超外差收音机原理详解.docx

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超外差收音机原理详解

超外差收音机原理详解

超外差收音机方框图

    超外差收音机电路组成方框图如图Z1002所示。

它主要由输入回路、变频级、中放级、检波级、低放级（前置或推动级）和功放级及电源等部分组成。

    超外差收音机的主要工作特点是:

采用了"变频"措施。

输入回路从天线接收到的信号中选出某电台的信号后，送入变频级，将高频已调制信号的载频降低成一固定的中频（对各电台信号均相同），然后经中频放大、检波、低放等一系列处理，最后推动扬声器发出声音。

    这一"变频"措施，是超外差收音机性能得以改善的关键，也是分析超外差收音机"重点"。

超外差收音机性能指标

    收音机质量的高低是用其性能指标来衡量的。

国家标准中规定的指标很多，我们就其重要的几项作一介绍。

    1.灵敏度　收音机正常工作（即输出功率和输出信噪比达到额定值）时，天线上感应的最小信号（场强或电势）称为灵敏度。

它反映收音机接收微弱信号的能力。

使用磁性天线接收信号时，用电场强度来表示，其单位是mV／m，一般中波段收音机的灵敏度应不劣于2mV／m；使用外接天线或拉杆天线时，灵敏度用电势表示，单位是μV。

    2.选择性 收音机抑制邻近电台信号干扰、选择有用信号的能力称为选择性。

它反映收音机选择电台的能力。

    调幅广播电台的中心频率是按9kHz间隔来分布的，故收音机的选择性通常用输入信号失谐±9kHz时，灵敏度的衰减程度来衡量，一般要求收音机的选择性大于20ｄB。

    3.失真度 收音机输出波形与输入波形相比失真的程度称为失真度。

收音机中对音质有影响的主要是频率失真和非线性失真。

    4.波段覆盖范围 收音机所能接收的载波频率范围。

调幅收音机的中波段频率范围为535～1605kHz，而短波范围则为1.6─26 MHz，调频收音机的覆盖范围为88─108 MHz。

LC串联谐振回路

LC谐振回路

    LC谐振回路广泛地用于超外差收音机的选频电路之中，如输入回路、变频电路、

中频电路等。

故在分析超外差收音机的工作原理之前，我们先复习一下LC 谐振回路的性能及特点。

    图Z1003为一LC串联谐振电路，其中R表示线圈L的损耗电阻。

该电路的交流阻抗为

Z=R+j（

），当回路发生谐振时，

=0，故回路的谐振频率为：

      f0=

      GS1001

    该电路谐振时的特点是，回路的阻抗最小且Z0＝R；信号电压一定时，回路的电流最大且I0＝

；电感或电容两端的电压最大，且是信号电压的Q倍。

Q的定义为：

      Q＝

 。

Q叫回路的品质因数。

下面我们重点讨论LC串联电路的幅频特性、通频带和选择性。

    1.回路电流的幅频特性

    由图Z1003知，该电路的电流

为方便起见，通常用电流的相对比值（称归一化）来表示串联回路统调

    超外差式收音机的主要特点之一，是它有一个变频级。

变频级里有3个调谐回路，如图Z1006所示。

一个是信号输入回路,调节这个回路可以选择不同电台的信号频率fs；一个是本机振荡回路，调节这个回路可以改变本机振荡的频率fL；

另一个是中频选频回路，它调谐于固定的中频fP（465kHz）。

他们之间的关系是:

fL- fs=fP,当接受的信号频率改变时，则fL也得相应的改变，才能保证上面的条件。

通常改变fL和 fs是用改变回路电容量来实现的。

为了简化调谐过程，通常是把两个回路的可变电容的动片连再同一轴上，作成单一旋钮统一控制。

这种统一调节C1a和C1b使变频级输出信号频率保持或逼近中频fP的过程叫统一调谐。

简称统调，也称跟踪调谐。

实践证明，要在整个波段内做到严格地跟踪调谐是困难的。

由于输入回路和本振回路

的频率覆盖系数分别为：

例如对中波段（535～1605KHz）

      KS=

=3       　　KL=

=2.07 

    比较两式可知,两个回路在同一波段内的频率覆盖系数不相等，即它们分别从最低频率变到最高频率时所要求的可变电容变化量不相同。

但C1a和C1b实际上是等容同轴的，这就造成了跟踪调谐的困难,即很难做到在整个频率范围内都能相差固定的中频fP.常用的跟踪统调方法是调节本振回路去凑合输入回路，使它们的差频保持或逼近中频fP＝465kHz就可以了。

   目前，广泛采用同轴等容双连可变电容器，并在本振回路中串联和并联电容器的方法，由于这种方法需要附加电容，所以又叫附加电容法。

这样就可在整个波段内达到低端、中端和高端三点上满足fL- fs=fP的要求（即三点跟踪），在波段内的其他频率上，也就可以近似地实现跟踪了。

例如，中波段的3个统调点是低端600 kHz，中端1000 kHz，高端1500kHz。

    下面以直线频率式双连电容器为例，对三点统调原理进行分析。

    我们知道输入回路和本振回路的谐振频率分别为：

式中LS和LL分别为输入回路和本振回路的电感，C为直线频率式等容双连可变电容器的电容量。

    直线频率式等容双连电容器的电容与转动角θ有如下关系：

＝a+ｂθ GS1012

式中a、b是与电容器的几何尺寸有关的常数。

将GS1012式代入GS1011式，则图B1001中的输入回路和本振回路的谐振频率分别为：

    可见频率与转角θ有直线关系，这就是直线频率式可变电容器名称的由来。

根据式GS1013可以作出如图Z1007中直线AB和直线CD所示f～θ特性，

即fL、fs与双连可变电容器旋转角度θ的关系曲线。

    由于要求fL-fs＝fP＝465kHz，所以LL＜LS，从式GS1013可知a2＞a1、b2＞b1。

从图Z1007中可见，由于CD直线较之AB直线在频率轴上的截距大（a2＞a1），斜率也较大（b2＞b1），所以直线CD和直线AB不平行因此在0～180°的任意角度θ上，fL和fS的差都不会相同。

例如，使θ=90°时，两者频差恰好为465kＨz，则θ=0°时，差频小于465kHz,则θ=180°时，差频大于465kHz。

若能使本机振荡频率fL随转动角度θ的变化曲线如图中的EF（粉色线），则能达到理想的跟踪。

然而，在任意角度时，要求fP=fL-fS=465kHz，实际上是办不到的。

不过，若在本振回路中增加两个附加电容Cb和CDZ，如图Z1006所示，就可以显著的改善统调跟踪特性。

    在图Z1006中，并联在振荡回路里的电容Cb，称为补偿电容，它的容量较小，与C1bmin近似。

当本振回路调谐在fLmin时，电容C1b的值最大（双连电容动片全部旋进），此时，C1bmax＞＞Cb,所以,Cb对本振回路的低端频率几乎没有影响但随着双连可变电容器动片旋出，本振回路频率随着升高，Cb的影响就逐渐显著。

由于Cb和C1b是并联的，则高端频率将大为减小。

所以在波段的高频端，Cb对回路的影响最大。

若Cb的数值选得适当（Cb为半可变电容，可以调节大小），则由于Cb的作用使本振回路的频率不再随C1b的减小而沿CD直线上升，而是在上升中逐渐减慢，使得高频端跟踪曲线弯曲下移，接近于理想的跟踪曲线EF，并与其相交于一点f3，如图Z1007所示。

    串联在振荡回路里的电容CDZ叫做垫整电容，它的容量较大，与C1bmax相近，当本振频率最高时，C1b的值最小（双连全部旋出），由于CDZ＞＞C1bmin，所以CDZ对本振高端频率几乎没有影响。

但当本振频率逐渐下降对，CDZ的影响就逐渐显著。

由于CDZ和C1bmin是串联的，则总的回路电容下降，所以本振低端频率将有所上升，其结果本振频率不再随C1b的增大而沿直线CD下降。

若CDZ选得适当，则可使低端跟踪曲线向上提升变弯，接近于理想跟踪曲线EF，并与其相交于一点f1。

    这样，本振回路经过附加电容CDZ、Cb的补偿以后，它的跟踪曲线由直线CD变为"S"形曲线，在f1、f2、f3三点实现了跟踪调谐。

在其他频率上，虽不能完全实现跟踪调谐，但跟踪情况大有改善，已能满足变频的要求，如图Z1007中红色线所示

中频放大电路

    中频放大电路的任务是把变频得到的中频信号加以放大，然后送到检波器检波。

中频放大电路对超外差收音机的灵敏度、选择性和通频带等性能指标起着极其重要的作用。

    图Z1008（a）是LC单调谐中频放大电路，图Z1008（b）为它的交流等效电路。

图中B1、B2为中频变压器，它们分别与C1、C2组成输入和输出选频网络，同时还起阻抗变换的作用，因此，中频变压器是中放电路的关键元件。

    中频变压器的初级线圈与电容组成LC并联谐振回路，它谐振于中频465kHz。

由于并联谐振回路对诣振频率的信号阻抗很大，对非谐振频率的信号阻抗较小。

所以中频信号在中频变压器的初级线圈上产生很大的压降，并且耦合到下一级放大，对非谐振频率信号压降很小，几乎被短路（通常说它只能通过中频信号），从而完成选频作用，提高了收音机的选择性。

    由LC调谐回路特性知，中频选频回路的通频带B＝f2- f1＝

，见图Z1009。

式中QL是回路的有载品质因数。

QL值愈高，选择性愈好，通频带愈窄；反之,通频带愈宽，选择性愈差。

    中频变压器的另一作用是阻抗变换。

因为晶体管共射极电路输入阻抗低，输出阻抗高，所以一般用变压器耦合，使前后级之间实现阻抗匹配。

    一般收音机采用两级中放，有3个中频变压器（常称中周）。

第一个中频变压器要求有较好的选择性，第二个中频变压器要求有适当的通频带和选择性，第三个中频变压器要求有足够的通频带和电压传输系数，由于各中频变压器的要求不同，匝数比不一样，通常磁帽用不同颜色标志，以示区别，所以不能互换使用。

    实际电路中常采用具有中间抽头的并联谐振回路,如图Z1010（a）所示。

（b）是它的等效电路，

可以看出，它是由两个阻抗性质不同的支路组成。

由于L1、L2都绕在同一磁芯上，实际上是一个自耦变压器。

    利用变压器的阻抗变换关系，可求得等效谐振电路的谐振阻抗：

ZOB0＝（

）2ZAB0＝（

）2ZAB0

（式中N＝N1＋N2为电感线圈的总匝数）。

    即具有抽头并联谐振电路的谐振阻抗ZOB0等于没有抽头的谐振阻抗ZAB0的

倍。

由于

＜1，所以ZOB0＜ZAB0，适当选择变比可取得所需求的ZOB0，从而实现阻抗匹配。

    上述中放电路结构简单，回路损耗小，调试方便，所以应用广泛。

但很难同时满足选择性和通频带两方面的要求，所以只能用在要求不太高的收音机上。

自动增益电路（AGC）

    收音机接收强台和弱台信号时，信号场强的变化是很大的，

约在0.1mV／m～100mV／m范围内（因电离层变化也会引起信号变化，这在短波段内特别严重）。

为防止强信号阻塞及对短波衰落，要求放大器的增益应能随信号强弱而自动调整，以保持输出相对稳定。

因此一般收音机都设置自动增益控制（AGC）电路。

    图Z1011是常用的AGC电路，它利用晶体管的电流放大系数β随IC的大小而改变的特性（见图Z1012），通过IC的调节，以达到控制增益的目的。

控制信号取自检波器的直流输出，被控对象是第一级中放管集电极电流。

无信号时，T2的基极电流由R3和R4+（R7+RD）∥RW决定（RD是D3的正向电阻）。

当有信号输入时，检波输出的中频成分由　C12、R7、C13 网络滤除，音频成分一路经 W1、C14 送入低放级；另一部分R4、C8滤除。

根据D3的极性，检波后的直流成分在A点可看作是两路汇集处，

一路 ID1，一路 ID2。

由图可见 ID1在B点是对Ib2分流的，总使T2基流减小，从而使T2集电极电流减小，增益下降。

当输入信号强时,检波直流分量也大,有ID1↑→Ib2↓→IC2↓→β↓,使T2增益大为下降，反之当输入信号较弱时，ID1分流作用小β下降很小，T2的增益也就下降很少。

这就起到了自动增益控制的作用。

    R4、C8除音频滤波外，还影响着控制作用的速度。

滤波电路时间常数取得小些，控制信号能迅速跟踪输入信号强弱的变化，有利于提高信号接收灵敏度，适用于衰落严重的短波。

但过小就会有残留的音频成分，引起失真或自激啸叫，一般R4取5～10kΩ，C8取10～30μF。

    这种AGC电路的缺点是：

当外来信号很强时，受控管可能因被控而截止，使中放电路处于乙类放大状态，会产生严重失真。

同时，由于受控基流过小，输入阻抗较高，这个阻抗使前级输出回路负载阻抗增大，Q值增加，通频带变窄。

但由于这种电路简单，效果尚好，仍被广泛采用。

    经过前面的讨论,可以看出，超外差收音机具有以下几个优点：

    ①由于变频后的固定中频频率较低，容易获得较高的增益，且工作稳定又不易引起自激。

因此，收什机的灵敏度可以做得很高；

    ②由于增益较高，便于进行各种自动控制，使在整个接收范围内的高端和低端的灵敏度比较均匀；

    ③由于中放级的选频作用，可对中频信号进行有效地放大，而将混进收音机的其它频率信号抑制掉，从而提高了收音机的选择性。

晶体管超外差收音机整机电路分析

    图Z1013为常用典型七管超外差收音机电路，它主要由输入回路、变频级、中放级、检波级、低放级、功率输出级和AGC电路组成。

    一、输入回路

    从磁性天线感应的调幅信号送入C1a、C2和L1组成的输入回路进行调谐，选出所需接收的电台信号，通过互感耦合送入变频管T1的基极。

    二、变频级

    变频级是由一只晶体管T1同时起本振和混频作用的自激式变频电路。

本振回路由L2、C7、C5、C1b组成，它是互感耦合共基调射式的LC振荡电路。

L2抽头是为了减小晶体管的输入阻抗对振荡回路的影响。

本振信号通过耦合电容C4从T1的射极注入，它与输入回路耦合到T1管基极的高频调幅信号在T1管中混频，由集电极调谐回路（中周）选出二者的差频即465kHz的中频信号，然后再将中频信号送入中放电路去放大。

    为了提高电路的稳定性，兼顾变频和振荡性能，静态工作电流一般取为0.3～0.4mA。

为了保证在电源电压降低时，本机振荡仍能稳定工作，变频级基极偏置电路采用了相应的稳压措施，即利用两只硅二极管D1、D2进行稳压（1.4V左右）。

    三、中放级

    中放级由T2、T3组成两级单调谐中频选频放大电路。

各中频变压器均调谐于465kHz的中频频率上，以提高整机的灵敏度、选择性和减小失真。

第一级中放（T2）加有自动增益控制，以使强、弱台信号得以均衡，维持输出稳定。

中放管采用了硅管，其温度稳定性较好，所以采用了固定偏置电路。

T2管因加有自动增益控制，静态电流不宜过大，一般取0.2～0.6mA；T3管主要要提高增益，以提供检波级所必须的功率，故静态电流取得较大些在0.5～0.8mA范围。

为了有效地抑制强信号中放级还加了二极管D3作为强信号阻尼二次AGC控制。

    四、检波级

    经中频放大级放大了的中频信号，由中频变压器送至检波二极管D4进行检波。

检波后的残余中频及高次谐波由C14C13和R8组成的RCπ型滤波电路予以滤除。

音频信号由C15耦合到低放级去放大。

电位器Rw是音量调节电位器兼作电源开关。

检波后的直流成分经R4、C8组成的退耦电路送到T2的基极作为AGC控制之用。

    五、低放级与功率输出级

    T4为低频放大级，接成固定偏置电路，工作电流一般取0.5～1mA范围。

    功放输出级为典型的OTL电路，由T5、T6和T7等组成。

其中T5为激励级，T6、T7为互补推挽输出级。

R15、R16为激励级T5的偏置电阻；R18使T6、T7两管基极保持固定的电位差，改变R18可改变输出级的静态工作点。

输出级工作电流一般取1.5～5mA范围。

C16为交流负反馈电容，C19为输出电容，C12、R14、C20为电源去耦电路的电容、电阻。

另外，输出级T6、T7的中点电位（3v）可由R16来调节。