《高頻電子技術(shù)》課件第3章

第三章超外差式接收機(jī)：變頻與AGC電路3.1超外差式接收機(jī)3.2變頻電路和中放電路3.3自動增益控制電路3.4超外差式接收機(jī)基本工作原理 3.1超外差式接收機(jī)

前一章我們討論了直接放大式接收機(jī)，這種接收機(jī)的特點是：從天線接收到的高頻信號，在檢波以前一直不改變它原來的載波頻率，輸入回路及放大電路的選頻回路都調(diào)諧在欲接收的電臺頻率上（即將接收到的高頻信號直接放大）。這種接收機(jī)雖然比直接檢波式接收機(jī)完善得多，但當(dāng)輸入信號太弱需要采用多級高頻放大電路時，由于每一級高頻放大電路都有一個由LC組成的諧振回路，所有LC諧振回路需要同步調(diào)諧，很不方便，并容易產(chǎn)生自激，不能滿足高性能接收機(jī)的需要。本章涉及的超外差式接收機(jī)可以克服上述問題，它在靈敏度、選擇性等基本指標(biāo)方面都比直放式接收機(jī)要好。下面以一個典型的分立式超外差接收機(jī)為例，介紹外差式接收機(jī)檢測與調(diào)試的基本方法、討論整機(jī)及所涉及的高頻電路的工作原理。

圖3－1所示是一種典型的超外差式調(diào)幅接收機(jī)電路，我們將通過三個實驗來分析電路的工作原理，從而對超外差接收機(jī)有一個整體的認(rèn)識。圖3－1超外差式調(diào)幅接收機(jī)電路實驗五超外差式接收機(jī)的安裝與調(diào)試

一、實驗步驟

步驟1：安裝

在一塊印刷電路板或萬能板上按圖3－1將電路安裝好。如果有條件，裝配工作可以在生產(chǎn)流水線上完成。安裝完畢后，將T1的初級短路。步驟2：調(diào)整晶體管的靜態(tài)工作點

用萬用表或示波器直流擋測量晶體管VT1的發(fā)射極電位（發(fā)射極對地電壓），調(diào)整電阻VRb1使Ue1=0.12～0.2V；測量VT2發(fā)射極電位，調(diào)節(jié)電阻VR5，使Ue2=0.2～0.4V；測量VT發(fā)射極電位，調(diào)節(jié)電阻VRb3，使Ue3=0.4～0.6V。根據(jù)歐姆定律，可以直接算出VT1、VT2、VT3的集電極電流。步驟3：調(diào)中頻頻率

將掃頻儀輸出的掃頻信號，通過芯線接到接收機(jī)天線上，地線接到天線連的動片上。輸入探頭接到接收機(jī)檢波器的輸出端。把接收機(jī)的雙連可變電容C1全部旋進(jìn)到容量最大位置。用無感起子調(diào)中頻變壓器的磁心，由最后一級中周T4開始，逐級往前反復(fù)調(diào)整。直到使熒光屏上顯示的中頻諧振曲線諧振在465kHz，且幅度最高。若無掃頻儀也可用高頻信號發(fā)生器。把信號發(fā)生器的載波頻率置465kHz，調(diào)制頻率置1kHz，調(diào)制度30%。信號從接收機(jī)天線端輸入。將接收機(jī)振蕩連短路，雙連可變電容C1旋到容量最大位置。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出幅度，如電路正常，此時應(yīng)從示波器上觀測到檢波波形。由后級中頻變壓器T4開始，用無感起子逐級調(diào)節(jié)各中頻變壓的磁芯，使示波器顯示的檢波輸出信號幅度最大。

測試完畢后，斷開T1初級的短接線。步驟4：調(diào)整頻率覆蓋

將掃頻儀輸出的掃頻信號從天線注入，掃頻儀輸入探頭接檢波輸出。此時熒光屏應(yīng)顯示接收機(jī)的諧振曲線。把接收機(jī)雙連C1全部旋進(jìn)，在此過程中可以看到諧振曲線向頻率低端移動。用無感起子調(diào)振蕩線圈T1的磁心，使熒光屏上展現(xiàn)的諧振曲線中心頻率為525kHz。然后再把雙連C1全部旋出，用起子旋動微調(diào)電容C2a，使熒光屏上展示的諧振曲線中心頻率為1605kHz。由于調(diào)節(jié)高端會影響低端頻率，為使頻率覆蓋準(zhǔn)確，應(yīng)重復(fù)一遍前面的調(diào)整過程。頻率覆蓋同樣可用高頻信號發(fā)生器調(diào)節(jié)。將信號發(fā)生器輸出535kHz的高頻調(diào)幅信號，將雙連可變電容C1全部旋進(jìn)，用無感起子仔細(xì)調(diào)振蕩線圈T1的磁芯，使示波器顯示的檢波輸出信號幅度最大；然后把信號發(fā)生器旋到1605kHz處，將雙連可變電容C1全部旋出，旋動微調(diào)電容C2a，使示波器顯示的檢波輸出信號幅度最大。重復(fù)一次前面的調(diào)整過程。步驟5：統(tǒng)調(diào)

旋動C1，使掃頻儀熒光屏上展現(xiàn)中心頻率為600kHz的諧振曲線，調(diào)整天線回路線圈在磁棒上的位置，使諧振曲線的幅度最大；然后再把雙連C1旋出，使熒光屏上展示中心頻率為1400kHz的諧振曲線，旋動微調(diào)電容C2b，使諧振曲線的幅度最大。重復(fù)高、低端的調(diào)整過程，體會一下輸入回路對接收靈敏度的影響。

如果沒有掃頻儀，可用高頻信號發(fā)生器調(diào)節(jié)，使信號發(fā)生器輸出600kHz的高頻調(diào)幅信號，旋動C1使接收機(jī)收到此信號，然后調(diào)整天線回路線圈在磁棒上的位置，使示波器顯示的檢波輸出信號幅度最大；接著把信號發(fā)生器調(diào)到1500kHz處，調(diào)諧可變電容C1使接收機(jī)收到此信號，然后調(diào)整天線回路微調(diào)電容C2b，使示波器顯示的檢波輸出信號幅度最大。重復(fù)一遍前面的調(diào)試過程。二、實驗分析

通過實驗四，我們安裝、調(diào)試了一臺簡單的超外差式接收機(jī)，并能用它來收聽中波廣播。與前兩章中安裝的直接檢波接收機(jī)和直放式接收機(jī)在收音效果上作一個粗略地比較，可以發(fā)現(xiàn)性能上的不少差別。

既然有了直放式接收機(jī)，為什么還要采用外差式接收方式呢？超外差式接收機(jī)與直放式接收機(jī)在電路結(jié)構(gòu)上有什么不同？比較兩者的電路圖，不難發(fā)現(xiàn)，它們的差別在于超外差式接收機(jī)在天線輸入回路與檢波器之間插入了變頻電路和中頻放大電路。對信號起主要放大作用的中放電路無論從天線輸入的信號頻率如何變化，其選頻回路的諧振頻率總保持在465kHz不變，因此中放電路放大的是中心頻率為465kHz的信號，這樣就解決了放大電路級數(shù)增加調(diào)諧困難的問題。在調(diào)試中，先調(diào)中頻，再通過調(diào)節(jié)由T2組成的振蕩回路來確定接收機(jī)接收的頻率范圍，最后通過調(diào)節(jié)天線回路來提高接收機(jī)的靈敏度，這是超外差接收機(jī)的一般調(diào)試方法。在實驗中注意到接收機(jī)的頻率范圍是由T2組成的振蕩回路而不是由天線回路決定的。為了理解其中的機(jī)理，我們首先來認(rèn)識變頻與中放電路。 3.2變頻電路和中放電路

在圖3－1中，前面說的變頻電路主要由晶體管VT1和振蕩線圈T1構(gòu)成；中頻放大電路主要由晶體管VT2、VT3和中頻變壓器T2、T3、T4構(gòu)成。那么這兩種電路的功能分別是什么呢？為什么要采用變頻與中放電路？

實驗六變頻與中放電路的認(rèn)識

一、實驗步驟

步驟1：觀測并記錄輸入波形

將高頻信號發(fā)生器的信號頻率置于1500kHz，調(diào)制信號頻率1kHz，調(diào)制度30%，用示波器觀察該調(diào)幅信號，并記錄下該信號波形及調(diào)制信號周期和載波頻率f0。

如果操作正確并且無其他信號干擾，步驟1示波器展示的波形如圖3－2(a)所示。它與我們在第一章所觀測到的調(diào)幅波的形狀基本相同。顯然，測得載波頻率f0應(yīng)為1500kHz，調(diào)制信號周期為1ms。圖3－2變頻電路各點的波形步驟2：觀測變頻輸出波形

不改變上述調(diào)幅信號，將高頻信號發(fā)生器輸出的信號從接收機(jī)天線注入。旋轉(zhuǎn)C1，使接收機(jī)接收到的信號聲音最大。此時用示波器觀察T2次級（變頻器輸出）波形，測量所示波形的正弦包絡(luò)線的周期，注意該周期讀數(shù)與高頻信號發(fā)生器調(diào)制信號周期有什么關(guān)系，并用數(shù)字頻率計或示波器測量該點載波信號頻率f1。記錄測試數(shù)據(jù)及波形。

示波器展示的波形如圖3－2(b)所示，該波形與圖3－2(a)所示波形的正弦包絡(luò)線變化規(guī)律一致，且周期也是1ms，表明調(diào)制信號沒有改變。但載波頻率f1不再是1500kHz，而變?yōu)?65kHz。步驟3：觀測本振波形

關(guān)掉高頻信號發(fā)生器（或短路可變電容C1的信號連接），保持圖3－1中C1的旋轉(zhuǎn)角度不變，用示波器觀察VT1發(fā)射極波形，并用數(shù)字頻率計測量該信號頻率f2，記錄測試結(jié)果。注意該信號頻率與高頻信號發(fā)生器的信號頻率及實驗步驟2中所測得的載波信號頻率有什么關(guān)系？

示波器展示的波形如圖3－2(c)所示，為等幅正弦波。其頻率為1965kHz。不難發(fā)現(xiàn)，步驟1、2、3所測的三個頻率滿足下面的關(guān)系：1965－1500=465（kHz）即（3.1）這是否是一種巧合呢？步驟4：重復(fù)觀測

將高頻信號發(fā)生器信號頻率變?yōu)?00kHz，其余參數(shù)不變，調(diào)節(jié)C1，使接收機(jī)正常發(fā)聲，重復(fù)以上三個實驗步驟，并記錄實驗數(shù)據(jù)。

我們發(fā)現(xiàn)，實驗數(shù)據(jù)仍然滿足式（3.1）。這說明式（3.1）不是某次實驗的巧合，而是一個規(guī)律。步驟5：觀測電路的放大作用

用示波器觀察中頻變壓器T2和T4次級波形，對兩點波形進(jìn)行比較。

可以觀測到，T2次級波形與T4次級波形形狀完全相同，但后者的幅度明顯高于前者，由此可以體會到電路的放大作用。二、實驗分析

對上述實驗，分析如下：

（1）通過上述4個步驟的實驗，可以得到這樣的結(jié)論：變頻電路顧名思義就是實現(xiàn)頻率的變換。即便把接收到的已調(diào)幅高頻信號變?yōu)榱硪粋€頻率的信號（一般都比高頻已調(diào)信號低），但不改變其包絡(luò)形狀，即不改變其調(diào)制信號。這一改頻后的已調(diào)信號叫中頻已調(diào)信號，簡稱中頻信號。不管輸入高頻信號頻率如何，經(jīng)變頻后一律成為一個頻率固定的中頻信號。不同性質(zhì)的接收機(jī)的中頻可能不同，我國規(guī)定調(diào)幅（AM）廣播接收機(jī)中頻為465kHz。調(diào)頻（FM）廣播接收機(jī)的中頻為10.7MHz。電視接收機(jī)的中頻為38MHz。以上實驗還可以看到，為了產(chǎn)生變頻作用，還需要外加另一個正弦信號，這個信號叫本機(jī)振蕩信號。在圖3－1中這個信號是由振蕩線圈T1和變頻管VT1產(chǎn)生的。本振交流等效電路如圖3－3所示。對本振信號來說，L2、C3、C4、T2可視作短路，因此，VT1基極交流接地，與中周相接的T1次級下端交流接地。從圖中可以看出，這是一個變壓器反饋式LC正弦振蕩電路。圖3－3本振交流等效電路圖3－4混頻過程在本電路中，VT1既產(chǎn)生本振信號又實現(xiàn)頻率變換，稱為自激式變頻電路，簡稱變頻電路。如果非線形器件本身僅實現(xiàn)頻率變換，本振信號由另外電路產(chǎn)生，則分別稱為本振電路、混頻電路。有關(guān)混頻的工作原理將在第二篇有關(guān)章節(jié)詳細(xì)討論。

(2)通過實驗步驟5對中頻放大器輸入與輸出信號波形的比較，不難發(fā)現(xiàn)，除了輸出信號比輸入信號幅度增大許多以外，其余并無什么差別。由此可見，中頻放大器的功能就是對變頻輸出的中頻信號加以放大，其工作原理與上一章所介紹的高頻小信號放大器基本相同。其中，中頻變壓器為選頻回路，選擇出具有一定帶寬的465kHz中頻信號，晶體管是放大器件。與前一章高頻小信號放大器不同的是，中頻放大器的工作頻率在工作中總保持不變。

(3)現(xiàn)在我們可以回答為什么要采用超外差式接收機(jī)這個問題了。前一章我們討論的直接放大式接收機(jī)的特點是：從天線接收到的高頻信號，在檢波以前一直不改變它原來的高頻頻率（即高頻信號直接放大），這種接收機(jī)雖然比直接檢波式接收機(jī)完善得多，但是仍然有很大的缺點：一是在接收波段頻率高端和頻率低端的放大倍數(shù)不一樣，整個波段靈敏度不均勻，特別是多波段接收機(jī)這個矛盾更突出；二是當(dāng)收聽遠(yuǎn)距離電臺時，要求提高靈敏度，必須增加高頻放大級數(shù)，由此帶來高頻放大級之間同步調(diào)諧的困難；三是即使所有調(diào)諧回路都能做到同步調(diào)諧，但由于放大的頻率較高（短波約為1.6～26.1MHz，中波為535～1605kHz），各級間難免存在耦合，這樣會很容易形成自激振蕩，破壞正常接收。因此直接高放式接收機(jī)的靈敏度和選擇性都不能做得很高。為了克服這些缺點，現(xiàn)在的接收機(jī)幾乎都不采用直放式，而代之以超外差式。超外差式接收機(jī)的變頻級將所有接收到的信號一律變成比它低的中頻信號再進(jìn)行放大，它給整機(jī)帶來如下優(yōu)點：

（1）因為中頻放大器只需放大固定頻率的信號，因此工作穩(wěn)定，可以增加放大電路的級數(shù)，使整機(jī)靈敏度大大提高。

（2）由于中放電路的增益與從天線接收到的輸入信號的頻率無關(guān)，因此能保證在整個信道內(nèi)各種頻率的電臺信號都有大致相同的放大能力，使接收機(jī)在整個收聽的頻率范圍內(nèi)有比較均勻的靈敏度。（3）由于變頻器始終輸出固定的中頻信號，因而可以采用多個固定的調(diào)諧回路（中頻變壓器），通過不同的耦合方式或調(diào)諧方式，使整機(jī)在保證一定通頻帶的前提下選擇性顯著提高（其原理將在第六章涉及）。

（4）對于只接收一個頻點的接收機(jī)（譬如傳呼機(jī)）來說，外差式接收機(jī)可以通過頻率變換降低載波的頻率，消除因頻率太高帶來的工作不穩(wěn)定、自激等弊端。 3.3自動增益控制電路

各個電臺采用不同的工作頻率，具有不同的發(fā)射功率，離接收地點的位移有遠(yuǎn)有近，因此接收機(jī)收到的不同電臺的信號強(qiáng)弱差別很大。即使是同一電臺，由于電波傳播時受到各種因素影響，信號強(qiáng)弱也會隨時發(fā)生變化。我們希望無論接收到的信號強(qiáng)或弱，接收機(jī)的輸出信號都應(yīng)保持在一定的范圍內(nèi)，這樣才不致因為輸入信號太弱而無法正常接收，也不致因輸入信號太強(qiáng)使接收機(jī)產(chǎn)生堵塞?，F(xiàn)在我們認(rèn)識一下由R5、C11構(gòu)成的自動增益控制（AGC）電路。

實驗七認(rèn)識AGC電路

一、實驗步驟

步驟1：觀測輸入信號的大小對VT2直流工作點的影響及對揚(yáng)聲器音量與音質(zhì)的影響

使接收機(jī)正常接收高頻信號發(fā)生器發(fā)出的頻率為1MHz、調(diào)制信號頻率為1kHz、調(diào)制度為30%的調(diào)幅信號。從揚(yáng)聲器中聽到清晰的1kHz的單音。用示波器或萬用表測量圖3－1中一中放管（VT2）發(fā)射極對地的直流電位。保持接收機(jī)的狀態(tài)不變，改變高頻信號發(fā)生器輸出信號的大小，觀測讀數(shù)的變化，同時感受揚(yáng)聲器音量與音質(zhì)的變化。如果操作正確，我們可以觀測到，VT2發(fā)射極電位在一定范圍內(nèi)隨輸入信號增大而變小。同時可以感受到揚(yáng)聲器聲音的變化：開始時揚(yáng)聲器音量隨輸入信號的增加線性增加；到一定程度時在一個較寬的范圍內(nèi)音量基本不隨輸入信號變化；再增大輸入信號時，音質(zhì)變壞。步驟2：觀測檢波二極管的極性對VT2直流工作點的影響及對揚(yáng)聲器音量與音質(zhì)的影響將檢波二極管VD反接（極性顛倒），重復(fù)上面的實驗內(nèi)容。

如果操作正確，我們可以觀測到，與步驟1相反，VT2

發(fā)射極電位在一定范圍內(nèi)隨輸入信號增大而變大。同時可以感覺到揚(yáng)聲器聲音的變化：開始時揚(yáng)聲器音量隨輸入信號的增加而增加；再稍微增大輸入信號，音質(zhì)嚴(yán)重變壞甚至出現(xiàn)嘯叫；步驟1中音量在很大范圍內(nèi)基本不隨輸入信號變化的過程不復(fù)存在。步驟3：無反饋控制的情況

將R5右端斷開后與整機(jī)地相接，重復(fù)上面的實驗內(nèi)容。

我們可以觀測到，VT2發(fā)射極電位不再隨輸入信號改變。揚(yáng)聲器的音量隨輸入信號的增加而增加；音量不隨輸入信號變化的過程不復(fù)存在；增大輸入信號時，音質(zhì)嚴(yán)重變壞時對應(yīng)的輸入信號的值比步驟1要小，比步驟2大。再增大輸入信號，會完全聽不到音頻聲，此時用示波器觀測檢波輸入信號，我們看到的是等幅波而非調(diào)幅波。檢波電路將無法解調(diào)出音頻信號，這種情況稱為阻塞。二、實驗分析

對上述實驗，分析如下：

(1)步驟1中，增加輸入信號，VT2的靜態(tài)電流變化，加至檢波二極管的高頻信號幅度基本不變（揚(yáng)聲器音量大小基本不變），這反映出，輸入為小信號時，電路的增益大，輸入為大信號時，電路的增益小。電路的這種控制功能，稱為自動增益控制，用AGC表示。圖3－5檢波輸出對VT2靜態(tài)工作點的影響

(2)在步驟1和2中，VT2工作點隨輸入信號變化可以這樣來認(rèn)識：在第一章中，我們已經(jīng)知道，高頻信號經(jīng)檢波后，有一直流信號輸出，其大小正比于高頻信號的幅值。正是檢波輸出的直流信號，影響了VT2的靜態(tài)電流。分析圖3－1，VT2基極偏置的直流等效電路如圖3－5所示。