超外差收音机原理详解

超外差收音机方框图超外差收音机方框图 超外差收音机电路组成方框图如图Z1002所示 它主要由输入回路 变频级 中放级 检波级 低放级 前置或推动级 和功放级及电源等部分组成 超外差收音机的主要工作特点是 采用了 变频 措施 输入回路从天线接收到 的信号中选出某电台的信号后 送入变频级 将高频已调制信号的载频降低成 一固定的中频 对各电台信号均相同 然后经中频放大 检波 低放等一系 列处理 最后推动扬声器发出声音 这一 变频 措施 是超外差收音机性能得以改善的关键 也是分析超外差收 音机 重点 超外差收音机性能指标 收音机质量的高低是用其性能指标来衡量的 国家标准中规定的指标很多 我们就其重要的几项作一介绍 1 灵敏度 收音机正常工作 即输出功率和输出信噪比达到额定值 时 天 线上感应的最小信号 场强或电势 称为灵敏度 它反映收音机接收微弱信号的 能力 使用磁性天线接收信号时 用电场强度来表示 其单位是mV m 一般 中波段收音机的灵敏度应不劣于2mV m 使用外接天线或拉杆天线时 灵敏 度用电势表示 单位是 V 2 选择性 收音机抑制邻近电台信号干扰 选择有用信号的能力称为选择性 它反映收音机选择电台的能力 调幅广播电台的中心频率是按9kHz间隔来分布的 故收音机的选择性通常 用输入信号失谐 9kHz时 灵敏度的衰减程度来衡量 一般要求收音机的选择 性大于20 B 3 失真度 收音机输出波形与输入波形相比失真的程度称为失真度 收音机中 对音质有影响的主要是频率失真和非线性失真 4 波段覆盖范围 收音机所能接收的载波频率范围 调幅收音机的中波段频率 范围为535 1605kHz 而短波范围则为1 6 26 MHz 调频收音机的覆盖范围 为88 108 MHz LC串串联联谐谐振振回回路路 LC谐谐振振回回路路 LC谐振回路广泛地用于超外差收音机的选频电路之中 如输入回路 变频电路 中频电路等 故在分析超外差收音机的 工作原理之前 我们先复习一下LC 谐振回路的性能及 特点 图Z1003为一LC串联谐振电路 其中R表示线圈L的损 耗电阻 该电路的交流阻抗为 Z R j 当回路发生谐振时 0 故回路的谐振频率为 f0 GS1001 该电路谐振时的特点是 回路的阻抗最小且Z0 R 信号电压一定时 回路的电流最大且I0 电感或电容两端的电压最大 且是信号电 压的Q倍 Q的定义为 Q Q叫回路的品品质质因因数数 下面我们重点讨论LC串联电路的幅频特性 通频 带和选择性 1 回回路路电电流流的的幅幅频频特特性性 由图Z1003知 该电路的电流 为方便起见 通常用电流的相对比值 称归一化 来表示串联回路电流 的幅频特性 a GS1003 利用上式可画出图Z1004的幅频特性曲线 即谐振曲线 从曲线看出 Q值愈大 曲线愈尖锐 回路的选择性愈好 2 回回路路的的通通频频带带 在谐振频率附近 f f0 2f 上式代入式GS1003可得 满足a 即0 707 的频率认为可以通过回路 通过回路的频率范围称 通频带 通频带的宽度用B表示 因则 B 2 f GS1005 由此可见 Q值越低 通频带越宽 Q值越高 通频带越窄 3 回回路路的的选选择择性性 回路的选择性通常用谐振曲线的矩形系数Kr来表示 如图Z1004所示 Kr定义为a下降到0 1时的频宽B0 1与a下降到0 7时频宽B0 7的比值 即 R L C串联回路的矩形系数为 理想矩形系数Kr 1 而LC串联回路谐振曲线矩形系数较大 因此选择 性较差 LC并联谐振回路并联谐振回路 图Z1005为一LC并联谐振回路 其中R为线圈的损耗电 阻 该回路的阻抗 该回路的谐振频率为 f0 并联谐振回路的特点是 谐振时回路阻抗最大且为纯电阻 即Z0 R0 谐振阻抗为感抗或容抗的Q倍 即Z0 Q 0L Q 0C 式中 Q 一般Q远大于1 当电流一定时 电感或电容两端的电压最大 若偏离谐振频率 回路阻抗及 电压将明显减小 1 回路电压的幅频特性 回路电压的幅频特性 在谐振频率附近 L R f f0 2f 式GS1007可整理成 Z 回路电压 电压幅频特性 其表达式和特性曲线与串联回路相同 2 回路通频带和选择性 回路通频带和选择性 由GS1008式可求出并联回路的通频带 B 2 f Q愈大 通频带愈窄 Q愈小 通频带愈宽 与串联回路选择性分析一致 并联回路谐振曲线的矩形系数Kr 9 96 即选 择性也较差 但这种电路结构简单 调试方便 常用于接收机的中频放大电路 之中 输入回路输入回路 输人回路是收音机的 大门 从广播电台传来的高频信号到达收音机 首先 碰到的是输入回路 常用的晶体管收音机输入回路如图Z10 06所示 它是一个由可变电容器C1 输入调谐线圈L1组成 的LC串联调谐回路 其作用是从天线接收到的许多频率的 信号中 选择出欲收听的电台信号 被选出的电台信号 再 由L2耦合到第一级晶体管的基极 输入回路选择电台信号的 原理是这样的 当不同频率的电磁波 即不同电台的信号 在 输入回路中感应出不同回路的电动势时 如某电台的信号频 率与输入调谐回路的谐振频率f0 可变电容在某位置时 相同 则 在回路中产生谐振 回路电流最大 在线圈L1上产生的压降也最大 经L1 L2耦 合送入晶体管基极的电压也最大 而其他不符合谐振回路谐振频率的电台信号 在L1上产生的压降很小 送入晶体管基极的信号电压也就很微弱 可以认为 被输入回路抑制掉了 改变C1可获得不同的谐振频率 也就可选择出不同的电 台信号 晶体管收音机输入回路广泛采用磁性天线 将输入调谐回路的线圈L1和L2绕在 磁棒上就构成了磁性天线 磁棒一般用导磁率较高的铁氧体材料 以集聚磁力 线 增强感应电势 提高选择性 L1和L2的圈数比必须选合适 以使收音机获 得较好的灵敏度和选择性 一般L1取60 80圈 L2为L1的1 10左右 磁性天线有较强的 方向性 如图B1007 所示 一般中 短波 电台发射的是垂直极 化波 其交变磁场是 水平方向的 只有磁 棒的轴线与电磁波传 播的方向垂直 且与 交变磁场的水平面平行时穿过线圈的磁力线才最多 产生的感应电势才最大 对输入回路的要求 要有良好的选择性 即选出欲收电台型信号 抑制邻近电 台信号的能力要强 要有足够的频率范围 即输入回路要能调谐到所需接收的 整个频段内的各个电台信号 频率范围又称频率覆盖 且用频率覆盖系数来表示 它定义为频段中最高频率与最低频率之比 即Kf 在中波段 fmax 1605 kH f in 535 kHz 故Kf 3可变电容C1的变化范围要满足此要求 即使 f in fmax 要有足够的电压传输系数 这就要求输入调谐回路的谐振阻抗与晶体管的输入 阻抗相匹配 即满足 N1 N2 其中N1 N2分别为 L1 L2的匝数 Z0为输入回路的谐振阻抗 ri为晶体管 的输入阻抗 适当地选择L1 L2的匝数即可满足要求 统统 调调 超外差式收音机的主要特点之一 是它有一个变频级 变频级里有3个调谐 回路 如图Z1006所示 一个是信号输入回路 调节这个回路可以选择不同电台 的信号频率fs 一个是本机振荡回路 调节这个回路可以改变本机振荡的频率fL 另一个是中频选频回路 它 调谐于固定的中频fP 465kHz 他们之间的关系是 fL fs f P 当接受的信号频率改变时 则fL也得相应的改变 才能保 证上面的条件 通常改变fL和 f s是用改变回路电容量来实现的 为了简化调谐过程 通常是 把两个回路的可变电容的动片连再同一轴上 作成单一旋钮统一控制 这种统 一调节C1a和C1b使变频级输出信号频率保持或逼近中频fP的过程叫统一调谐 简称统调 也称跟踪调谐 实践证明 要在整个波段内做到严格地跟踪调谐是 困难的 由于输入回路和本振回路 的频率覆盖系数分别为 例如对中波段 535 1605KHz KS 3 KL 2 07 比较两式可知 两个回路在同一波段内的频率覆盖系数不相等 即它们分别 从最低频率变到最高频率时所要求的可变电容变化量不相同 但C1a和C1b实际 上是等容同轴的 这就造成了跟踪调谐的困难 即很难做到在整个频率范围内都 能相差固定的中频fP 常用的跟踪统调方法是调节本振回路去凑合输入回路 使 它们的差频保持或逼近中频fP 465kHz就可以了 目前 广泛采用同轴等容双连可变电容器 并在本振回路中串联和并联电容 器的方法 由于这种方法需要附加电容 所以又叫附加电容法 这样就可在整 个波段内达到低端 中端和高端三点上满足fL fs fP的要求 即三点跟踪 在 波段内的其他频率上 也就可以近似地实现跟踪了 例如 中波段的3个统调点 是低端600 kHz 中端1000 kHz 高端1500kHz 下面以直线频率式双连电容器为例 对三点统调原理进行分析 我们知道输入回路和本振回路的谐振频率分别为 式中LS和LL分别为输入回路和本振回路的电感 C为直线频率式等容双连可变 电容器的电容量 直线频率式等容双连电容器的电容与转动角 有如下关系 a GS1012 式中a b是与电容器的几何尺寸有关的常数 将GS1012式代入GS1011式 则 图B1001中的输入回路和本振回路的谐振频率分别为 可见频率与转角 有直线关系 这就是直线频率式可变电容器名称的由来 根据式GS1013可以作出如图Z1007中直 线AB和直线CD所示f 特性 即fL fs 与双连可变电容器旋转角度 的关系曲线 由于要求fL fs fP 465kHz 所以LL LS 从式GS1013可知a2 a1 b2 b1 从图Z1007中可见 由于CD直线较之AB直线在频率轴上的截距大 a2 a1 斜率也较大 b2 b1 所以直线CD和直线AB不平行因此在0 180 的任 意角度 上 fL和fS的差都不会相同 例如 使 90 时 两者频差恰好为465k z 则 0 时 差频小于465kHz 则 180 时 差频大于465kHz 若能使本 机振荡频率fL随转动角度 的变化曲线如图中的EF 粉色线 则能达到理想的 跟踪 然而 在任意角度时 要求fP fL fS 465kHz 实际上是办不到的 不过 若在本振回路中增加两个附加电容Cb和CDZ 如图Z1006所示 就可以显著 的改善统调跟踪特性 在图Z1006中 并联在振荡回路里的电容Cb 称为补偿电容 它的容量较小 与C1bmin近似 当本振回路调谐在fLmin时 电容C1b的值最大 双连电容动 片全部旋进 此时 C1bmax Cb 所以 Cb对本振回路的低端频率几乎没有 影响但随着双连可变电容器动片旋出 本振回路频率随着升高 Cb的影响就逐 渐显著 由于Cb和C1b是并联的 则高端频率将大为减小 所以在波段的高频 端 Cb对回路的影响最大 若Cb的数值选得适当 Cb为半可变电容 可以调节 大小 则由于Cb的作用使本振回路的频率不再随C1b的减小而沿CD直线上升 而是在上升中逐渐减慢 使得高频端跟踪曲线弯曲下移 接近于理想的跟踪 曲线EF 并与其相交于一点f3 如图Z1007所示 串联在振荡回路里的电容CDZ叫做垫整电容 它的容量较大 与C1bmax相 近 当本振频率最高时 C1b的值最小 双连全部旋出 由于CDZ C1bmi n 所以CDZ对本振高端频率几乎没有影响 但当本振频率逐渐下降对 CDZ的 影响就逐渐显著 由于CDZ和C1bmin是串联的 则总的回路电容下降 所以本 振低端频率将有所上升 其结果本振频率不再随C1b的增大而沿直线CD下降 若CDZ选得适当 则可使低端跟踪曲线向上提升变弯 接近于理想跟踪曲线EF 并与其相交于一点f1 这样 本振回路经过附加电容CDZ Cb的补偿以后 它的跟踪曲线由直线C D变为 S 形曲线 在f1 f2 f3三点实现了跟踪调谐 在其他频率上 虽不能完 全实现跟踪调谐 但跟踪情况大有改善 已能满足变频的要求 如图Z1007中 红色线所示 中中频频放放大大电电路路 中频放大电路的任务是把变频得到的中频信号加以放大 然后送到 检波器检波 中频放大电路对超外差收音机的灵敏度 选择性和通 频带等性能指标起着极其重 要的作用 图Z1008 a 是LC单调谐 中频放大电路 图Z1008 b 为它的交流等效电路 图中B1 B2为中频变压器 它们分别与C1 C2组成输 入和输出选频网络 同时还起阻抗变换的作用 因此 中频变压器 是中放电路的关键元件 中频变压器的初级线圈与电容组成LC并联谐振回路 它谐振于中频 465kHz 由于并联谐振回路对诣振频率的信号阻抗很大 对非谐 振频率的信号阻抗较小 所以中频信号在中频变压器的初级线圈上 产生很大的压降 并且耦合到下一级放大 对非谐振频率信号压降 很小 几乎被短路 通常说它只能通过中频信号 从而完成选频 作用 提高了收音机的选择性 由LC调谐回路特性知 中频选频回路的通频带B f2 f1 见图Z1009 式中QL是回路的有载品质因数 QL值愈高 选择性愈好 通频带愈 窄 反之 通频带愈宽 选 择性愈差 中频变压器的另一作用是 阻抗变换 因为晶体管共 射极电路输入阻抗低 输 出阻抗高 所以一般用变压器耦合 使前后级之间实现阻抗匹配 一般收音机采用两级中放 有3个中频变压器 常称中周 第一 个中频变压器要求有较好的选择性 第二个中频变压器要求有适当 的通频带和选择性 第三个中频变压器要求有足够的通频带和电压 传输系数 由于各中频变压器的要求不 同 匝数比不一样 通常磁帽用不同颜 色标志 以示区别 所以不能互换使用 实际电路中常采用具有中间抽头的并联 谐振回路 如图Z1010 a 所示 b 是它的等效电路 可以看出 它是由两 个阻抗性质不同的支路组成 由于L1 L2都绕在同一磁芯上 实际 上是一个自耦变压器 利用变压器的阻抗变换关系 可求得等效谐振电路的谐振阻抗 ZOB0 2ZAB0 2ZAB0 式中N N1 N2为电感线圈的总匝数 即具有抽头并联谐振电路的谐振阻抗ZOB0等于没有抽头的谐振阻抗Z AB0的倍 由于 1 所以ZOB0 ZAB0 适当选择变比可取得所 需求的ZOB0 从而实现阻抗匹配 上述中放电路结构简单 回路损耗小 调试方便 所以应用广泛 但很难同时满足选择性和通频带两方面的要求 所以只能用在要求 不太高的收音机上 自动增益电路 自动增益电路 AGC 收音机接收强台和弱台信号时 信号场强 的变化是很大的 约在0 1mV m 100mV m范围内 因电离层变化也会引起信号变化 这在短波段内特别严重 为防止强信号阻塞 及对短波衰落 要求放大器的增益应能随信号 强弱而自动调整 以保持输出相对稳定 因此 一般收音机都设置自动增益控制 AGC 电路 图Z1011是常用的AGC电路 它利用晶体管的电流放大系数 随IC的大小而改变 的特性 见图Z1012 通过IC的调节 以达到控制增益的目的 控制信号取自检 波器的直流输出 被控对象是第一级中放管集电极电流 无信号时 T2的基极电流 由R3和R4 R7 RD RW决定 RD是D3的正向电阻 当有信号输入时 检波输出的中频成分由 C12 R7 C13 网络滤除 音频成分一路经 W1 C 14 送入低放级 另一部分R4 C8滤除 根据D3的极性 检波后的直流成分在A点 可看作是两路汇集处 一路 ID1 一路 ID2 由图可见 ID1在B点是对Ib2分流的 总使T2基流减小 从而使T2集电极电流减 小 增益下降 当输入信号强时 检波直流分量也大 有ID1 Ib2 IC2 使T2增益大为下降 反之当输入信号较弱时 ID1分流作用小 下降很小 T2的增益也就下降很少 这就起到了自动增益控制的作用 R4 C8除音频滤波外 还影响着控制作用的速度 滤波电路时间常数取得小些 控制信号能迅速跟踪输入信号强弱的变 化 有利于提高信号接收灵敏度 适用于衰落严重的短波 但过小就会有残留的音频成分 引起失真或自激啸叫 一般R4取5 10k C8取10 30 F 这种AGC电路的缺点是 当外来信号很强时 受控管可能因被控而截止 使中放电路处于乙类放大状态 会产生严重失真 同时 由于受控基流过小 输入阻抗较高 这个阻抗使前级输出回路负载阻抗增大 Q值增加 通频带变窄 但由于这种电 路简单 效果尚好 仍被广泛采用 经过前面的讨论 可以看出 超外差收音机具有以下几个优点 由于变频后的固定中频频率较低 容易获得较高的增益 且工作稳定又不易引起自激 因此 收什机的灵敏度可以做得由于变频后的固定中频频率较低 容易获得较高的增益 且工作稳定又不易引起自激 因此 收什机的灵敏度可以做得 很高 很高 由于增益较高 便于进行各种自动控制 使在整个接收范围内的高端和低端的灵敏度比较均匀 由于增益较高 便于进行各种自动控制 使在整个接收范围内的高端和低端的灵敏度比较均匀 由于中放级的选频作用 可对中频信号进行有效地放大 而将混进收音机的其它频率信号抑制掉 从而提高了收音机的由于中放级的选频作用 可对中频信号进行有效地放大 而将混进收音机的其它频率信号抑制掉 从而提高了收音机的 选择性 选择性 晶体管超外差收音机整机电路分析晶体管超外差收音机整机电路分析 图Z1013为常用典型七管超外差收音机电路 它主要由输入回路 变频级 中放级 检波级 低放级 功率输出级和AGC电 路组成 一 输入回路一 输入回路 从磁性天线感应的调幅信号送入C1a C2和L1组成的输入回路进行调谐 选出所需接收的电台信号 通过互感耦合送入变 频管T1的基极 二 变频级二 变频级 变频级是由一只晶体管T1同时起本振和混频作用的自激式变频电路 本振回路由L2 C7 C5 C1b组成 它是互感耦合 共基调射式的LC振荡电路 L2抽头是为了减小晶体管的输入阻抗对振荡回路的影响 本振信号通过耦合电容C4从T1的射极注 入 它与输入回路耦合到T1管基极的高频调幅信号在T1管中混频 由集电极调谐回路 中周 选出二者的差频即465kHz的中频 信号