超外差收音機原理詳解

1、超外差收音機方框圖超外差收音機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，是超外差收音機性能得以改善的關(guān)鍵，也是分析超外差收 音機重點。趨外差式調(diào)幅收&機方框圖超外差收音機性能指標收音機質(zhì)量的高低是用其性能指標來衡量的。國家標準中規(guī)定的指標很多， 我們就其重要

2、的幾項作一介紹。1. 靈敏度 收音機正常工作（即輸出功率和輸出信噪比達到額定值）時，天線上感應(yīng)的最小信號（場強或電勢）稱為靈敏度。它反映收音機接收微弱信號的 能力。使用磁性天線接收信號時，用電場強度來表示，其單位是mV/m，一般中波段收音機的靈敏度應(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 小2. 選擇性 收音機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，故收音機的選擇性通常 用輸入信號失諧kHz時，靈敏度的衰減程度來衡量，一般要求收音機的選擇 性大于20 d B。3. 失真度

3、 收音機輸出波形與輸入波形相比失真的程度稱為失真度。收音機中 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所能接收的載波頻率范圍。調(diào)幅收音機的中波段頻率 范圍為5351605kHz，而短波范圍則為1.6 26MHz，調(diào)頻收音機的覆蓋范 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 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圖 ZL003 0?厶Z=R+j （），當(dāng)回

4、路發(fā)生諧振時，=0 ,故回路的諧振頻率為：1f=GS1001該電路諧振時的特點是，回路的阻抗最小且時，回路的電流最大且 I0 =;電感或電容兩端的電壓最大，且是信 號電壓的Z0 = R;信號電壓一定Q倍。Q的定義為:a0 _1R nj0RCQQ叫回路的品質(zhì)因數(shù)。下面我們重點討論 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LCO.-O圖 ZL004i.cgJS諧振曲我GS1002Jo J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 =利用上式可畫出圖GS1003Z1004的幅頻特性曲線（即諧振曲線）。從曲線 看出：

5、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+f02f/ A CZ+Xmc/HAT九 /上式代入式 GS1003=1可得GS1004J_B表示，ftrGS1005通頻帶越寬，Q值越高，通頻帶越窄。滿足a?。海?.707）的頻率認為可以通過回路，通過回路的頻率范圍 稱通頻帶，通頻帶的寬度用因； 貝 U B = 2 f =由此可見：Q值越低，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)Kr來表示，如圖 Z1004所示，Kr定義為a下降到0.1時的頻寬 B0.1與a下降到0.7時頻寬B0.7 的比值，即GS1006疋=魚R、L、C串聯(lián)回路的矩形系數(shù)為：Ji

6、ot -1A 一 Jitr - i =仙理想矩形系數(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ftI：并聯(lián)諧扳回路丿圖Z1005為一 LC并聯(lián)諧振回路，其中R為線圈的損耗 電阻。該回路的阻抗GS10072=竿該回路的諧振頻率為fO=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 =r ；諧振阻抗為感抗或容抗的Q倍, 即 ZO=Q OL=Q 3C。凡-麗_ 1匡丄_ RC式中Q=一般Q遠大于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，wL R, f+fO

7、 2,式GS1007可整理成L 1Z=-回路電壓電壓幅頻特性:GS10O8其表達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= 2Af = Q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系數(shù)Kr二9.96，即選擇性也較差，但這種電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，常用于接收機的中頻放大電 路之中。輸入回路輸人回路是收音機的大門，從廣播電臺傳來的高頻信號 到達收音機，首先碰到的是輸入回路。常用的晶體管收音機 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

8、 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f0=（可變電容在某位置時）相同，貝恠回路中產(chǎn)生諧振，回路電流最大，在線圈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

9、管收音機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 機獲得較好的靈敏度和選擇性。一般 L1取6080圈，L2為L1的1/10左 右。圖 zioos晶體管收音機輸入回腐柯磁性天線的方向性磁性天線有較強的 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

10、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。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,fmax= 1605 kH z，fm in = 535 kHz，1605故Kf= = 3可變電容C1的變化范圍要滿足此要求，即使fm in=,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N1/N2= * / （其中N1、N2分別為 L1、L2的匝數(shù)，Z0為輸入回路的諧振阻抗，ri為晶體 管的輸入阻

11、抗）。適當(dāng)?shù)剡x擇 L1、L2的匝數(shù)即可滿足要求。統(tǒng)調(diào)超外差式收音機的主要特點之一，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； 個是本機振蕩回路，調(diào)節(jié)這個回路可以改變本機振蕩的頻率f圖 E1D06血中茨調(diào)鑿回略 （中叛途擇L;另一個是中頻選頻回路，它 調(diào)諧于固定的中頻fP （465kH z）。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

12、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：GS100?GS1010KL=1605+465= 久s535+465=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

13、它們的差頻保持或逼近中頻fP= 465kHz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 kHz，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)原理進行分析。我們知道輸入回路和本振回路的諧振頻率分別為：爐一UIGS1011=2熬車H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

14、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B有如下關(guān)系：1運=a+ b BGS1012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：1_ ab 總 _GS1013,使 0=90時，兩者頻差恰好為可見頻率與轉(zhuǎn)角B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和直線CD所示fB特性，即fL、fs 與雙連可變電容器旋轉(zhuǎn)角度 B的關(guān)系曲 線。由于要求fL-fs= fP= 465kHz，所以L LvLS,從式 GS1013可知 a2

15、al、b2 bl。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（a2 al），斜率也較大（b2b1），所以直線 CD和直線AB不平行因此在0180的 任意角度9上, fL和fS的差都不會相同。彳465k Hz，貝U 9=0時，差頻小于465kHz,貝U 9=180時，差頻大于465kHz。若 能使本機振蕩頻率fL隨轉(zhuǎn)動角度9的變化曲線如圖中的EF （粉色線），則能 達到理想的跟蹤。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，

16、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），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

17、，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?。p連全部旋出），由于 CDZ C1 bmin，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)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 C

18、D變?yōu)镾形曲線，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的靈 敏度、選擇性和通頻帶等性 能指標起著極其重要的作 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，

19、它諧振于JFf1JTIt1廠1 /I 1亦童FJ J(JA調(diào)諧威大越的換車晴勺盤施大爲的誕卑骨性號故尤韶的罰辛待性團 Z1DD9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，對非諧振頻率信且 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，提高了收音機的選擇 性。由LC調(diào)諧回路特性 知，中頻選頻回路的通頻（b）等效電路%換。 低, 合,（a）電路g ZL010 LC井聯(lián)回路部分接入遷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

20、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 因為晶體管共射極電路輸入阻抗 輸出阻抗高，所以一般用變壓器耦 使前后級之間實現(xiàn)阻抗匹配。-般收音機采用兩級中放，有3個A 帶 B = f2- f1=，見圖中頻變壓器（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 同顏色標志，以示區(qū)別，所以不能互換使用。實際電路中常采用具有中間抽頭的并聯(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

21、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： 州如ZOB0 =（- ） 2ZAB0 =（ J ） 2ZAB0（式中N = N1 + 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Zobo等于沒有抽頭的諧振阻（與竺抗Zabo的倍。由于V 1,所以Zobo Zabo，適當(dāng)選擇變比可 取得所需求的Zobo，從而實現(xiàn)阻抗匹配。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，所以只能用在 要求不太高的收音機上。自動增益電路（AGC）* 8tLI圖zion

22、 日朋增益控制電路（mc）razion收音機接收強臺和弱臺信號時，信號場強 的變化是很大的，約在 0.1mV/ m100 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)特別嚴重）。為防止強信號阻塞 及對短波衰落，要求放大器的增益應(yīng)能隨信號 強弱而自動調(diào)整，以保持輸出相對穩(wěn)定。因此 一般收音機都設(shè)置自動增益控制（AGC） 路。圖Z1011是常用的AGC電路，它利用晶體管的電流放大系數(shù)B隨|c的大小而改變的特性（見圖Z1012 ），通過|C的調(diào)節(jié)，以達到控制增益的目的。控制信號取 自檢波器的直流輸出，被控對象是第一級中放管集電極電流。無信號時，T2的基極品管小電這時卩與“的黃系電流

23、由R3和R4+（ R7+Rd）/ Rw決定（Rd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，路|D2。由圖可見I D1在B點是對|b2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)輸入信號強時，檢波直流分量也大，有ID1 fTb2 JTC2眇,使T2增益大為下降，反之當(dāng)輸入信號較弱時，|D1分流作用小B下降很小，T2的增益也就下降很少。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

24、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弱的變化，有利于提高信號接收靈敏度，適用于衰落嚴重的短波。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 Q， C8 取 10 30 1F這種AGC電路的缺點是：當(dāng)外來信號很強時，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，超外差收音機具有以下幾個優(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

25、又不易引起自激。因此，收什機的靈敏度可以做得 很高； 由于增益較高，便于進行各種自動控制，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，可對中頻信號進行有效地放大，而將混進收音機的其它頻率信號抑制掉，從而提高了收音機的 選擇性。晶體管超外差收音機整機電路分析圖Z1013為常用典型七管超外差收音機電路，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Cla、C2和Li組成的輸入回路進行調(diào)諧，選出所需接收的電臺信號，通過互感耦合送入變頻管T1的基極。二、變頻級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、Cib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