超外差收音機(jī)原理詳解

1、超外差收音機(jī)方框圖超外差收音機(jī)電路組成方框圖如圖 z1002 所示。它主要由輸入回路、變頻級、中放級、檢波級、低放級（前置或推動級）和功放級及電源等部分組成。超外差收音機(jī)的主要工作特點是 :采用了 變頻 措施。輸入回路從天線接收到的信號中選出某電臺的信號后，送入變頻級，將高頻已調(diào)制信號的載頻降低成一固定的中頻（對各電臺信號均相同），然后經(jīng)中頻放大、檢波、低放等一系列處理，最后推動揚聲器發(fā)出聲音。這一 變頻 措施，是超外差收音機(jī)性能得以改善的關(guān)鍵，也是分析超外差收音機(jī) 重點 。超外差收音機(jī)性能指標(biāo)收音機(jī)質(zhì)量的高低是用其性能指標(biāo)來衡量的。國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的指標(biāo)很多，我們就其重要的幾項作一介紹。1.

2、靈敏度 收音機(jī)正常工作（即輸出功率和輸出信噪比達(dá)到額定值）時，天線上感應(yīng)的最小信號 (場強(qiáng)或電勢 )稱為靈敏度。它反映收音機(jī)接收微弱信號的能力。使用磁性天線接收信號時，用電場強(qiáng)度來表示，其單位是mv m，一般中波段收音機(jī)的靈敏度應(yīng)不劣于 2mv m；使用外接天線或拉桿天線時，靈敏度用電勢表示，單位是 v。2. 選擇性 收音機(jī)抑制鄰近電臺信號干擾、選擇有用信號的能力稱為選擇性。它反映收音機(jī)選擇電臺的能力。調(diào)幅廣播電臺的中心頻率是按 9khz 間隔來分布的，故收音機(jī)的選擇性通常用輸入信號失諧 9khz 時，靈敏度的衰減程度來衡量，一般要求收音機(jī)的選擇性大于 20b。3. 失真度 收音機(jī)輸出波形與輸

3、入波形相比失真的程度稱為失真度。收音機(jī)中對音質(zhì)有影響的主要是頻率失真和非線性失真。4. 波段覆蓋范圍 收音機(jī)所能接收的載波頻率范圍。調(diào)幅收音機(jī)的中波段頻率范圍為 535 1605khz ，而短波范圍則為 1.6 26mhz ，調(diào)頻收音機(jī)的覆蓋范圍為 88108 mhz 。lc 串聯(lián)諧振回路lc 諧振回路lc 諧振回路廣泛地用于超外差收音機(jī)的選頻電路之中，如輸入回路、變頻電路、中頻電路等。故在分析超外差收音機(jī)的工作原理之前，我們先復(fù)習(xí)一下lc 諧振回路的性能及特點。圖 z1003為一 lc 串聯(lián)諧振電路，其中r 表示線圈 l 的損耗電阻。該電路的交流阻抗為z=r+j（），當(dāng)回路發(fā)生諧振時，=0

4、，故回路的諧振頻率為：f0=gs1001該電路諧振時的特點是，回路的阻抗最小且z0 r；信號電壓一定時，回路的電流最大且i 0號電壓的q 倍。 q 的定義為：；電感或電容兩端的電壓最大，且是信q 。q 叫回路的 品質(zhì)因數(shù) 。下面我們重點討論 lc 串聯(lián)電路的幅頻特性、通頻帶和選擇性。1. 回路電流的幅頻特性由圖 z1003 知，該電路的電流為方便起見，通常用電流的相對比值（稱歸一化）來表示串聯(lián)回路電流的幅頻特性：a gs1003利用上式可畫出圖 z1004 的幅頻特性曲線（即諧振曲線）。從曲線看出： q 值愈大，曲線愈尖銳，回路的選擇性愈好。2 回路的通頻帶在諧振頻率附近， f+f0 2f上式

5、代入式gs1003可得滿足 a ( 即 0.707) 的頻率認(rèn)為可以通過回路，通過回路的頻率范圍稱通頻帶，通頻帶的寬度用 b 表示，因則 b 2 f 由此可見：q 值越低，通頻帶越寬，gs1005q 值越高，通頻帶越窄。3.回路的選擇性回路的選擇性通常用諧振曲線的矩形系數(shù)示， kr 定義為a 下降到0.1 時的頻寬b0.1的比值，即與kr a來表示，如圖z1004 所下降到0.7 時頻寬b0.7r、 l 、 c 串聯(lián)回路的矩形系數(shù)為：理想矩形系數(shù) kr =1 ，而 lc 串聯(lián)回路諧振曲線矩形系數(shù)較大，因此選擇性較差。lc 并聯(lián)諧振回路圖 z1005 為一 lc 并聯(lián)諧振回路，其中 r 為線圈的

6、損耗電阻。該回路的阻抗該回路的諧振頻率為f0并聯(lián)諧振回路的特點是，諧振時回路阻抗最大且為純電阻，即z0 r0；諧振阻抗為感抗或容抗的q 倍，即 z0=q 0l=q 0c。式中 q一般 q 遠(yuǎn)大于 1。當(dāng)電流一定時，電感或電容兩端的電壓最大，若偏離諧振頻率，回路阻抗及電壓將明顯減小。1 回路電壓的幅頻特性在諧振頻率附近， l r，f+f 0 2f，式 gs1007 可整理成z回路電壓電壓幅頻特性：其表達(dá)式和特性曲線與串聯(lián)回路相同。2 回路通頻帶和選擇性由 gs1008 式可求出并聯(lián)回路的通頻帶b 2 fq 愈大，通頻帶愈窄； q 愈小，通頻帶愈寬。與串聯(lián)回路選擇性分析一致，并聯(lián)回路諧振曲線的矩形

7、系數(shù) kr 9.96 ，即選擇性也較差，但這種電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，常用于接收機(jī)的中頻放大電路之中。輸入回路輸人回路是收音機(jī)的 大門 ，從廣播電臺傳來的高頻信號到達(dá)收音機(jī)，首先碰到的是輸入回路。常用的晶體管收音機(jī)輸入回路如圖 z1006 所示。它是一個由可變電容器 c1、輸入調(diào)諧線圈 l1 組成的 lc 串聯(lián)調(diào)諧回路，其作用是從天線接收到的許多頻率的信號中 ,選擇出欲收聽的電臺信號。被選出的電臺信號，再由 l2 耦合到第一級晶體管的基極。輸入回路選擇電臺信號的原理是這樣的，當(dāng)不同頻率的電磁波(即不同電臺的信號 )在輸入回路中感應(yīng)出不同回路的電動勢時，如某電臺的信號頻率與輸入調(diào)諧回路的諧振頻率

8、f0在某位置時）相同，則在回路中產(chǎn)生諧振，回路電流最大，在線圈（可變電容l1 上產(chǎn)生的壓降也最大 ,經(jīng) l1、 l2 耦合送入晶體管基極的電壓也最大；而其他不符合諧振回路諧振頻率的電臺信號，在 l1 上產(chǎn)生的壓降很小，送入晶體管基極的信號電壓也就很微弱，可以認(rèn)為被輸入回路抑制掉了。改變 c1 可獲得不同的諧振頻率，也就可選擇出不同的電臺信號。晶體管收音機(jī)輸入回路廣泛采用磁性天線。將輸入調(diào)諧回路的線圈l1 和 l2 繞在磁棒上就構(gòu)成了磁性天線。磁棒一般用導(dǎo)磁率較高的鐵氧體材料，以集聚磁力線，增強(qiáng)感應(yīng)電勢，提高選擇性；l1 和 l2 的圈數(shù)比必須選合適，以使收音機(jī)獲得較好的靈敏度和選擇性。一般l1

9、 取 60 80 圈， l2 為 l1 的 1 10 左右。磁性天線有較強(qiáng)的方向性，如圖 b1007所示。一般中、短波電臺發(fā)射的是垂直極化波，其交變磁場是水平方向的，只有磁棒的軸線與電磁波傳播的方向垂直，且與交變磁場的水平面平行時穿過線圈的磁力線才最多，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢才最大。對輸入回路的要求：要有良好的選擇性。即選出欲收電臺型信號，抑制鄰近電臺信號的能力要強(qiáng)。要有足夠的頻率范圍。即輸入回路要能調(diào)諧到所需接收的整個頻段內(nèi)的各個電臺信號。頻率范圍又稱頻率覆蓋 ,且用頻率覆蓋系數(shù)來表示。它定義為頻段中最高頻率與最低頻率之比，即 kf 。在中波段，fmax1605 kh ， fin 535 khz ，

10、故 kf3 可變電容 c1 的變化范圍要滿足此要求，即使fin=,fmax=要有足夠的電壓傳輸系數(shù)。這就要求輸入調(diào)諧回路的諧振阻抗與晶體管的輸入阻抗相匹配，即滿足n1n2（其中 n1、n2 分別為l1、l2 的匝數(shù)， z0 為輸入回路的諧振阻抗，管的輸入阻抗）。適當(dāng)?shù)剡x擇l1、l2 的匝數(shù)即可滿足要求。ri為晶體統(tǒng) 調(diào)超外差式收音機(jī)的主要特點之一，是它有一個變頻級。變頻級里有3 個調(diào)諧回路，如圖 z1006 所示。一個是信號輸入回路,調(diào)節(jié)這個回路可以選擇不同電臺的信號頻率 fs；一個是本機(jī)振蕩回路，調(diào)節(jié)這個回路可以改變本機(jī)振蕩的頻率 f l；另一個是中頻選頻回路，它調(diào)諧于固定的中頻fp（ 46

11、5khz）。他們之間的關(guān)系是 :fl- fs=fp,當(dāng)接受的信號頻率改變時，則 fl 也得相應(yīng)的改變，才能保證上面的條件。通常改變 fl 和 fs 是用改變回路電容量來實現(xiàn)的。為了簡化調(diào)諧過程，通常是把兩個回路的可變電容的動片連再同一軸上，作成單一旋鈕統(tǒng)一控制。這種統(tǒng)一調(diào)節(jié) c1a 和 c1b 使變頻級輸出信號頻率保持或逼近中頻 fp 的過程叫統(tǒng)一調(diào)諧。簡稱統(tǒng)調(diào)，也稱跟蹤調(diào)諧。實踐證明，要在整個波段內(nèi)做到嚴(yán)格地跟蹤調(diào)諧是困難的。由于輸入回路和本振回路的頻率覆蓋系數(shù)分別為：例如對中波段（ 535 1605khz ）ks=3kl=2.07比較兩式可知 ,兩個回路在同一波段內(nèi)的頻率覆蓋系數(shù)不相等，即

12、它們分別從最低頻率變到最高頻率時所要求的可變電容變化量不相同。但 c1a 和 c1b 實際上是等容同軸的，這就造成了跟蹤調(diào)諧的困難,即很難做到在整個頻率范圍內(nèi)都能相差固定的中頻 fp.常用的跟蹤統(tǒng)調(diào)方法是調(diào)節(jié)本振回路去湊合輸入回路，使它們的差頻保持或逼近中頻 fp465khz 就可以了。目前，廣泛采用同軸等容雙連可變電容器，并在本振回路中串聯(lián)和并聯(lián)電容器的方法，由于這種方法需要附加電容，所以又叫附加電容法。這樣就可在整個波段內(nèi)達(dá)到低端、中端和高端三點上滿足 fl - fs=fp的要求（即三點跟蹤），在波段內(nèi)的其他頻率上，也就可以近似地實現(xiàn)跟蹤了。例如，中波段的 3 個統(tǒng)調(diào)點是低端 600 kh

13、z ，中端 1000 khz ，高端 1500 khz。下面以直線頻率式雙連電容器為例，對三點統(tǒng)調(diào)原理進(jìn)行分析。我們知道輸入回路和本振回路的諧振頻率分別為：式中 ls 和 ll 分別為輸入回路和本振回路的電感， c 為直線頻率式等容雙連可變電容器的電容量。直線頻率式等容雙連電容器的電容與轉(zhuǎn)動角有如下關(guān)系：a+ gs1012式中 a、b 是與電容器的幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)。將 gs1012 式代入 gs1011 式，則圖 b1001 中的輸入回路和本振回路的諧振頻率分別為：可見頻率與轉(zhuǎn)角有直線關(guān)系，這就是直線頻率式可變電容器名稱的由來。根據(jù)式 gs1013 可以作出如圖 z1007 中直線ab 和直

14、線 cd 所示 f特性，即 fl、fs與雙連可變電容器旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線。由于要求 fl -fs fp465khz ，所以 llls，從式 gs1013 可知 a2a1、b2b1。從圖 z1007 中可見，由于 cd 直線較之 ab 直線在頻率軸上的截距大（a2a1），斜率也較大（ b2 b1），所以直線cd 和直線 ab 不平行因此在0 180的任意角度 上， fl 和 fs 的差都不會相同。例如，使 =90時，兩者頻差恰好為 465k z，則 =0時，差頻小于 465khz, 則 =180時，差頻大于 465khz 。若能使本機(jī)振蕩頻率 fl 隨轉(zhuǎn)動角度 的變化曲線如圖中的 ef（粉色線）

15、，則能達(dá)到理想的跟蹤。然而，在任意角度時，要求 fp=fl -fs=465khz ，實際上是辦不到的。不過，若在本振回路中增加兩個附加電容 cb 和 cdz，如圖 z1006 所示，就可以顯著的改善統(tǒng)調(diào)跟蹤特性。在圖 z1006 中，并聯(lián)在振蕩回路里的電容cb，稱為補償電容，它的容量較小，與 c1bmin 近似。當(dāng)本振回路調(diào)諧在 flmin 時，電容 c1b 的值最大（雙連電容動片全部旋進(jìn)），此時， c1bmax cb,所以 ,cb 對本振回路的低端頻率幾乎沒有影響但隨著雙連可變電容器動片旋出，本振回路頻率隨著升高， cb 的影響就逐漸顯著。由于 cb 和 c1b 是并聯(lián)的，則高端頻率將大為減

16、小。所以在波段的高頻端， cb 對回路的影響最大。若 cb 的數(shù)值選得適當(dāng)（ cb 為半可變電容，可以調(diào)節(jié)大?。?，則由于 cb 的作用使本振回路的頻率不再隨 c1b 的減小而沿 cd 直線上升，而是在上升中逐漸減慢，使得高頻端跟蹤曲線彎曲下移，接近于理想的跟蹤曲線ef，并與其相交于一點f3，如圖 z1007 所示。串聯(lián)在振蕩回路里的電容cdz 叫做墊整電容，它的容量較大，與c1bmax相近，當(dāng)本振頻率最高時，c1b 的值最小（雙連全部旋出），由于cdz c1bmin，所以 cdz 對本振高端頻率幾乎沒有影響。但當(dāng)本振頻率逐漸下降對，cdz 的影響就逐漸顯著。由于cdz 和 c1bmin 是串聯(lián)

17、的，則總的回路電容下降，所以本振低端頻率將有所上升，其結(jié)果本振頻率不再隨c1b 的增大而沿直線 cd 下降。若 cdz 選得適當(dāng)，則可使低端跟蹤曲線向上提升變彎，接近于理想跟蹤曲線 ef ，并與其相交于一點 f1。這樣，本振回路經(jīng)過附加電容 cdz 、cb 的補償以后，它的跟蹤曲線由直線 cd 變?yōu)?s 形曲線，在 f1、f2、f3 三點實現(xiàn)了跟蹤調(diào)諧。在其他頻率上，雖不能完全實現(xiàn)跟蹤調(diào)諧，但跟蹤情況大有改善，已能滿足變頻的要求，如圖z1007 中紅色線所示中頻放大電路中頻放大電路的任務(wù)是把變頻得到的中頻信號加以放大，然后送到檢波器檢波。中頻放大電路對超外差收音機(jī)的靈敏度、選擇性和通頻帶等性能

18、指標(biāo)起著極其重要的作用。圖 z1008 （a）是 lc 單調(diào)諧中頻放大電路，圖z1008 （b）為它的交流等效電路。圖中b1、b2 為中頻變壓器，它們分別與 c1、c2 組成輸入和輸出選頻網(wǎng)絡(luò)，同時還起阻抗變換的作用，因此，中頻變壓器是中放電路的關(guān)鍵元件。中頻變壓器的初級線圈與電容組成 lc 并聯(lián)諧振回路，它諧振于中頻 465khz 。由于并聯(lián)諧振回路對詣?wù)耦l率的信號阻抗很大，對非諧振頻率的信號阻抗較小。所以中頻信號在中頻變壓器的初級線圈上產(chǎn)生很大的壓降，并且耦合到下一級放大，對非諧振頻率信號壓降很小，幾乎被短路（通常說它只能通過中頻信號），從而完成選頻作用，提高了收音機(jī)的選擇性。由 lc 調(diào)

19、諧回路特性知，中頻選頻回路的通頻帶 b f2- f1 ，見圖 z1009 。式中 ql 是回路的有載品質(zhì)因數(shù)。ql 值愈高，選擇性愈好，通頻帶愈窄；反之,通頻帶愈寬，選擇性愈差。中頻變壓器的另一作用是阻抗變換。因為晶體管共射極電路輸入阻抗低，輸出阻抗高，所以一般用變壓器耦合，使前后級之間實現(xiàn)阻抗匹配。一般收音機(jī)采用兩級中放，有3 個中頻變壓器（常稱中周）。第一個中頻變壓器要求有較好的選擇性，第二個中頻變壓器要求有適當(dāng)?shù)耐l帶和選擇性，第三個中頻變壓器要求有足夠的通頻帶和電壓傳輸系數(shù)，由于各中頻變壓器的要求不同，匝數(shù)比不一樣，通常磁帽用不同顏色標(biāo)志，以示區(qū)別，所以不能互換使用。實際電路中常采用具

20、有中間抽頭的并聯(lián)諧振回路,如圖 z1010（ a）所示。（ b）是它的等效電路，可以看出，它是由兩個阻抗性質(zhì)不同的支路組成。由于 l1、l2 都繞在同一磁芯上，實際上是一個自耦變壓器。利用變壓器的阻抗變換關(guān)系，可求得等效諧振電路的諧振阻抗：zob0 （）2 zab0 （）2zab0（式中 nn1 n2 為電感線圈的總匝數(shù)）。即具有抽頭并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗zob0等于沒有抽頭的諧振阻抗 zab0 的 倍。由于 1，所以 zob0 zab0取得所需求的 zob0 ，從而實現(xiàn)阻抗匹配。，適當(dāng)選擇變比可上述中放電路結(jié)構(gòu)簡單，回路損耗小，調(diào)試方便，所以應(yīng)用廣泛。但很難同時滿足選擇性和通頻帶兩方面的要求

21、，所以只能用在要求不太高的收音機(jī)上。自動增益電路（ agc ）收音機(jī)接收強(qiáng)臺和弱臺信號時，信號場強(qiáng)的變化是很大的，約在0.1mv m 100 mv m 范圍內(nèi)（因電離層變化也會引起信號變化，這在短波段內(nèi)特別嚴(yán)重）。為防止強(qiáng)信號阻塞及對短波衰落，要求放大器的增益應(yīng)能隨信號強(qiáng)弱而自動調(diào)整，以保持輸出相對穩(wěn)定。因此一般收音機(jī)都設(shè)置自動增益控制（ agc ）電路。圖 z1011 是常用的 agc 電路，它利用晶體管的電流放大系數(shù)隨 ic 的大小而改變的特性（見圖z1012 ），通過 ic 的調(diào)節(jié)，以達(dá)到控制增益的目的?？刂菩盘柸∽詸z波器的直流輸出，被控對象是第一級中放管集電極電流。無信號時，t2 的基

22、極電流由r和rr rrr34+ （ 7+ d）w 決定（d 是 d3 的正向電阻）。當(dāng)有信號輸入時，檢波輸出的中頻成分由c12、r7、 c13 網(wǎng)絡(luò)濾除，音頻成分一路經(jīng) w1、 c14 送入低放級；另一部分r4、c8 濾除。根據(jù) d3 的極性，檢波后的直流成分在 a 點可看作是兩路匯集處，一路i d1，一路 i d2。由圖可見 i d1 在 b 點是對 ib2 分流的，總使t2 基流減小，從而使 t2 集電極電流減小，增益下降。當(dāng)輸入信號強(qiáng)時,檢波直流分量也大 ,有iiid1 b2 c2 ,使 t2 增益大為下降，反之當(dāng)輸入信號較弱時， i d1 分流作用小 下降很小， t2 的增益也就下降很

23、少。這就起到了自動增益控制的作用。r4、c8 除音頻濾波外，還影響著控制作用的速度。濾波電路時間常數(shù)取得小些，控制信號能迅速跟蹤輸入信號強(qiáng)弱的變化，有利于提高信號接收靈敏度，適用于衰落嚴(yán)重的短波。但過小就會有殘留的音頻成分，引起失真或自激嘯叫，一般r4 取5 10k ， c8 取 10 30f。這種 agc 電路的缺點是：當(dāng)外來信號很強(qiáng)時，受控管可能因被控而截止，使中放電路處于乙類放大狀態(tài)，會產(chǎn)生嚴(yán)重失真。同時，由于受控基流過小，輸入阻抗較高，這個阻抗使前級輸出回路負(fù)載阻抗增大， q 值增加，通頻帶變窄。但由于這種電路簡單，效果尚好，仍被廣泛采用。經(jīng)過前面的討論 ,可以看出，超外差收音機(jī)具有以

24、下幾個優(yōu)點： 由于變頻后的固定中頻頻率較低，容易獲得較高的增益，且工作穩(wěn)定又不易引起自激。因此，收什機(jī)的靈敏度可以做得很高； 由于增益較高，便于進(jìn)行各種自動控制，使在整個接收范圍內(nèi)的高端和低端的靈敏度比較均勻； 由于中放級的選頻作用，可對中頻信號進(jìn)行有效地放大，而將混進(jìn)收音機(jī)的其它頻率信號抑制掉，從而提高了收音機(jī)的選擇性。晶體管超外差收音機(jī)整機(jī)電路分析圖 z1013為常用典型七管超外差收音機(jī)電路，它主要由輸入回路、變頻級、中放級、檢波級、低放級、功率輸出級和agc電路組成。一、輸入回路從磁性天線感應(yīng)的調(diào)幅信號送入入變頻管 t1 的基極。二、變頻級c1a、c2 和 l1組成的輸入回路進(jìn)行調(diào)諧，選出所需接收的電臺信號，通過互感耦合送變頻級是由一只晶體管t1 同時起本振和混頻作用的自激式變頻電路。本振回路由l2、c7、 c5、c1b 組成，它是互感耦合共基調(diào)射式的lc 振蕩電路。 l2 抽頭是為了減小晶體管的輸入阻抗對振蕩回路的影響。本振信號通過耦合電容c4從 t1的射極注入，它與輸入回路耦合到t1 管基極的高頻調(diào)幅信號在t1 管中混頻，由集電極調(diào)諧回路（中周）選出二者的差頻即465khz 的中頻信號，然后再將中頻信號送入中放電路去放大。為了提高電路的穩(wěn)定性，兼顧變