第3章 调谐器

1、第第3 3章章 调谐器调谐器 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社 音音 响响 技技 术术 王喜成王喜成高等学校电子信息类规划教材高等学校电子信息类规划教材 第第3 3章章 调谐器调谐器 第第3章章 调谐器调谐器 3.1 调谐器的组成及其性能指标调谐器的组成及其性能指标 3.2 调谐器的高频调谐器的高频#, 中频电路中频电路 3.3 立体声解码器立体声解码器 3.4 数字调谐系统数字调谐系统 思考题与习题思考题与习题 第第3 3章章 调谐器调谐器 3.1 调谐器的组成及其性能指标调谐器的组成及其性能指标 3.1.1 调谐器的组成 调谐器的基本组成方框图如图3 - 1所示. 图中fs为电

2、台信号频率, fv为本振频率, fi为中频频率. 上图为AM调谐器, 其中频频率fi = fvfs = 465 kHz;下图为FM调谐器, 其中频频率fi = fvfs = 10.7 MHz. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 - 1 调谐器的基本组成方框图 第第3 3章章 调谐器调谐器 1. FM高频电路 FM高频电路包括输入调谐回路#, 高频放大器#, 本地振荡器和混频器. 其功能是选择接收所需的电台信号, 并进行高频放大, 经混频器变换为10.7 MHz的中频调频信号. 2. FM中频电路 FM中频电路包括中频放大器 , 限幅器和鉴频器. 第第3 3章章 调谐器调谐器 3. 立体声解

3、码器 立体声解码器的功能是将鉴频器输出的立体声复合信号还原成左右两个声道信号, 分别经左右两路放大器放大后送入左右扬声器系统, 重现立体声. 第第3 3章章 调谐器调谐器 3.1.2 调谐器的主要性能指标 根据国标GB/T14277-93规定, 调谐器的电声性能指标多达20项. 除第1章已介绍过的有效频率范围 , 谐波失真和信噪比外, 这里继续介绍调谐器的3项主要性能指标. 1. 噪限灵敏度 噪限灵敏度表示调谐器接收微弱信号的能力. 它指输出功率达到参考值且信噪比符合 要求时, 天线端所需要的输入信号强度. 灵敏度值越小, 表示灵敏度越高, 能接收的电台数就越多. 第第3 3章章 调谐器调谐器

4、 2. 双信号选择性 双信号选择性是指调谐器在有用信号存在时, 对邻近频道干扰信号的抑制能力. 它反映了调谐器的实际抗干扰能力, 故又称为有效选择性. 第第3 3章章 调谐器调谐器 3. 分离度 立体声左(L) , 右(R)声道之间的分离度是指用立体声L(或R)信号调制时在L(或R)声道上的输出, 与用立体声R(或L)信号调制时在L(或R)声道上出现的输出之比. 它用来表示调谐器将立体声复合信号分离为左 , 右声道信号的能力. 第第3 3章章 调谐器调谐器 L声道的分离度为RLLLLUUS)()(lg20(3 - 1) R声道的分离度为: LRRRRUUS)()(lg20(3 - 2) 第第3

5、 3章章 调谐器调谐器 式中: (UL)L表示用立体声L信号调制时, 在L声道上产生的输出电压; (UL)R表示用立体声R信号调制时, 在L声道上产生的输出电压;(UR)R表示用立体声R信号调制时, 在R声道上产生的输出电压;(UR)L表示用立体声L信号调制时, 在R声道上产生的输出电压. 第第3 3章章 调谐器调谐器 3.2 调谐器的高频调谐器的高频 , 中频电路中频电路 3.2.1 调频高频电路 在调频高频电路中, 高频放大器和混频器的输入端各有一个调谐回路, 调谐在所接收的电台信号频率fs上; 而本地振荡器的调谐回路则需要跟踪调谐在比fs高一个中频fi的本振频率fv上. 第第3 3章章

6、调谐器调谐器 1. 电子调谐原理 利用变容二极管的变容特性进行回路调谐的方式称为电子调谐或电调谐. 变容二极管在反偏应用时, 其结电容CD会随反偏电压(又称调谐电压)UD的大小而变化. CDUD之间呈现如图3 - 2所示的指数函数关系, 称为变容二极管的变容特性. 为减小非线性失真, 通常应使UD在UminUmax范围内取值. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 - 2 变容二极管的变容特性 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 - 3 电子调谐器原理电路 第第3 3章章 调谐器调谐器 电子调谐器原理电路如图3 - 3(a)所示. 图中CD为变容二极管反偏应用时的结电容, 调谐电压+UD经隔

7、离电阻R1加到变容二极管负极, C1为滤波电容. 该调谐回路的谐振频率为DDCCCCLf210(3 - 3) 第第3 3章章 调谐器调谐器 2. 电调谐调频头 调频高频电路工作在甚高频段的88108 MHz, 为防止外界干扰和本振辐射, 通常做成一个组件并加以屏蔽, 称为调频头. 一个实用调谐器的电调谐调频头原理电路如图3 - 4所示. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 - 4 电调谐调频头电路 第第3 3章章 调谐器调谐器 3.2.2 FM/AM 中频集成电路 调频中频电路的功能是放大 , 限幅和鉴频. 由于要求增益高, 放大器级数多, 若用分立元件构成, 则极易自激, 故在调谐器中大多

8、采用集成电路.中频集成电路种类繁多, 但其内部电路结构及工作原理大致相同. 一般都采用级联差分对作中频放大器, 用模拟相乘器作鉴频器, 用恒流源电路来稳定各级工作点, 而调谐回路则由外部元件组成. 中频集成电路除含有调频中频电路外, 还包括调幅高频中频电路, 可集成于一块或若干块电路之中. 第第3 3章章 调谐器调谐器 日本三洋公司产品LA1260是具有代表性的FM/AM中频集成电路, 其内部电路方框图如图3 - 5所示. LA1260应用电路如图3 - 6所示, 它分为调频和调幅两种工作状态. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 - 5 LA1260内部电路方框图 第第3 3章章 调谐器调

9、谐器 图 3 - 6 LA1260应用电路 第第3 3章章 调谐器调谐器 调频收音： 波段开关S102 , S103置于FM位置. 调幅收音： 波段开关S102 , S103置于AM位置. 第第3 3章章 调谐器调谐器 3.3 立体声解码器立体声解码器 在接收调频立体声广播时, 从鉴频器输出的是一种立体声复合信号, 须经解码才能分离出左右两声道信号. 本节将在了解立体声复合信号的基础上, 阐述矩阵式和开关式立体声解码器的工作原理, 并着重介绍被广泛应用的锁相环立体声解码器. 第第3 3章章 调谐器调谐器 3.3.1 导频制立体声复合信号 我国调频立体声广播制式与世界上大多数国家一样, 采用导频

10、制. 它在传输左右声道信号的同时, 插入一个导频信号, 组成导频制立体声复合信号. 1. 表示式 导频制立体声复合信号可用下式表示： A(t)=(L+R)+(L-R) cos st+P cos st (3 - 4)21第第3 3章章 调谐器调谐器 上式表明, 该信号含有3种信息： (1) 左右声道的和信号(L+R), 也称为主信道信号. 普通调频收音机也能解调出这部分信息, 放送单声道声音, 实现了兼容性. (2) 左右声道的差信号(L-R)与副载波cos st经平衡调制后获得的双边带信号(L-R) cos st, 也称为副信道信号, 用来传送立体声的方位信息 (3) 导频信号P cos st

11、, 为接收机恢复副载波提供参考信号. 21第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 - 7 导频制立体声复合信号 第第3 3章章 调谐器调谐器 2. 频谱图 导频制立体声复合信号的频谱图如图3 - 7(a)所示. 3. 波形图 导频制立体声复合信号的波形关系如图3 - 7所示. 第第3 3章章 调谐器调谐器 仔细观察这些波形可以发现, 导频制立体声复合信号波形具有下述特点： (1) 波形的包络分别反映了左 , 右声道信号L , R的变化规律, 分别称之为L包络和R包络(见图3 - 7(f). (2) 包络之间是38 kHz副载波. 在L , R包络交点处, 副载波相位突变180. 第第3 3章章

12、调谐器调谐器 (3) 副载波的正峰点始终对准L包络, 负峰点始终对准R包络. 上述波形特点可从(3 - 4)式得到证明. 为说明简单, 仅考虑该式前两项, 即： A(t)=(L+R)+(L-R) cos st (3 - 5) 当cos st=2n时（n为零和正整数）, cos st=1, 副载波处于正峰点. 这时（3 - 5）式变为： A(t)=(L+R)+(L-R)1=2L （3 - 6） 第第3 3章章 调谐器调谐器 可见是左声道信号. 当cos st=（2n+1）时, cos st=-1, 副载波处于负峰点. 这时（3 - 5）式变为： A(t)=(L+R)+(L-R)(-1)=2R （

13、3 - 7） 可见是右声道信号. 第第3 3章章 调谐器调谐器 3.3.2 矩阵式立体声解码器 根据立体声复合信号的频谱特点, 可以采用频分法进行解码, 通常称为矩阵式立体声解码器. 其原理方框图如图3 - 8所示. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 - 8 矩阵式立体声解码器 第第3 3章章 调谐器调谐器 它的工作原理是： 从鉴频器送来的立体声复合信号被放大后分3路进行滤波. 一路经015 kHz低通滤波器分离出主信道信号(L+R), 再经幅度调整送入矩阵电路. 二路经19 kHz 选频网络提取导频信号, 再经倍频获得38 kHz副载波送入同步检波器. 三路经2353 kHz带通滤波器分

14、离出副信道信号(L-R)cosst, 第第3 3章章 调谐器调谐器 3.3.3 开关式立体声解码器 根据立体声复合信号的波形特点, 可以采用时分法进行解码, 通常称为开关式立体声解码器. 其原理方框图如图3 - 9所示. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 - 9 开关式立体声解码器 第第3 3章章 调谐器调谐器 开关式立体声解码器的工作原理可用图3 - 10的波形图清楚地说明. 图3 - 10(a)是略去了导频信号的立体声复合信号. 图3 - 10(b)是与副载波同步的开关信号. 方波正半周对准复合信号L包络, 方波负半周对准复合信号R包络. 方波正负半周分别检出的L , R幅值脉冲, 经

15、低通滤波器平滑后即得到左 , 右声道信号. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 - 10 开关式立体声解码器波形图 第第3 3章章 调谐器调谐器 3.3.4 锁相环立体声解码器 1. 锁相环副载波发生器 锁相环副载波发生器原理方框图如图3 - 11所示. 它由正交鉴相器 , 低通滤波器 , 压控振荡器(VCO)和两个二分频电路所组成, 以19 kHz的导频信号为参考信号, 输出38 kHz 的副载波开关信号. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 - 11 锁相环副载波发生器 第第3 3章章 调谐器调谐器 正交鉴相器是由双差分模拟乘法器构成的, 经低通滤波器输出的鉴相电压Uc(t)决定于导频

16、信号和再生19 kHz开关信号的相位差值, 可用下式表示 Uc(t)=Kc cos e(t) (3 - 8)第第3 3章章 调谐器调谐器 2. 双差分开关式解码器 集成双差分开关式解码器实际上是一个工作在开关状态的模拟乘法器, 其原理电路如图3 - 12所示. 38 kHz开关信号s(t)控制双差分管V1V4工作在开关状态. 立体声复合信号A(t)从V5基极输入, 使V5 , V6线性工作. 在V1 , V3集电极负载电阻RL上将获得左声道信号UL, 在V2 , V4集电极负载上将获得右声道信号UR. 该电路与普通双差分模拟乘法器相比, 有一个显著特点, 即V5 , V6的射极电阻R1 , R

17、2值大于恒流电阻RP值. 因而, 不能简单地套用模拟乘法器的关系式. 下面应用开关函数分析法分析其工作原理. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 - 12 双差分开关式解码器 第第3 3章章 调谐器调谐器 首先分析由V1, V3集电极电流在RL上共同产生的输出电压UL. 开关信号的正半周使V1导通, 若忽略高次项, 则其开关函数可近似为 ttsscos241)( (3 - 9) 开关信号的负半周使V3导通, 其开关函数可近似为 ttsscos241)( (3 - 10) 第第3 3章章 调谐器调谐器 加入V5的立体声复合信号为 A(t)=(L+R)+(L-R) cosst (3 - 11)复

18、合信号A(t)的一部分传输到V6, 其值为 A(t)=-K(L+R)+(L-R) cosst (3 - 12)第第3 3章章 调谐器调谐器 式中, K为传输系数, 可用图3 - 13所示的传输电路求出K值. 它实际上是A(t)在V5,V6中产生的电流比. 若忽略V5,V6发射结动态电阻, 则可得 ppRRRiiK56(3 - 13) 第第3 3章章 调谐器调谐器 图3 13 传输电路第第3 3章章 调谐器调谐器 式中R=R1=R2. 根据模拟乘法器的工作原理可知, RL上的输出电压UL应为)cos)()()cos221()cos)()()cos221()()()()(tRLKRLKttRLRL

19、ttAtstAtsULssss第第3 3章章 调谐器调谐器 将上式展开归纳, 经低通滤波器取出的电压为)221 (2)221 (2KKRKKLUL(3 - 14) 上式表明： 输出电压中不仅含有左声道信号, 还有一些不希望有的右声道信号, 使分离度变坏, 不过, 这些泄漏信号是K的函数, 若令：0221KK(3 - 15) 第第3 3章章 调谐器调谐器 则可求得消除泄漏信号的最佳K值： 222. 022K(3 - 16) 将(3 - 16)式代入(3 - 14)式可得到仅包含左声道信号的输出电压： UL=0.778L (3 - 17)同理, 可分析得出在RR上得到且经低通输出的电压为 UR=0

20、.778R (3 - 18)第第3 3章章 调谐器调谐器 为了实现上述理想输出结果, 可适当调节电路中的分离度调节电位器RP, 以满足最佳K值. 若取 R1=R2=1 k, 将K=0.222代入(3 - 13)式可得：285285. 01RRKKRP(3 - 19) 考虑到集成电路的工艺误差, Rp通常选用510 的电位器, 应用时调节到最佳分离度为准. 第第3 3章章 调谐器调谐器 . 锁相环立体声解码器 集成锁相环立体声解码器有许多产品, 如AN7470 , LA3400 , TA7343 , LA3361 , PC1197 , LM1800等, 其功能与工作原理大体相同. 这里以LA33

21、61为例进行介绍. LA3361是日本三洋公司产品, 是锁相环立体声解码器的典型电路, 是一种双列直插式16脚塑封器件. LA3361内部电路和外围应用电路如图3 - 14所示. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 14 LA3361内部电路方框图及应用电路 第第3 3章章 调谐器调谐器 3.4 数字调谐系统数字调谐系统 3.4.1 锁相频率合成器 1. 基本的锁相频率合成器 锁相频率合成器的基本形式如图3 - 15所示. 它由晶体振荡器 , 参考分频器 , 鉴相器 , 低通滤波器 , 压控振荡器和程序分频器等所组成. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 - 15 基本的锁相频率合成器 第

22、第3 3章章 调谐器调谐器 根据锁相环路的工作原理, 在环路锁定时, 鉴相器两个输入信号的频率相等. 即 fr=fd (3 - 20) VCO输出频率fv经N次分频得到fd, 所以vdfNf1(3 - 21) 于是, 得到下述频率关系： fv=Nfr (3 - 22) 第第3 3章章 调谐器调谐器 上述基本的锁相频率合成器尚存在一些缺点. 由(3 - 22)式可见, 输出频率fv只能以参考频率fr为调谐步长进行变化. 为了提高调谐精度, 就必须降低参考频率fr值. 然而, 这样会延长调谐时所需要的捕捉时间ts. 经验表明, 两者之间存在下述关系：rrsTft2525(3 - 23) 第第3 3

23、章章 调谐器调谐器 2. 双模分频锁相频率合成器 一个采用双模分频的锁相频率合成器如图3 - 16所示. 双模分频器有两个分频模数. 当模式控制为高电平1时, 分频模数为M+1; 当模式控制为低电平0时, 分频模数为M. 双模分频器的输出同时驱动两个程序分频器（可编程计数器）, 它们分别预置在N1和N2, 并进行减法计数. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 - 16 双模分频锁相频率合成器 第第3 3章章 调谐器调谐器 两个程序分频器和双模分频器获得的总分频比为 N=(M+1)N2+M(N1-N2)=MN1+N2 (3 - 24) 从上面的工作原理阐述中可知, N1必须大于N2 . 如N2

24、从0变化到9, 则N1至少为10, 多则不限. 常用的双模分频值有10/11, 15/16, 30/31, 100/101等. 第第3 3章章 调谐器调谐器 3.4.2 数字调谐系统实例 数字调谐系统是在良好的AM/FM收音通道基础上实现的, 它借助微处理器进行自动选台 , 数字显示, 并具有电脑记忆功能. 1. 数字调谐系统的组成框图 一个实用的数字调谐器的原理方框图如图3 - 17所示. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图3 - 17 数字调谐器原理方框图 第第3 3章章 调谐器调谐器 2. 数字调谐系统的工作原理 在图3 - 17所示的数字调谐系统中, TC9157AP是核心电路, 其应用

25、电路如图3 - 18所示. TC9157AP是一块42根引脚双列结构的大规模集成电路, 各引脚作用及说明如表3 - 1 所示. 第第3 3章章 调谐器调谐器 图 3 18 TC9157AP应用电路 第第3 3章章 调谐器调谐器 表 3 - 1 TC9157AP引脚功能 第第3 3章章 调谐器调谐器 第第3 3章章 调谐器调谐器 第第3 3章章 调谐器调谐器 TD6104P是一块有7根引脚单列结构的ECL(发射耦合逻辑)集成电路, 其分频比为1/30和1/31, 它的各引脚作用如表3 - 2所示. 第第3 3章章 调谐器调谐器 表 3 - 2 TD6104P引脚功能 第第3 3章章 调谐器调谐器 下面根据图3 - 18所示电路分析各种功能的控制原理. 波段选择 S1S3是3个波段开关, 当按下S1时, 相应的引脚得到一个有效触发, 经过TC9157AP处理后控制调谐器进入相应的调谐波段工作状态. 自动调谐 先按自动调谐控制开关S5, VDD 通过脚给电路供电, 再按下脚上行UP键或10脚下行DOWN键,调谐系统自动上行或下行搜索电台. 第第3 3章章 调谐器调谐器 电脑记忆 当在FM波段自动调谐搜索到一个喜爱听的电台广播时, 按下11脚储存记忆控制开关, 再在1219脚中选择按下某一个控制开关, 则这一电台频率被记忆在1219脚中某开关所对应的某储存电路中. 数字显示 由