建MC1496構成的混頻仿真電路，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 直流工作點分析

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

在Multisim13.0軟件中點擊直流工作點分析選項，選擇對應引腳的電壓進行仿真，仿真結果如圖5所示：

圖5 直流工作點仿真圖

由圖5可以看出，滿足式（1）和（2）的要求。電路參數設置合理。

3.2 混頻波形

利用Multisim虛擬儀器——具有4個通道的四蹤示波器同時觀察射頻輸入信號、本振信號及中頻輸出信號。調節幅度按鈕可以設置每個通道的波形幅度及Y位置，從而將幾個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、本地振蕩信號以及混頻后中頻信號的時域波形，如圖6所示：

圖6 混頻波形

用頻率計數器可以測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 頻率計數器顯示

3.3 傅里葉分析

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

圖8 傅里葉仿真圖

由圖8可以看出，仿真結果與理論值相符。

3.4 混頻增益與1dB壓縮電平

實際情況，當輸入信號功率較小時，混頻增益為定值，輸出中頻功率隨輸入信號功率線性增大；由于器件的非線性，當輸入信號功率增大到一定程度，輸出中頻功率的增大將趨于緩慢，混頻增益將會減小，出現增益壓縮的現象。而混頻器實際功率增益低于理想線性功率增益1dB時所對應的中頻功率電平稱為1dB壓縮電平。

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

表1 混頻增益 單位：mV

根據表1制作出理想混頻增益與實際混頻增益對比的折線圖，曲線的斜率即為對應的混頻增益如圖9所示：

圖9 混頻增益對比圖

可以看出，隨著射頻輸入信號VSm的加大，混頻增益呈減小趨勢，出現增益壓縮現象。同時可以看出該混頻器射頻信號輸入的線性動態范圍上限為300mV，即在300mV以內輸出中頻信號幅度與輸入射頻信號幅度呈正比，混頻增益為常數。

當輸入信號幅度過大時，如設置射頻信號幅度為2V時，會影響混頻效果，引起嚴重的失真，如圖10所示：

圖10 射頻信號幅度過大時混頻失真

4 總結

本文利用Multisim13.0仿真軟件，對模擬乘法器MC1496芯片構成的混頻器進行了仿真研究。利用仿真平臺自帶的示波器、頻率計數器等虛擬儀器以及直流工作點分析、傅里葉分析等功能對電路的性能進行了仿真，并分析研究了參數改變對電路性能的影響。

硬件電路的實測結果表明，仿真分析結果與實測數據基本吻合，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仿真軟件引入專業課程的理論教學中，能夠將抽象難懂的理論和概念直觀、形象的展示出來，能加深學生對電路設計的關鍵因素的理解，具有一定的實用價值。

[1] 梁青,候傳教. Multisim 11電路仿真與實踐[M].北京:清華大學出版社,2012.

[2] 黃志偉.基于NI Multisim的電子電路計算機仿真設計與分析[M]. 北京:電子工業出版社,2009.

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

[4] 林章. 模擬相乘器MC1496的應用分析[J]. 福建師大福清分校學報,2005: 132-137.

[5] 葉建芳，仇潤鶴. 通信電子電路原理及仿真設計[M]. 北京:電子工業出版社, 2012

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

[7] 李小兵.基于模擬乘法器和同步檢波電路的研究[J]. 無線互聯科技, 2015, (4): 52.

[8] 謝自美.電子線路設計實驗測試[M]. 北京:電子工業出版社,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，東華大學信息學院，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，東華大學信息學院，副教授，研究生導師，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），山東省煙臺市人，東華大學信息學院，碩士研究生，研究方向：無線通信電路，上海 210620