《高频电子技术》课件第3章

第三章超外差式接收机：变频与AGC电路3.1超外差式接收机3.2变频电路和中放电路3.3自动增益控制电路3.4超外差式接收机基本工作原理 3.1超外差式接收机

前一章我们讨论了直接放大式接收机，这种接收机的特点是：从天线接收到的高频信号，在检波以前一直不改变它原来的载波频率，输入回路及放大电路的选频回路都调谐在欲接收的电台频率上（即将接收到的高频信号直接放大）。这种接收机虽然比直接检波式接收机完善得多，但当输入信号太弱需要采用多级高频放大电路时，由于每一级高频放大电路都有一个由LC组成的谐振回路，所有LC谐振回路需要同步调谐，很不方便，并容易产生自激，不能满足高性能接收机的需要。本章涉及的超外差式接收机可以克服上述问题，它在灵敏度、选择性等基本指标方面都比直放式接收机要好。下面以一个典型的分立式超外差接收机为例，介绍外差式接收机检测与调试的基本方法、讨论整机及所涉及的高频电路的工作原理。

图3－1所示是一种典型的超外差式调幅接收机电路，我们将通过三个实验来分析电路的工作原理，从而对超外差接收机有一个整体的认识。图3－1超外差式调幅接收机电路实验五超外差式接收机的安装与调试

一、实验步骤

步骤1：安装

在一块印刷电路板或万能板上按图3－1将电路安装好。如果有条件，装配工作可以在生产流水线上完成。安装完毕后，将T1的初级短路。步骤2：调整晶体管的静态工作点

用万用表或示波器直流挡测量晶体管VT1的发射极电位（发射极对地电压），调整电阻VRb1使Ue1=0.12～0.2V；测量VT2发射极电位，调节电阻VR5，使Ue2=0.2～0.4V；测量VT发射极电位，调节电阻VRb3，使Ue3=0.4～0.6V。根据欧姆定律，可以直接算出VT1、VT2、VT3的集电极电流。步骤3：调中频频率

将扫频仪输出的扫频信号，通过芯线接到接收机天线上，地线接到天线连的动片上。输入探头接到接收机检波器的输出端。把接收机的双连可变电容C1全部旋进到容量最大位置。用无感起子调中频变压器的磁心，由最后一级中周T4开始，逐级往前反复调整。直到使荧光屏上显示的中频谐振曲线谐振在465kHz，且幅度最高。若无扫频仪也可用高频信号发生器。把信号发生器的载波频率置465kHz，调制频率置1kHz，调制度30%。信号从接收机天线端输入。将接收机振荡连短路，双连可变电容C1旋到容量最大位置。调节信号发生器输出幅度，如电路正常，此时应从示波器上观测到检波波形。由后级中频变压器T4开始，用无感起子逐级调节各中频变压的磁芯，使示波器显示的检波输出信号幅度最大。

测试完毕后，断开T1初级的短接线。步骤4：调整频率覆盖

将扫频仪输出的扫频信号从天线注入，扫频仪输入探头接检波输出。此时荧光屏应显示接收机的谐振曲线。把接收机双连C1全部旋进，在此过程中可以看到谐振曲线向频率低端移动。用无感起子调振荡线圈T1的磁心，使荧光屏上展现的谐振曲线中心频率为525kHz。然后再把双连C1全部旋出，用起子旋动微调电容C2a，使荧光屏上展示的谐振曲线中心频率为1605kHz。由于调节高端会影响低端频率，为使频率覆盖准确，应重复一遍前面的调整过程。频率覆盖同样可用高频信号发生器调节。将信号发生器输出535kHz的高频调幅信号，将双连可变电容C1全部旋进，用无感起子仔细调振荡线圈T1的磁芯，使示波器显示的检波输出信号幅度最大；然后把信号发生器旋到1605kHz处，将双连可变电容C1全部旋出，旋动微调电容C2a，使示波器显示的检波输出信号幅度最大。重复一次前面的调整过程。步骤5：统调

旋动C1，使扫频仪荧光屏上展现中心频率为600kHz的谐振曲线，调整天线回路线圈在磁棒上的位置，使谐振曲线的幅度最大；然后再把双连C1旋出，使荧光屏上展示中心频率为1400kHz的谐振曲线，旋动微调电容C2b，使谐振曲线的幅度最大。重复高、低端的调整过程，体会一下输入回路对接收灵敏度的影响。

如果没有扫频仪，可用高频信号发生器调节，使信号发生器输出600kHz的高频调幅信号，旋动C1使接收机收到此信号，然后调整天线回路线圈在磁棒上的位置，使示波器显示的检波输出信号幅度最大；接着把信号发生器调到1500kHz处，调谐可变电容C1使接收机收到此信号，然后调整天线回路微调电容C2b，使示波器显示的检波输出信号幅度最大。重复一遍前面的调试过程。二、实验分析

通过实验四，我们安装、调试了一台简单的超外差式接收机，并能用它来收听中波广播。与前两章中安装的直接检波接收机和直放式接收机在收音效果上作一个粗略地比较，可以发现性能上的不少差别。

既然有了直放式接收机，为什么还要采用外差式接收方式呢？超外差式接收机与直放式接收机在电路结构上有什么不同？比较两者的电路图，不难发现，它们的差别在于超外差式接收机在天线输入回路与检波器之间插入了变频电路和中频放大电路。对信号起主要放大作用的中放电路无论从天线输入的信号频率如何变化，其选频回路的谐振频率总保持在465kHz不变，因此中放电路放大的是中心频率为465kHz的信号，这样就解决了放大电路级数增加调谐困难的问题。在调试中，先调中频，再通过调节由T2组成的振荡回路来确定接收机接收的频率范围，最后通过调节天线回路来提高接收机的灵敏度，这是超外差接收机的一般调试方法。在实验中注意到接收机的频率范围是由T2组成的振荡回路而不是由天线回路决定的。为了理解其中的机理，我们首先来认识变频与中放电路。 3.2变频电路和中放电路

在图3－1中，前面说的变频电路主要由晶体管VT1和振荡线圈T1构成；中频放大电路主要由晶体管VT2、VT3和中频变压器T2、T3、T4构成。那么这两种电路的功能分别是什么呢？为什么要采用变频与中放电路？

实验六变频与中放电路的认识

一、实验步骤

步骤1：观测并记录输入波形

将高频信号发生器的信号频率置于1500kHz，调制信号频率1kHz，调制度30%，用示波器观察该调幅信号，并记录下该信号波形及调制信号周期和载波频率f0。

如果操作正确并且无其他信号干扰，步骤1示波器展示的波形如图3－2(a)所示。它与我们在第一章所观测到的调幅波的形状基本相同。显然，测得载波频率f0应为1500kHz，调制信号周期为1ms。图3－2变频电路各点的波形步骤2：观测变频输出波形

不改变上述调幅信号，将高频信号发生器输出的信号从接收机天线注入。旋转C1，使接收机接收到的信号声音最大。此时用示波器观察T2次级（变频器输出）波形，测量所示波形的正弦包络线的周期，注意该周期读数与高频信号发生器调制信号周期有什么关系，并用数字频率计或示波器测量该点载波信号频率f1。记录测试数据及波形。

示波器展示的波形如图3－2(b)所示，该波形与图3－2(a)所示波形的正弦包络线变化规律一致，且周期也是1ms，表明调制信号没有改变。但载波频率f1不再是1500kHz，而变为465kHz。步骤3：观测本振波形

关掉高频信号发生器（或短路可变电容C1的信号连接），保持图3－1中C1的旋转角度不变，用示波器观察VT1发射极波形，并用数字频率计测量该信号频率f2，记录测试结果。注意该信号频率与高频信号发生器的信号频率及实验步骤2中所测得的载波信号频率有什么关系？

示波器展示的波形如图3－2(c)所示，为等幅正弦波。其频率为1965kHz。不难发现，步骤1、2、3所测的三个频率满足下面的关系：1965－1500=465（kHz）即（3.1）这是否是一种巧合呢？步骤4：重复观测

将高频信号发生器信号频率变为600kHz，其余参数不变，调节C1，使接收机正常发声，重复以上三个实验步骤，并记录实验数据。

我们发现，实验数据仍然满足式（3.1）。这说明式（3.1）不是某次实验的巧合，而是一个规律。步骤5：观测电路的放大作用

用示波器观察中频变压器T2和T4次级波形，对两点波形进行比较。

可以观测到，T2次级波形与T4次级波形形状完全相同，但后者的幅度明显高于前者，由此可以体会到电路的放大作用。二、实验分析

对上述实验，分析如下：

（1）通过上述4个步骤的实验，可以得到这样的结论：变频电路顾名思义就是实现频率的变换。即便把接收到的已调幅高频信号变为另一个频率的信号（一般都比高频已调信号低），但不改变其包络形状，即不改变其调制信号。这一改频后的已调信号叫中频已调信号，简称中频信号。不管输入高频信号频率如何，经变频后一律成为一个频率固定的中频信号。不同性质的接收机的中频可能不同，我国规定调幅（AM）广播接收机中频为465kHz。调频（FM）广播接收机的中频为10.7MHz。电视接收机的中频为38MHz。以上实验还可以看到，为了产生变频作用，还需要外加另一个正弦信号，这个信号叫本机振荡信号。在图3－1中这个信号是由振荡线圈T1和变频管VT1产生的。本振交流等效电路如图3－3所示。对本振信号来说，L2、C3、C4、T2可视作短路，因此，VT1基极交流接地，与中周相接的T1次级下端交流接地。从图中可以看出，这是一个变压器反馈式LC正弦振荡电路。图3－3本振交流等效电路图3－4混频过程在本电路中，VT1既产生本振信号又实现频率变换，称为自激式变频电路，简称变频电路。如果非线形器件本身仅实现频率变换，本振信号由另外电路产生，则分别称为本振电路、混频电路。有关混频的工作原理将在第二篇有关章节详细讨论。

(2)通过实验步骤5对中频放大器输入与输出信号波形的比较，不难发现，除了输出信号比输入信号幅度增大许多以外，其余并无什么差别。由此可见，中频放大器的功能就是对变频输出的中频信号加以放大，其工作原理与上一章所介绍的高频小信号放大器基本相同。其中，中频变压器为选频回路，选择出具有一定带宽的465kHz中频信号，晶体管是放大器件。与前一章高频小信号放大器不同的是，中频放大器的工作频率在工作中总保持不变。

(3)现在我们可以回答为什么要采用超外差式接收机这个问题了。前一章我们讨论的直接放大式接收机的特点是：从天线接收到的高频信号，在检波以前一直不改变它原来的高频频率（即高频信号直接放大），这种接收机虽然比直接检波式接收机完善得多，但是仍然有很大的缺点：一是在接收波段频率高端和频率低端的放大倍数不一样，整个波段灵敏度不均匀，特别是多波段接收机这个矛盾更突出；二是当收听远距离电台时，要求提高灵敏度，必须增加高频放大级数，由此带来高频放大级之间同步调谐的困难；三是即使所有调谐回路都能做到同步调谐，但由于放大的频率较高（短波约为1.6～26.1MHz，中波为535～1605kHz），各级间难免存在耦合，这样会很容易形成自激振荡，破坏正常接收。因此直接高放式接收机的灵敏度和选择性都不能做得很高。为了克服这些缺点，现在的接收机几乎都不采用直放式，而代之以超外差式。超外差式接收机的变频级将所有接收到的信号一律变成比它低的中频信号再进行放大，它给整机带来如下优点：

（1）因为中频放大器只需放大固定频率的信号，因此工作稳定，可以增加放大电路的级数，使整机灵敏度大大提高。

（2）由于中放电路的增益与从天线接收到的输入信号的频率无关，因此能保证在整个信道内各种频率的电台信号都有大致相同的放大能力，使接收机在整个收听的频率范围内有比较均匀的灵敏度。（3）由于变频器始终输出固定的中频信号，因而可以采用多个固定的调谐回路（中频变压器），通过不同的耦合方式或调谐方式，使整机在保证一定通频带的前提下选择性显著提高（其原理将在第六章涉及）。

（4）对于只接收一个频点的接收机（譬如传呼机）来说，外差式接收机可以通过频率变换降低载波的频率，消除因频率太高带来的工作不稳定、自激等弊端。 3.3自动增益控制电路

各个电台采用不同的工作频率，具有不同的发射功率，离接收地点的位移有远有近，因此接收机收到的不同电台的信号强弱差别很大。即使是同一电台，由于电波传播时受到各种因素影响，信号强弱也会随时发生变化。我们希望无论接收到的信号强或弱，接收机的输出信号都应保持在一定的范围内，这样才不致因为输入信号太弱而无法正常接收，也不致因输入信号太强使接收机产生堵塞。现在我们认识一下由R5、C11构成的自动增益控制（AGC）电路。

实验七认识AGC电路

一、实验步骤

步骤1：观测输入信号的大小对VT2直流工作点的影响及对扬声器音量与音质的影响

使接收机正常接收高频信号发生器发出的频率为1MHz、调制信号频率为1kHz、调制度为30%的调幅信号。从扬声器中听到清晰的1kHz的单音。用示波器或万用表测量图3－1中一中放管（VT2）发射极对地的直流电位。保持接收机的状态不变，改变高频信号发生器输出信号的大小，观测读数的变化，同时感受扬声器音量与音质的变化。如果操作正确，我们可以观测到，VT2发射极电位在一定范围内随输入信号增大而变小。同时可以感受到扬声器声音的变化：开始时扬声器音量随输入信号的增加线性增加；到一定程度时在一个较宽的范围内音量基本不随输入信号变化；再增大输入信号时，音质变坏。步骤2：观测检波二极管的极性对VT2直流工作点的影响及对扬声器音量与音质的影响将检波二极管VD反接（极性颠倒），重复上面的实验内容。

如果操作正确，我们可以观测到，与步骤1相反，VT2

发射极电位在一定范围内随输入信号增大而变大。同时可以感觉到扬声器声音的变化：开始时扬声器音量随输入信号的增加而增加；再稍微增大输入信号，音质严重变坏甚至出现啸叫；步骤1中音量在很大范围内基本不随输入信号变化的过程不复存在。步骤3：无反馈控制的情况

将R5右端断开后与整机地相接，重复上面的实验内容。

我们可以观测到，VT2发射极电位不再随输入信号改变。扬声器的音量随输入信号的增加而增加；音量不随输入信号变化的过程不复存在；增大输入信号时，音质严重变坏时对应的输入信号的值比步骤1要小，比步骤2大。再增大输入信号，会完全听不到音频声，此时用示波器观测检波输入信号，我们看到的是等幅波而非调幅波。检波电路将无法解调出音频信号，这种情况称为阻塞。二、实验分析

对上述实验，分析如下：

(1)步骤1中，增加输入信号，VT2的静态电流变化，加至检波二极管的高频信号幅度基本不变（扬声器音量大小基本不变），这反映出，输入为小信号时，电路的增益大，输入为大信号时，电路的增益小。电路的这种控制功能，称为自动增益控制，用AGC表示。图3－5检波输出对VT2静态工作点的影响

(2)在步骤1和2中，VT2工作点随输入信号变化可以这样来认识：在第一章中，我们已经知道，高频信号经检波后，有一直流信号输出，其大小正比于高频信号的幅值。正是检波输出的直流信号，影响了VT2的静态电流。分析图3－1，VT2基极偏置的直流等效电路如图3－5所示。