实验18   相乘器的使用

一、实验目的

1. 深入了解模拟相乘器的工作原理及其特点。

2. 学会正确使用集成模拟相乘器。

二、实验原理

1. 模拟相乘器

模拟相乘器是一种能够对两个输入信号进行相乘运算的集成器件。它有两个输入端和一个输出端，它的电路符号如图 1.18.1 (a) 或 (b) 所示：

当两个输入信号分别为 vx  和  vy 时，其输出  vo

为

                         

其中，ＫM 为相乘器的乘积因子。

能够实现相乘作用的电路很多，本实验选用单片集成模拟相乘器 F1596。

F1596 是一种可变互导型相乘器。它的内部电路如图 1.18.2 所示。

图中，管脚 8 和 10 是被乘信号  vx 的输入端。管脚 1 和 4 是信号 vy 的输入端。其中，晶体管 T1、T2  和 T3 、T4 组成对于输入信号 vx 的双差分对管输入电路。晶体管 T5 、T6 组成了输入信号  vy 的差分输入电路。由于信号 vy 可以控制晶体管 T5 、T6 的互导，所以这种相乘器称为可变互导型相乘器。图中，管脚 6 和 12 是该器件的输出端。

由 T1、T2  和 T3 、T4 组成双差分对管的发射极电流是由 T5 、T6 的集电极电流提供的。而 T5 、T6 管的发射极电流又是由 T7 、T8、T9 组成的镜像恒流源提供的。因而保证了整个电路工作的稳定性。

从图中可以看到，F1596 相乘器的两组输入都要求以双端差动的方式输入。如果信号源是非平衡信号，要采用单端输入时，可通过变压器耦合或阻容耦合进行由单端输入向双端输入的转换。F1596 的输出也是双端平衡输出的。输出是由差分对管 T1～T4 的集电极之间左右交叉互连在一起，从管脚 6 和 12 之间平衡输出的，所以该器件又称为双平衡相乘器。和输入信号一样，如果要将双端输出改换为单端输出时，也要通过变压器或阻容耦合电路实现。只有这样，才能保证电路始终处于平衡工作状态，达到平衡抵消相乘输出中不需要的那些

谐波分量。

2. 模拟相乘器的应用

模拟相乘器的应用很广泛，本实验仅对它在调制、混频和倍频方面的应用进行研究。

（1）调制

用相乘器实现幅度调制的原理框图如图 1.18.3 所示。

将载波信号  vc 和 vΩ 分别加在相乘器的 x 和 y 端时，输出端就可以直接得到调幅信号。设 v c和  vΩ  的表达式为

                                

                               

则输出为调幅波

                    

用相乘器实现调制的优点是电路简单，输出频谱强，且有一定的增益  ＫM 。

（2）混频

用相乘器实现混频的电路框图如图 1.18.4 所示，将调幅信号  vs 和本振信号  vL 分别加在相乘器的 y 端和 x 端 时，在相乘器的输出电流中就包含有着两个信号频率的和频分量。设调幅信号  vs 和本振信号 vL 分别为

                         

                        

则相乘器输出端的电压  vz 为

如果在相乘器的输出端再接一个带通滤波器，并使该滤波电路的中心频率为：

                                  

则经过滤波器以后，该电路的输出  vo  为

                  

实现了对两个信号的混频。式中，ＫM 为相乘器的相乘系数，ＫF 为滤波器的传输系数。

（3）倍频

用相乘器实现倍频的电路框图如图 1.18.5 所示。

                        

将被倍频的信号同时加到相乘器的两个输入端，则相乘器的输出为：

             

如果在其输出端接一个高通滤波器滤除上述信号中的直流分量，则输出的信号只有信号vs 的 2 倍频电压，即

                            


需要注意的是，图 1.18.3、图 1.18.4、图 1.18.5 所示的三个原理框图中，其输出端都是按单端输出方式画出的。图 1.18.3 和图 1.18.5 是通过电阻网络将相乘器的双端输出方式转换为单端输出方式的。图 1.18.4 是通过具有中心抽头的变压器将相乘器的双端输出转换为单端输出方式的。

（4）综合实验电路

实验电路如图 1.18.6 所示。利用它可以完成相乘器的调制、混频和倍频实验。

三、实验内容及步骤

1．对照图 1.18.6 熟悉实验板上各元件特别是各测试点的对应位置。确信电路无误后，接通正、负电源。

2．调幅实验

将开关 S 置于位置“2”。这时，相乘器的输出端 6 和 12 通过电阻Ｒ10、Ｒ11 将双端输出转换为单端输出，以便能用示波器直接进行测量，电容 Ｃ5 用来滤除直流分量。

用高频信号发生器输出一个主频为ｆc = 1MHz，幅度Ｖc = 20mV 的正弦信号，作为载波信号  vc 加在相乘器输入端  vx 端。用低频信号发生器输出频率为ｆΩ=1KHz，幅度 vΩ=20mV 的正弦信号，作为调制信号  vΩ ，加在相乘器输入端  vy 端。用双踪示波器分别观察载波信号 vc、调制信号  vΩ 和输出信号  vo 的波形。在观察  vo 的波形时，可使用示波器的“X 扩展”观察调幅波中的载波信号。

改变调制信号的幅度  vΩ，观察输出波形  vo 的变化。如果观察到的输出波形不理想，可以调节平衡电位器 Ｒw。

3. 倍频实验

开关 S 的位置不变，用高频信号发生器输出一个频率为 ｆs = 1MHz 、幅度  vs =20mV 的正弦信号，同时加在相乘器的  vx、vy 两个输入端。用示波器观察输入和输出信号的波形。比较二者的频率关系。

4. 混频实验

将开关 S 置于位置“1”。这时，中频变压器 Tr  将相乘器的双端输出转换为单端输出，以便利用示波器直接进行观察和测量。在相乘器的  vx 端加一个频率 ｆL = 1MHz、幅度

vL=20mV 的正弦信号作为本振信号  vL 。在相乘器的  vy 端加一个频率为 ｆs = 535KHz、幅度 vs=20mV的正弦信号  vs 。用示波器观察输出波形  vo 。调节中频变压器 Tr  磁芯，并配合调节输入信号  vs 的频率，使输出  vo 最大，用示波器测量信号  vL、vs 和  v0 的频率。比较这三个频率之间的关系。

四、实验仪器与设备

1. 高频信号发生器 (XFG)                        1台

2. 低频信号发生器 (XD-2)                 1台

3. 双踪示波器                                       1台

4. 直流稳压电源                              1台

5. 万用表                                           1块

五、实验报告要求

1. 整理实验数据，并加以分析。

2. 绘出有关波形。