基于Multisim乘法器混频电路的仿真研究

刘婉茹，叶建芳，孙一萍

基于Multisim乘法器混频电路的仿真研究

刘婉茹，叶建芳，孙一萍

混频器是高频电路实验教学中的典型内容。针对传统实验室的不足，通过引用Multisim虚拟仿真技术，分析研究了模拟乘法器MC1496芯片构成的混频电路的性能。由于Multisim元件库中没有MC1496的模型，首先在创建MC1496芯片内部结构模型的基础上，设计了基于该模型的混频电路，并对其直流工作点、傅里叶变换、混频增益及1dB压缩电平等性能进行了仿真分析。结果表明，该电路模型能够客观地描述MC1496的基本特性，为运用该芯片完成各种功能电路的仿真研究奠定了基础，有效扩展了Multisim软件的使用范围，具有一定的借鉴意义。

仿真；混频电路；模拟乘法器；Multisim软件

0 引言

在无线通信中，信号频率变换的重要性不言而喻。信号的调制和解调可以将信号的频谱进行搬移从而实现信道的频分复用。而混频是将已调波中载波频率变换为中频频率，而保持调制规律不变的频率变换过程。

目前，在高频电路实验的教学中，混频器已成为典型的教学内容。随着电路复杂度的不断提高，掌握通信电子线路EDA技术也越来越重要。美国NI公司的Multisim软件是一款专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件，具有强大的仿真分析能力[1,2]。本文通过研究和反复地仿真尝试，提出了运用Multisim进行混频电路实验的方法。在Multisim13.0仿真环境中准确构建了双差分对集成模拟乘法器MC1496模型的基础上，设计了基于该模型的混频电路，并对其性能进行了仿真分析，有效扩展了Multisim软件的应用范围。

1 Multisim 13.0主要特点

NI Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的一款用于原理电路设计与电路功能测试的仿真软件，在Multisim元件库中有上千种虚拟电子元器件以及电工仪表等可以使用，而且具有直流工作点分析、频域分析等详细的电路分析功能[3,4]。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。利用这些虚拟仪器可以灵活的进行电路性能分析，能完美的解决传统实验室需要花费大量财力才能解决的“如果……会怎么样”的问题。在仿真环境中方便地改变电路元件的参数，了解掌握电路参数与系统性能之间的动态联系，从而有效掌握工程设计方法，大大提高学生工程设计能力。NI Multisim软件是电子学教学的首选软件工具。

2 基于MC1496 的混频电路

为了进一步了解模拟乘法器MC1496芯片的工作特性，更加深刻的掌握由其构成的混频器的基本原理，在Multisim13.0仿真环境中，建立了MC1496内部结构的模型及其构成的混频电路。

2.1 MC1496芯片介绍

MC1496模拟乘法器是实现两个模拟信号相乘功能的有源非线性器件，在通信电子线路中典型的应用包括调幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴相等[5,6]。MC1496芯片的内部结构如图1所示：

图1 MC1496内部结构图

它是一个四象限模拟乘法器的基本电路，该电路采用了两组差动对组成，以反极性方式相连接，而且两组差分对的恒流源又组成一对差分电路，因此恒流源的控制电压可正可负，从而实现了四象限工作[7]。其中引脚1、4之间接射频信号输入，引脚8、10之间接本地载波输入，脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电时），2、3脚可以控制乘法器的增益，双差动放大器的两个集电极（即引脚6、12之间）输出中频信号。

2.2 混频电路工作原理

混频电路原理图，如图2所示：

图2 混频电路原理图

本电路采用+12V，-8V双直流电源供电。进行混频时，本地振荡信号经耦合电容C1从10脚输入，射频信号经耦合电容C2从1脚输入。2.、3脚之间接1KΩ电阻，用来扩展射频信号的动态范围。引脚5外接电阻用来调节偏置电流及镜像电流的值。混频后的中频信号从引脚12经过滤波器后输出。

2.3 Multisim仿真平台的构建

由于在Multisim13.0软件的元件库中没有MC1496模型，必须首先根据芯片的内部结构在Multisim中创建该芯片的仿真模型，并定义为子电路替代模块如图3所示：

图3 芯片内部电路及替代模块

在编辑窗口，根据已经生成的MC1496子模块，选择所需的外围电路元件及测试仪器，创建MC1496构成的混频仿真电路，如图4所示：

图4 混频仿真电路图

3 电路性能仿真分析

3.1 直流工作点分析

为了使晶体管工作在放大状态，则静态偏置电压的设置应保证晶体管的集—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[8]。根据MC1496的特性参数，在应用时，静态偏置电压应满足下列关系，即式（1）、（2）：

在Multisim13.0软件中点击直流工作点分析选项，选择对应引脚的电压进行仿真，仿真结果如图5所示：

图5 直流工作点仿真图

由图5可以看出，满足式（1）和（2）的要求。电路参数设置合理。

3.2 混频波形

利用Multisim虚拟仪器——具有4个通道的四踪示波器同时观察射频输入信号、本振信号及中频输出信号。调节幅度按钮可以设置每个通道的波形幅度及Y位置，从而将几个通道的波形完整展示出来。从第一路到第三路分别给出射频信号、本地振荡信号以及混频后中频信号的时域波形，如图6所示：

图6 混频波形

用频率计数器可以测得混频后的中频输出频率为465kHz，与理论相符，如图7所示：

图7 频率计数器显示

3.3 傅里叶分析

在Multisim13.0的仿真分析里面选择傅里叶分析，选择要分析的对象和合适的参数值，即可依次得到射频信号、本地振荡信号和混频后中频信号的傅里叶仿真图，如图8所示：

图8 傅里叶仿真图

由图8可以看出，仿真结果与理论值相符。

3.4 混频增益与1dB压缩电平

实际情况，当输入信号功率较小时，混频增益为定值，输出中频功率随输入信号功率线性增大；由于器件的非线性，当输入信号功率增大到一定程度，输出中频功率的增大将趋于缓慢，混频增益将会减小，出现增益压缩的现象。而混频器实际功率增益低于理想线性功率增益1dB时所对应的中频功率电平称为1dB压缩电平。

为了研究MC1496构成的混频电路的增益压缩现象。设置本地振荡信号幅度为200mV保持不变，观察并记录射频信号幅值分别为表1各值时，输出的中频信号幅值的大小。记录如表1所示：

表1 混频增益 单位：mV

根据表1制作出理想混频增益与实际混频增益对比的折线图，曲线的斜率即为对应的混频增益如图9所示：

图9 混频增益对比图

可以看出，随着射频输入信号VSm的加大，混频增益呈减小趋势，出现增益压缩现象。同时可以看出该混频器射频信号输入的线性动态范围上限为300mV，即在300mV以内输出中频信号幅度与输入射频信号幅度呈正比，混频增益为常数。

当输入信号幅度过大时，如设置射频信号幅度为2V时，会影响混频效果，引起严重的失真，如图10所示：

图10 射频信号幅度过大时混频失真

4 总结

本文利用Multisim13.0仿真软件，对模拟乘法器MC1496芯片构成的混频器进行了仿真研究。利用仿真平台自带的示波器、频率计数器等虚拟仪器以及直流工作点分析、傅里叶分析等功能对电路的性能进行了仿真，并分析研究了参数改变对电路性能的影响。

硬件电路的实测结果表明，仿真分析结果与实测数据基本吻合，说明MC1496仿真模型能够客观的描述集成模拟乘法器的基本特性。为运用该芯片完成各种功能电路的仿真提供了借鉴。此外，将Multisim仿真软件引入专业课程的理论教学中，能够将抽象难懂的理论和概念直观、形象的展示出来，能加深学生对电路设计的关键因素的理解，具有一定的实用价值。

[1] 梁青,候传教. Multisim 11电路仿真与实践[M].北京:清华大学出版社,2012.

[2] 黄志伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M]. 北京:电子工业出版社,2009.

[3] 宫芳. 集成模拟乘法器在通信中应用的仿真研究[J]. 信息技术, 2003, 27(6): 41-42.

[4] 林章. 模拟相乘器MC1496的应用分析[J]. 福建师大福清分校学报,2005: 132-137.

[5] 叶建芳，仇润鹤. 通信电子电路原理及仿真设计[M]. 北京:电子工业出版社, 2012

[6] 王旭.模拟乘法器MC1496 的应用研究[J]. 电子测试, 2015, (8): 16.

[7] 李小兵.基于模拟乘法器和同步检波电路的研究[J]. 无线互联科技, 2015, (4): 52.

[8] 谢自美.电子线路设计实验测试[M]. 北京:电子工业出版社,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）

刘婉茹（1991-），女（汉族），石家庄市人，东华大学信息学院，硕士研究生，研究方向：无线通信电路，上海 210620

叶建芳（1964-），女（汉族），浙江金华人，东华大学信息学院，副教授，研究生导师，研究方向：无线通信及射频微波电路，上海 210620

孙一萍（1992-），女（汉族），山东省烟台市人，东华大学信息学院，硕士研究生，研究方向：无线通信电路，上海 210620