任务4.5　 变频电路

任务4.5　变频电路 4.5.1 变频器概述 4.5.2 混频电路 4.5.3 混频干扰和失真

1.掌握变频器的作用、工作原理及主要性能指标 本讲导航 教学内容 4.5.1 变频器 4.5.2 混频电路 4.5.3 混频干扰和失真 教学目的 1.掌握变频器的作用、工作原理及主要性能指标 2.了解混频器的类型及其工作原理 3.了解混频干扰和失真的概念

教学重点 混频器的类型及其工作原理 教学难点 混频干扰和失真

变频的应用十分广泛，它不但用于各种超外差式接收机中，而且还用于频率合成器等电路或电子设备中。 § 4.5.1 变频器概述 变频器的概念：变频（Frequency Conversion）就是将高频已调波经过频率变换，变为固定中频（Intermediate Frequency）已调波。 变频的应用十分广泛，它不但用于各种超外差式接收机中，而且还用于频率合成器等电路或电子设备中。

具有这种作用的电路称为变频电路或变频器。 一、变频器的作用 在变频过程中，信号的频谱内部结构（即各频率分量的相对振幅和相互间隔）和调制类型（调幅、调频还是调相）保持不变，改变的只是信号的载频。 具有这种作用的电路称为变频电路或变频器。

以调幅信号的变频波形和频谱的变化为例说明变频器的作用，见图7-37。 (ｂ） 输出信号 (a) 输入信号 图7-37调幅波变频时的波形和频谱 7

　　经过变频，输出的中频调幅波与输入的高频调幅波的包络形状完全相同。 唯一的差别是载波由高频fc变为中频fＩ； 或从频谱来看，变频仅把已调波的频谱不失真地由高频位置移到中频位置，而频谱的内部结构并没有发生变化。 因此，变频是频谱搬移电路。

二、变频器的工作原理 1. 变频器的组成框图

　　由非线性器件、本地振荡器和带通滤波器组成。其中非线性器件和带通滤波器合在一起称为混频器。 　　本地振荡器：用来产生本振信号ul(t)。 　　非线性器件:将输入信号us (t)和振信号ul(t)进行混频，以产生新的频率，是变频器的核心元件。 　　带通滤波器：从各种频率中取出中频信号，同时抑制其它频率信号。

fI=fL±fc 上变频或下变频，一般采用下变频．如调幅收音机中频为465KHZ。

2.变频器的工作原理(幂级数分析法) 1）输入信号为高频等幅波 本振信号 非线性器件特性的幂级数展开式为：

输入信号us(t)和ul(t)经过非线性器件的作用后；电流I中含有多个频率分量，如下表示： 其中含有差频（fＬ-fｃ）及和频（fＬ+fｃ）的频率成分(p,q=1)，如果滤波器为中心频率等于fI =（fＬ-fｃ）的带通滤波器，则它将选出差频成分，同时滤除其他成分，于是就得到变频所需要的中频成分。

若非线性器件特性的幂级数展开式只取前三项，则差频（或者和频）分量是由us和ul的相乘项产生的，不难得到电流i中的中频分量

　注：在实际应用时也可能取i中的和频成分,即把输入高频信号变为频率更高的高中频信号，在频谱上也就是把输入高频信号的频谱从高频位置搬到高中频位置。

2）输入信号为调幅波 分析的结果是相同的。若带通滤波器的中心频率为fI =（fＬ-fｃ）,通带宽度为2F，则输出的中频电流： 即ii为中频调幅波，其包络形状与输入信号us的包络相同。

变频电压增益Auc定义为变频器中频输出电压振幅Uim与高频输入信号电压振幅Usm之比，即： 三、变频器的主要技术指标 （1）变频增益 　　变频电压增益Auc定义为变频器中频输出电压振幅Uim与高频输入信号电压振幅Usm之比，即： 　　同样可定义变频功率增益Apc为输出中频信号功率Pi与输入高频信号功率Ps之比。 　　变频增益越大，接收机的灵敏度就高，但太大将使非线性干扰也大。

（2）失真和干扰 变频器的失真有频率失真和非线性失真。 变频器的非线性干扰有组合频率、交叉调制和互相调制等干扰。 　　变频器的失真有频率失真和非线性失真。 变频器的非线性干扰有组合频率、交叉调制和互相调制等干扰。 所以,对混频器既要求频率特性好,又要求变频器工作在非线性不太严重的区域,使之既能完成频率变换,又能抑制各种干扰。

§ 4.5.2 混频电路 一、模拟相乘混频器 图7-39 模拟相乘混频器 § 4.5.2 混频电路 　　　混频电路的种类很多，本节将介绍常用的模拟相乘混频器，二极管环形混频器和三极管混频器。 一、模拟相乘混频器 图7-39 模拟相乘混频器

t m U cos ) 1 ( w W + = t m U K ) cos( cos 1 ( 2 w - W + = 分析如下： ω cos ΩosΩt)c m (1 U K 2 1 c L a Lm sm M + = ) ( z t u ) ( L s M t u K = t m U K ) cos( cos 1 ( 2 c L a Lm sm M w - W + 经中心频率为fI ，带宽为2fc的带通滤波器滤波后得： t m U K ) cos( cos 1 ( 2 c L a Lm sm M w - W + = ) ( I t u t m U I a Im cos ) 1 ( w W + =

二、二极管环形混频器 图7-40 二极管环形混频器

　　其工作原理与二极管环形调幅电路一致，只不过用us、ul分别代替了uΩ、uc。在分析环形混频时，可直接引用环形混频器的分析结果。 在实际运用时经常用到大本振、小输入的情况，本振电压对二极管的工作起着导通和截止的开关作用，则图7-40电路就为开关混频器。

　　 uo中的组合频率分量为（2p±1）fL±fc，组合频率大大减小，干扰也就大大减小。 如上图初次级匝数比为2Х1：1，当接上带通滤波器时，可得中频电压为：

　　二极管环形混频器优点： 电路简单、噪声低、组合频率分量少、 工作频带宽（可工作到微波段）、动态范围大等。因此应用很广。 缺点：变频增益低（小于1）。

三极管混频器是利用晶体三极管的非线性特性实现变频的。 三、三极管混频器 　　三极管混频器是利用晶体三极管的非线性特性实现变频的。 优点：具有较高的变频增益。 常用于一般的接收机中。

根据管子组态和本振电压注入方式不同，三极管混频器有图7-41所示的四种基本形式。 电路形式： 　　根据管子组态和本振电压注入方式不同，三极管混频器有图7-41所示的四种基本形式。

（a） 基极注入 基极输入 （ b ）射极注入 基极输入 （c） 射极注入 射极输入 （ d ）基极注入 射极输入 图7-41 三极管混频器的电路形式 （a） 基极注入 基极输入 （ b ）射极注入 基极输入 （c） 射极注入 射极输入 （ d ）基极注入 射极输入

　（a）（ b ）都是共射组态，其增益高，故应用较广； （c）（ d ）都是共基组态，其频率特性好，一般只用在频率较高的调频接收机中。 　（ b ）（ d ）两信号分别接在管子的两极，故两信号影响小； （a）（c）两信号接在管子同一极，故两信号影响大。 　（a）（ d ）本振从基极注入，故所需功率小； （ b ）（c）本振从射极注入，故所需功率大。

　　上述四种电路虽然各有不同的特点，但它们的混频原理都是相同的。因为不管 uL的注入点和us的输入点不同，实际上uL和us都是串接后加至管子的发射结，利用ic与uBE的非线性关系实现频率变换的。

三极管混频器工作波形演示动画请点击

由于混频器件特性的非线性，混频器将产生各种干扰和失真。 4.5.3 混频干扰和失真 由于混频器件特性的非线性，混频器将产生各种干扰和失真。 一、干扰 1.组合频率干扰 　　混频器本身的组合频率中无用频率分量所引起的干扰。 对混频器而言,作用于非线性器件的两个信号为输入信号us(fc)和本振电压uL(fL),则非线性器件产生的组合频率分量为：

fk=±pfL±qfｃ (p、q=0、1、2、3……） 当有用中频为差频时,即fI=fL-fc或fI=fc-fL,只要存在pfL-qfc=fI或qfc-pfL=fI两种情况，可能会形成干扰,即： pfL-qfc≈±fＩ

这些组合信号频率落在中频放大器的通频带内，它就与有用信号一起放大后加到检波器上。通过检波器的非线性作用，这些信号与中频信号发生差拍检波，产生音频，在扬声器中以哨叫的形式出现，故这种干扰称为组合频率干扰或干扰哨声。

由于接收机前端选择性不好,外界干扰信号窜入而引起的干扰。 2.副波道干扰 由于接收机前端选择性不好,外界干扰信号窜入而引起的干扰。 最强两个的副波道干扰 中频干扰 镜像干扰

(1)中频干扰 　　当干扰频率等于或接近于接收机中频时,如果接收机前端电路的选择性不够好,干扰电压一旦漏到混频器的输入端,混频器对这种干扰相当于一级(中频)放大器, 从而将干扰放大,并顺利地通过其后各级电路,就会在检波器中与中频信号发生差拍检波，产生音频哨叫，形成干扰。 fn≈fI

(2)镜像干扰 　　设混频器中fL>fc,当外来干扰频率fn=fL+fI时,un与uL共同作用在混频器输入端,也会产生差频fn-fL=fI,从而在接收机输出端听到干扰电台的声音。 图7-44 镜像干扰

由于组合频率干扰和副波道干扰都是信号频率fc或干扰频率fn与本振频率fL经过混频的非线性变换后，产生接近中频fI的分量而引起的，因此这类干扰是混频器特有的。 要抑制中频干扰和镜像干扰，必须提高混频器前端电路的选择性。

二、失真 1.交叉失真 　　当有用信号电压和干扰电压同时作用在混频器的输入端时，由于混频器的非线性作用，使输出中频信号的包络上叠加有干扰电压的包络，造成有用信号的失真，这种现象称为交叉调制失真。

特点：在有用信号存在时，有干扰电压的包络存在，一旦有用信号消失，干扰电压的包络也随之消失。 　 交叉调制失真是由于非线性特性中的三次以上的非线性项产生的，并且与干扰电压的振幅平方成正比，而与频率无关。 特点：在有用信号存在时，有干扰电压的包络存在，一旦有用信号消失，干扰电压的包络也随之消失。

　抑制交叉失真的措施： 1）提高混频器前级的选择性，尽量减小干扰信号； 2）选择合适的器件和合适的工作状态，使混频器的非线性高次方项尽可能小； 3）采用抗干扰能力较强的平衡混频器和模拟乘法器混频电路。

　　2.互调失真 　　当混频器输入端有两个干扰电压同时作用时，由于混频器的非线性，这两个干扰电压与本振电压相互作用，会产生接近中频的组合频率分量，并能通过中频放大器，在输出端形成干扰信号。

　　互调失真也是由器件特性的幂级数展开式中三次或更高次项产生的，其两个干扰频率和信号频率存在一定的关系，所以它不同于交调失真。 例如：当接到2.4MHz的有用信号时,频率为1.5MHz和0.9MHz的两个电台(此时它们为干扰信号)因接收机前端电路选择性不好也进入混频器的输入端,它们的和频也为2.4MHz,从而产生互调失真。

3.减小干扰和失真的措施 （1）混频器的干扰和失真程度与干扰信号的大小有关，因此提高混频器前端电路的选择性（如天线回路和高放级的选择性），可有效地减小干扰和失真的影响。

　（2）采用高中频，则镜象频率、中频频率和某些副波道干扰的频率离开有用信号频率很远，混频器前端电路很容易将它们滤除，故可基本上抑制镜象干扰、中频干扰和某些副波道干扰。因此，在近代短波通信接收机中，广泛采用高中频，同时混频后的中频放大器，相应采用晶体滤波器作为它的中频滤波网络，以克服高中频带来的选择性差的缺点。

（3）适当减小混频器有用信号的幅度，以减小组合频率干扰和包络失真。但是，若有用信号幅度太小，则影响电路的信噪比，因此选择时要慎重。 　（3）适当减小混频器有用信号的幅度，以减小组合频率干扰和包络失真。但是，若有用信号幅度太小，则影响电路的信噪比，因此选择时要慎重。

　（4）选择模拟乘法器和场效应管作为混频器件，可减小输出的组合频率数目，并消除其特性中的三次或更高次非线性项，可有效地减小或抑制干扰和失真；或者合理选择混频管的工作点，使其主要工作在器件特性的二次方区域，也可减小干扰和失真。这种办法只能减小组合频率干扰，不能减小中频干扰和镜象干扰。

　（5）采用平衡混频器、环形混频器和开关混频器，或让混频管工作在线性时变状态，可大大减小组合频率分量，也就减小了干扰和失真。

本讲小结 1.变频器的作用是将高频已调波转换成固定的中频已调波。 　 1.变频器的作用是将高频已调波转换成固定的中频已调波。 　2.变频器由非线性器件、本地振荡器、滤波器三部分组成；它的技术指标主要有变频增益、失真和干扰等。 　　 3.混频器的主要类型有模拟相乘混频器、二极管环形混频器、三极管混频器 ４.混频器的干扰和失真主要有组合频率干扰、副波道干扰、交调失真和互调失真等。

本讲作业 一中波段调幅超外差收音机，在收听565KHz的电台时，听到频率为1495KHz的强电台干扰，试分析这是何种干扰，并说明这种干扰是如何形成的？