矿石收音机的制作

毕业设计（论文）题目： 矿石收音机的制作 专业 电子信息工程技术 柳州职业技术学院毕业设计（论文）任 务 书 电子电气工程系 系（部） 电子信息工程技术 专业 学生 学号 一、毕业设计（论文）题目： 矿石收音机的制作 二、毕业设计（论文）工作规定进行的日期：20XX 年10 月25 日起至20XX 年5 月25日 止 三、毕业设计（论文）进行地点： 四、任务书的内容：目的： 本毕业设计是制作一个矿石收音机，通过对矿石收音机的制作，使学生了解无线电信号的发射和接受原理、谐振回路的含义及如何对其调谐和检波电路意义。培养学生具有综合运用所学的理论知识去开拓创新及解决实际问题的能力。培养学生掌握设计课题的思想和方法,树立严肃认真的工作作风、培养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册以及编写技术文献的能力。任务： 制作出一个能收到广播电台声音的矿石收音机。 工作日程安排：序号毕业设计各阶段的名称日期1绘制矿石收音机的原理图20XX.10.25-20XX.10.312元器件的筹备20XX.11.01-20XX.11.073天线的制作20XX.11.08-20XX.11.144线圈的绕制20XX.11.15-20XX.11.215矿石收音机的组装20XX.11.22-20XX.11.306矿石收音机的调试20XX.12.01-20XX.12.077设计报告的编写20XX.12.08-20XX.12.148设计报告的审核与修改20XX.12.15-20XX.12.219设计报告的装订，上交指导教师20XX.12.22-20XX.12.25设计（论文）要求： 主要参考文献： 学生开始执行任务书日期 200 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日学生送交毕业设计（论文）日期： 200 年 月 日 教研室主任签名： 年 月 日学生签名： 年 月 日正文： 目录摘要- 4 -一、设计背景- 4 -二、无线电的传递和接收的原理- 5 -发射设备的基本工作原理- 6 -接收设备的基本工作原理- 7 -三、矿石收音机的概述- 8 -四、矿石收音机的工作原理- 8 -五、原理图的绘制- 10 -六、天线与地线- 10 -天线的选择和安装- 10 -地线的选择和安装- 11 -七、调谐线圈- 12 -Q值效益- 12 -线圈选取和制作的常识- 13 -线圈的绕制- 13 -八、调谐电容- 14 -九、检波电路- 16 -谈谈矿石- 16 -检波二极管的结构及特性- 17 -锗检波二极管的常用特性参数- 18 -检波二极管的作用：- 18 -检波二极管的工作原理- 19 -检波二极管的选择- 19 -十、滤波电容的选择- 19 -十一、喇叭的选择- 19 -十二、安装和调试- 20 -十三、最后补充：天线的等效替换- 20 -十四、总结- 21 -参考文献- 22 -摘要：本设计是一个矿石收音机，它是最简单的无线电接收装置，它不需要电源，没有任何放大作用的功能，但它可以接收附近广播电台的信号，并可以用来测试天线或地线的效率，在停电或没有电池时仍可听到广播，想要它停止的时候直接拔掉天线就可以了。另外它采用了双调谐回路，而且调谐线圈有多次抽头，所以选择性很高。如果接上功放器，可以收到最佳音质的AM广播。还有一种最最简单的矿石收音机，只有两个元件：检波二极管和高阻抗子耳机，两者并联在一起，接上天地线就可以收听无线电广播。只是由于没有选频电路，接收到的所有广播都混在一起，造成串台现象。关键词：矿石收音机、无线电、天线、地线、调谐线圈。一、设计背景无线电通讯发明至今已经有一世纪的历史了，它在人类文明进步中，扮演着相当重要的角色。藉由通讯技术的发达，一切知识的传播不再有障碍，使得科技进步一日千里。在今天，无论是出门人手一支的行动电话或是越来越流行的无线网络及蓝芽接口(Blue Tooth)都是无线通讯的应用范围。其中，最早融入人们生活中的无线电技术，应该就属于收音机广播了。收音机，这个古早以前被视为有钱人的象征的高科技产品，到现在已经是超级平民化的东西了。在信息全球化的今天，人们在享受着科技所带来的了乐趣，比如上网、看电视、听广播等等。这都涉及到信息的传递和接收，信息是一个抽象的概念，它的形式有语音、文字、符号、音乐、图形、图像和数据。各种各样的信息对人类社会产生极大的影响，人类的生活离不开信息。虽然现在的无线电技术已经发展到用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信，但是对于刚接触无线电的爱好者来说，通过对矿石收音机的学习和制作，可以激发其对无线电技术的兴趣，这是无线电技术的入门功课之一。本设计就是在这种背景下产生的。二、无线电的传递和接收的原理什么是无线电波？对于这个问题，我觉得它一点也不深奥。无线电波就是一只猫当你在柳州抓住它的尾巴的时候，它在北京叫。理论上，无线电波是一种电磁波，其传播的速度与光速相同，约为3*108m/s。无线电波的波长、频率和传播速度之间的关系可用以下公式表示 式中，是波长，单位为m；c是传播速度，单位是m/s;f是频率，单位是Hz。无线电波与光波一样，也具有直射、绕射、反射及折射等现象。不同频率的无线电波，其传播的规律与应用范围也不同，因此通常把无线电波划分为若干波段或频段，如下表所示:无线电波波段划分表波段名称波长范围频段名称频率范围主要用途长波（LW）1010m低频（LF）30300kHz长距离点与点间的通信、船舶通信中波（MW）1010m中频（MF）3003000kHz广播、船舶通信、飞行通信、船港电话短波（SM）10100m高频（HF）330MHz短波广播、军事通信米波110m甚高频（VHF）30300MHz电视、调频广播、雷达、导航分米波110dm特高频（UHF）3003000MHz电视、雷达、移动通信厘米波110cm超高频（SHF）330GHz雷达、中继、卫星通信毫米波110mm极高频（EHF）30300GHz射电天文、卫星通信、雷达 无线电波在空间的传播途径有三种：一是沿地面传播，叫地波；二是依靠电离层的反射传播，叫天波；三是空间直线传播，叫直线波。我们在中学学电磁学知道导体如果通过电流，周围就会环绕着磁场，如果通过导体的电流是周期性变化的，那么环绕它的磁场也会相应地发生周期性的变化。如下图所示，如果电流变化的频率足够高，就会在空气中发生连锁反应，这个变化的磁场感生出另外一个变化的电场，而变化的电场又感生出另外一个变化的磁场循环往复，我们说形成了电磁波，在特定的频率内，我们叫这根导体棒发射出了无线电波。发射设备的基本工作原理：发射设备由高频振荡器、高频放大器（倍频器）、低频放大器和高频功放组成。高频振荡器用来产生频率稳定的载波信号（用来装载所需要发射的信息），然后经过高频放大器进行放大，在传输到调制器。低频放大器又称为调制信号放大器，用来放大话筒变换出来的电信号，最后输出足够强的调制信号，然后把它送到调制器中。在调制器上进行装载，把调制信号装载到高频放大信号上。经过调制后得到调波信号，调波信号再通过高频放大器把功率放到足够大，最后由天线以电磁波的形式辐射出去。整体的方框图如下：天线tu2tu1高频震荡器高频放大器调制器高频功放话筒低频放大器tu111111声音tutu3接收设备的基本工作原理：接收设备到的任务是把空间传来的电磁波接收下来，选出所需的已调波信号，并把它还原为原来的调制信号。它由高频放大器、变频器、中频放大器、检波器和低频放大器组成。其原理方框图如下图：u5u4u3u2u1天线高频放大器变频器中频放大器检波器低频放大器tu1tu2tu3tu4tu5扬声器接收天线接收从空间传来的电磁波并感生出微小的高频信号，高频放大器从中选择出的所需的信号进行放大，得到高频调波信号，高频调波信号经过变频器混频得到中频调波信号，中频调波信号经中频放大器放大送到检波器。检波器从中频调波信号取出调制信号，再经低频放大器放大送到扬声器中转为声音信号。三、矿石收音机的概述矿石收音机是指用天线、地线以及基本调谐回路和矿石做检波器而组成的没有放大电路的无源收音机。由于最初是用矿石来做检波器，故由此而得名。它源于早期的检波器元件是直接用天然矿石作成，使用时得通过一根金属探针调整其在矿石上的压力和方位得名。后来发明了晶体管，无线电爱好者使用锗二极管替代了矿石，但是采用相同电路的也叫做矿石收音机。现在还有一种新型的检波用的MOSFET，可以获得接近于0伏特的压降，这种元件用于矿石收音机的检波效果绝佳。矿石收音机是所有无线电接收设备里最简单的一种，主要用于中波（频率范围在300-3000kHz）公众无线电广播的接收。简单的矿石收音机可以只有一个线圈，可变电容器，检波器还有耳机构成。其原理图如下图所示滤波电容检波二极管调谐电容调谐线圈扬声器天线地线由于只有一个调谐回路而被称为“单回路矿石收音机”。本设计为有两个谐调回路的矿石收音机，这样能增强矿石收音机的选频特性。优良矿石收音机需要：极好的天地线，高Q值的线圈和可变电容，低正向压降的检波器，灵敏和有良好阻抗匹配的耳机。四、矿石收音机的工作原理矿石收音机有两个功能：a:接收无线电波；b:将其还原成声音信号。收音机的天线把广播电台发射的调幅信号接收下来，再经过调谐回路选频得到我们所要的广播信号，在经过选频以后的无线电波，已经是比较单纯，特定频率的信号了，如下图所示：广播电台的AM信号此时即需要做检波的动作。检波最简单的方法，就是经过二极管做半波整流，滤掉其中半个周期的信号，成为有脉动的直流信号再经过检波二极管得到只有正半波的信号，如下图所示：检波后的信号因为此处的信号无论电压电流都非常的小，所以必须采用非常灵敏的二极管。检波之后的信号包含有载波信号和广播信号，所以接下来我们要把载波信号用滤波电容过滤掉。经过滤波电容把载波信号滤掉后的信号波形如下图所示：滤波后的信号最后将滤波后的信号送到扬声器转换成声音输出，就可以听到广播电台的声音了。五、原理图的绘制L1L3L2把L1和L2绕在活动变阻器上C1C2C3L2的作用是使检波回路与调谐回路达到阻抗匹配。六、天线与地线天线和地线的组成是矿石收音机能量的发源地，是收音效果好坏的重要环节之一。因为矿石收音机没有电源，并没有任和放大作用，仅仅是靠天线收到的极为微弱的高频信号加以较好地利用和发挥而已，所以要从能量损耗的观点上做一些考虑，唯有这样才能依靠提高本身效率，使喇叭发出的音量达到满意地便于欣赏的程度。天线和地线的合理选择和安装是提高效率的措施之一。因为这能降低其自身的损耗电阻，从而提高天线线圈的端电压。天线的选择和安装：选择天线时应该选择阻抗较小、导电性较强的漆包线，长度一般选择在十几米以上。天线可以安装在屋顶上或者架设在一根竹竿上，如图所示： 安装天线时须注意：天线的引入线不要随意弯折，也不要接触到建筑物。天线两端最好装绝缘子。如果不考虑这些因素，这一切都将促成天线回路的损耗电阻增加，使天线线圈的端电压减小，不但严重影响输出电压，同时由于电路中的电阻过大，选择性也趋于很坏的状态。为了防范被雷击的危险，引入线的末端应装天地线闸刀，闸刀引入地下的接线要直，这样有利于雷电冲击电流的通路。地线的选择和安装：地线应选选择导电性良好、抗腐蚀的漆包线。安装时可以把它接到自来水管，也可以把它埋在地下。如下图所示地线的好坏取决于地线接地电阻的大小，接地电阻越小，效果越好。地线的引入大地时采用接地电极最好是炭质电极比较好，当然也可以其他代用品，例如废电池（6号电池）的碳棒、废牙膏的铅管以及其他比较不易腐蚀的金属板或管。其中以碳棒较好，不至于日久腐蚀而增加接地电阻。但是使用时需要注意，由于每个面积太小，必须用多个并联使用，才能有足够的接地面积。地线埋设时除采用增加接地面积，加入碎木炭，埋得深来减小接地电阻外，如果能沿着天线投影，每隔一段距离埋入一组，再将几组并联在一起引入使用，效果更好。七、调谐线圈Q值效益：一个线圈的品质因数，是线圈电感的电抗（即交流电阻）在特定频率下对线圈电阻的损耗的比值。这电阻的构成部分是直流电阻和其它损耗（例如在接近线圈的非导电材料内的电介质损耗和在附近导体或线圈导线本身的涡流损耗）的总量。高的Q值不只导致更好的选择性，也提高调谐回路的阻抗，使检波器得到更高的检波电压。电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高。电感器品质因数的高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关。 也有人把电感的Q值特意降低的，目的是避免高频谐振增益过大。降低Q值的办法可以是增加绕组的电阻或使用功耗比较大的磁芯。Q值过大，引起电感烧毁，电容击穿，电路振荡。Q很大时，将有VL=VCV的现象出现。这种现象在电力系统中，往往导致电感器的绝缘和电容器中的电介质被击穿，造成损失。所以在电力系统中应该避免出现谐振现象。而在一些无线电设备中，却常利用谐振的特性,提高微弱信号的幅值。品质因数又可写成Q=2pi*电路中存储的能量/电路一个周期内消耗的能量。通频带BW与谐振频率w0和品质因数Q的关系为：BW=wo/Q,表明，Q大则通频带窄，Q小则通频带宽。Q=wL/R=1/wRC 其中: Q是品质因素；w是电路谐振时的电源频率；L是电感；R是串的电阻；C是电容。影响Q值的其它因素： 泛音次数 表面抛光 材料的杂质和缺陷 安装应力 焊接应力 温度 电极几何形状和类型 片子的几何形状（外形、尺寸比） 激励电平 外壳中的气体（压力、气体种类） 干扰模 离子辐射要使回路中的能量损耗减小，除天线应该安装的合理外，回路中元件的损耗也不可忽视，因此高Q值的线圈和电容器便成为这架收音机必不可少的核心元件了。一般矿石收音机用的线圈，Q值都不是很高的，纸管式的较好，也仅约100左右，小型的美通338-A和338-B更小，只有40左。因此成品线圈不太合用，必须自己绕制，以减小线圈的介质损耗。线圈选取和制作的常识：导线长度及其相关损耗的增加是线性的；电感量则随着线圈直径的平方增大，因此对于特定的电感量，增加线圈直径将会用比较少的导线，从而减少损耗。匝距：使线圈的线间距离不小于导线的直径。密绕的线圈受到涡流损耗的损害，因为相邻的导线处于导线表面的强大磁场之中。粗的导线：采用最大的有效导线直径。李兹线（Litz Wire，即辫编线、绞合线）具有大的有效直径，因为它的表面积更大。可是不容易找到大尺寸的李兹线，而且特定的频率范围讲究不同组合的导线尺寸与股数。对于广播波段，股线应该用44或46号的细线组成。协调：随着你增加线圈的直径，圈数将减少，因此要选择适当的导线尺寸和间距，以便保持线圈长度与直径的比值接近1:1。还要记住线圈需要和收音机其它主要零件分开2至3个直径的距离。这是一种选取和制作线圈的参考。还有一种参考是根据电感量来确定的：电感量L的算法是：L=25330.3/(f*f*C),其中:L(电感):微亨f(频率):MHzC(电容量):pF当频率取低端值时,电容量取最大值；频率取高端值时,电容量取最小值。至于圈数，则与线圈的形状、直径的大小、有否磁芯等因素有关，可参考相关书籍上的计算公式。为了得到高Q值的线圈，一般圆筒式线圈的长度直径比是11.2：1，蛛网线圈的外径与内径之比为：5：1，这也是选取导线的参考之一。线圈的绕制：根据前面的原理图，需要绕制3个线圈。在绕制线圈前，首先得准备一些手头工具和器件：1、 小功率电烙铁2、 剪线钳3、 美工刀4、 直径3.5cm、长度15cm的滑动变阻器5、 直径4.5cm、长度9cm的圆柱形纸管6、 直径0.4mm和0.8mm漆包线7、 焊锡8、 502胶水绕制步骤：（1）用直径0.8mm的漆包线在滑动变阻器的左侧向右紧密缠绕80圈（此线圈为L1），再用502胶水把线圈和滑动变阻器的表面粘稳在一起，以防线圈脱落。（2）用直径0.4mm的漆包线在滑动变阻器接着了L1结束的地方向右紧密缠绕105圈（此线圈为L3），绕向和线圈L1相同，再用胶水把线圈固定。（3）用直径0.4mm的漆包线在圆柱形纸管紧密缠绕90圈（此线圈为L2），然后用胶水把线圈粘稳。（4）用美工刀把线圈L1、L2与滑动变阻器滑动触电的地方的绝缘包层刮掉，使得滑动触电与线圈有良好的接触。（5）用美工刀在线圈的第25、45、65圈处刮掉绝缘层，然后用电烙铁在其上面焊接出3个抽头。八、调谐电容电感制作完成，就来考虑电容了。一般矿石收音机为了缩小体积和节省成本，多采用固体介质的可变电容器，可是这种电容器的介质损耗很大（与空气温度有关）。为此本设计采用空气介质可变电容器。国产的空气介质可变电容器的Q值一般都在1000以上，都可应用，但旧的空气介质电容器由于附有尘土油污，常使介质损耗增大，影响收音机的效率。可变电容这个零件在现在是越来越少见了。现在一般电子材料行有可能买的到的可变电容，大概是这样子的：这种电容在现在的市场上很容易买得到，它所使用的介质是云母片或塑料片，体积相当的小，但是电容量都比较低，最大的也只有几十皮法。本设计为了增加选频电路的可调性，所以我们选用容量在360pF以上的可调电容。这种大容量的电容在市场上很难买到，如下图所示： 这是一种很古董的可调电容器，其金属片之间直接用空气当作介质，故体积较大，金属片也较多。这种电容器属于双联可变电容，它包含有两个电容，动片是两个电容的公共端，定片是各个电容的另一端，使用时公共端接地。还有一种是单联可变电容，它只有一个独立的电容，如下图所示：在本设计中因为两个调谐回路是独立的，所以使用的可调电容必须是单联的，不能用双联的代替。九、检波电路谈谈矿石：许多书籍中谈到，方铅矿、黄铁矿、黄铜矿等天然矿石具有检波作用，但实验证明，并非所有的这类天然矿石都具有检波作用。矿石的形状：没有检波作用的方铅矿怎样是它能变成有检波作用的矿石呢？我们可以用加入硫磺的办法来进行处理。用一只试管，在底部放入一小块硫磺，然后再放入几块方铅矿，用酒精灯加热，使硫磺煎蒸矿石，至硫磺蒸发将尽时使之冷却，矿石就变得具有检波作用了。不过这时的矿石已大多爆裂为较小的颗粒，使用时需要将矿石杯内加一垫圈才不至于漏出来。这种办法简单有效。现在市场上销售的矿石有人误认为是方铅矿，其实，它是一种人工制成的“硅铁”的东西。硅矿本来是在冶金工业上用来做脱氧剂或加成剂的，许多工厂的铸造车间都用它。用硅铁来做矿石，其灵敏度和稳定性都比一般天然矿石好得多。在先用时以含硅量越多越好。检波二极管的结构及特性：把PN结的P区和N区各接一条引线，再封装起来就为一个半导体二极管。与P区相连的引线为正极，与N区相连的引线为负极。检波二极管是由锗半导体材料制成的，采用点接触型二极管结构，如下图所示：正极引脚金属丝N型锗负极引脚由于点接触结构的原因，它的接触面积小，不能通过大的电流，但它的结电容也较小，频率特性好，适用于高频信号的检波。检波二极管广泛应用于收音机、电视机、收录机及通信设备中。检波二极管的检波一般是对高频小信号而言的，因此它是利用二极管的单向导电特性进行的。检波二极管(锗二极管)的电压与电流的关系曲线，又称为伏安特性曲线，可分为正向特性和反向特性，它的测量方法如下图所示： a)正向特性 b)反向特性反向截止反向击穿死区正向导通这是2ap7的伏安特性曲线图，图中坐标的右上方是二极管正偏时，电压和电流的关系曲线，简称正向特性；坐标右下方是二极管反偏时电压和电流的关系曲线，简称反向特性。当二极管两端电压为零时，电流也为零，PN结为动态平衡状态，所以特性曲线从坐标原点0开始。当给二极管两端加上正电压时，就会产生正向电流。当正向电压比较小时，二极管呈现的电阻较大。当正向电压超过一定数值时，二极管的电阻变得很小，电流会急剧上升。锗二极管的起始导通电压较小，约为02V。当给二极管加反向电压时，仅有很小的反向电流，而且该电流并不随反向电压的增长而变化，这种情况下的电流称为反向饱和电流。当反向电压加到一定值后，反向电流会突然增大，出现击穿现象。锗检波二极管的常用特性参数：正向电压降VF：检波二极管通过额定正向电流时，在极间产生的电压降。额定正向电流IF：在规定的使用条件下，允许通过的最大工作电流。最高反向工作电压VR：它等于半导体二极管击穿电压的23。击穿电压VB：是指二极管在工作中能承受的最大反向电压，它也是使二极管不致反向击穿的电压极限值。零点结电容C0：二极管在零偏置下的总电容量。检波效率：在二极管输入端加上107MHz正弦电压时，在输出端上的直流电压与输入端的峰值电压之比。检波二极管的作用：检波（也称解调）二极管的作用是利用其单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来，广泛应用于半导体收音机、收录机、电视机及通信等设备的小信号电路中，其工作频率较高，处理信号幅度较弱。常用的国产检波二极管有2AP系列锗玻璃封装二极管。常用的进口检波二极管有1N34/A、1N60等。检波二极管的工作原理：检波二极管具有结电容低，工作频率高和反向电流小等特点，传统上用于调幅信号检波。工作原理如下： 调幅信号是一个高频信号承载一个低频信号，调幅信号的波包(envelope)即为基带低频信号。如在每个信号周期取平均值，其恒为零。 若将调幅信号通过检波二极管，由于检波二极管的单向导电特性，调幅信号的负向部分被截去，仅留下其正向部分，此时如在每个信号周期取平均值（低通滤波），所得为调幅信号的波包(envelope)即为基带低频信号，实现了解调（检波）功能。 锗材料点接触型、工作频率可达400MHz，正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好，为2AP型。类似点触型那样检波用的二极管，除用于检波外，还能够用于限幅、削波、调制、混频、开关等电路。也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。检波二极管的选择：检波二极管一般可选用点接触型锗二极管，例如2AP系列等。选用时，应根据电路的具体要求来选择工作频率高、反向电流小、正向电流足够大的检波二极管。虽然检波和整流的原理是一样的，而整流的目的只是为了得到直流电，而检波则是从被调制波中取出信号成分（包络线）。检波电路和半波整流线路 完全相同。因检波是对高频波整流，二极管的结电容一定要小， 所以选用点接触二极管。能用于高频检波的二极管大多能用于限幅、箝位、开关和调制电路。本设计采用了2AP系列的2AP14型号的二极管。十、滤波电容的选择滤波电容的主要作用是把杂波过滤掉，提高收音机的音质。由于我们收到的信号电流和频率都比较低，所以选用电容容量1000pf到0.001uf的都能满足制作要求了。十一、喇叭的选择 前面做的一系列提高效率的措施，虽然对输出功率有所提高，但天线的输入功率毕竟是极为有限的（以微瓦计算），送到喇叭就更小了，因此在接受的最后阶段，把电能转到声能过程中的效率问题，在这里就显得非常重要了。为了能把微弱的电信号通过喇叭转换成声音，必须采用高阻抗的喇叭，一般要1000欧姆以上。十二、安装和调试 先把绕有线圈的滑动变阻器安装在15*20cm的万用板上，用铁线绑定，再把绕L2线圈的纸管装在滑动变阻器的旁边，接着安装两个可变电容器，把检波二极管、滤波电容和接口端安装在万用板的右下角，最后按照原理图把各个元器件连接焊好，最终的实物图如下：在调试前接好天地线，先把二极管接到L2的其中一个抽头，滑动变阻器的滑动触头（在这里定义为分线器），当听到“沙沙”的声音时，调节可变电容C1 收到一电台，再转动C2，调节到既无杂音又有足够的音量，再尝试着把二极管接到L2的其他抽头上，比较出不同的音质。若有杂音，先转动分线器，然后再细心调节C1 和C2，便可得到满意的分隔