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超外差式收音机的原理与调试
本章根据无线电广播和接收的基本过程阐述调制、解调、变频的工作原理和常用电路,然后综合运用前述各章的基本电路来分析超外差接收机的工作原理和典型电路。
1 无线电广播与接收
1.1 无线电波段划分
从电磁学的学习中知道,变化的磁场能激发变化的电场,变化的电场又在它周围更远的空间激发变化的磁场。无线电波就是由电场和磁场交替变化形成的电磁波,它以光速由近及远向外传播。
无线电广播中使用的无线电波频率范围从几十千赫到几十万兆赫,习惯上将它们划分为若干频段,由于一定的频率同一定的波长相对应,故频段也称为波段。表1.1给出无线电波波段的划分及主要应用。
无线电波在空间的传播速度是每秒30万公里,它的波长λ、 周期T、频率f和传播速度C之间关系为:
表1.1无线电波波段的划分及主要应用
波段名称 波长范围 频段名称 频率范围 主要用途
超长波 104~105m 甚低频VLF 30~3kHz 海上远距离通信
长波 103~104m 低频LF 300~30 kHz 电报
中波 2×102~103m 中频MF
kHz 调幅无线电广播
短波 50~200m 中高频IF 6~1.5MHz 电报、业余通讯、无线电广播
10~50m 高频HF 30~6 MHz 电报、业余通讯、无线电广播
短波 米波 1~10m 甚高频VHF 300~30 MHz 电视、业余通讯调幅无线电广播
分米波 1~10-1m 特高频UHF
MHz 电视、导航、雷达等
波 厘米波 10-1~10-2m 超高频SHF 3×104~3×103 MHz 电视、导航、雷达、卫星通信等
毫米波 10-3~10-2m 极高频EHF 3×105~3×104 MHz 雷达、通信、遥感、射电天文等
亚毫米波 10-3m以下 超级高频SEHF 3×105 MHz以上 无线电接力通讯
1.2 无线电波的传播
无线电波的传播是无线电通信的一个重要环节,下面简单介绍无线电波传播的基本方式和不同波段上电波传播的特点。
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超外差接收机中有一个振荡器叫本机振荡器。它产生的高频电磁波与所接收的高频信号混合而产生一个差频，这个差频就是中频。如要接收的信号是900KHZ.本振频率是1365KHZ.两频率混合后就可以产生一个465KHZ或者2265KHZ的差频。接收机中用LC电路选择465KHZ作为中频信号。超外差(superheterodyne)原是超声外差(supersonic heterodyne)的缩写[1]，并非指本振源频率比信号频率高。
1,对振荡频率的选取有要求；要求振荡器的振荡频率和幅度精度高，稳定性好;
2,本振频率中有锁相环，数字分频、数字鉴相器等电路，保证极高的稳定度,否则会产生本振频率漂移；
3,都有锁相环电路来保证本振频率的稳定度；
4,一般采用稳定性好的晶体振荡器；
5,振荡频率高，易起振,振频稳，振幅高,振荡特性好；
6,本振电路多采用体积小、可靠性高的单片大规模集成数字频率合成器；
7,每一级电源都应有0.1 μF或0.01 μF的旁路电容接地；
8,电源可数模分开供电，接地及屏蔽良好，本振输出端有带通滤波器，使本振输出杂波小。利用本地产生的振荡波与输入信号混频，将输入信号频率变换为某个预先确定的频率的方法。超外差原理最早是由E.H.阿姆斯特朗于1918年提出的。这种方法是为了适应远程通信对高频率、弱信号接收的需要，在外差原理的基础上发展而来的。外差方法是将输入信号频率变换为音频，而阿姆斯特朗提出的方法是将输入信号变换为超音频，所以称之为超外差。1919年利用超外差原理制成超外差接收机。这种接收方式的性能优于高频（直接）放大式接收，所以至今仍广泛应用于远程信号的接收，并且已推广应用到测量技术等方面。超外差原理如图1。本地振荡器产生频率为f1的等幅正弦信号，输入信号是一中心频率为fc的已调制频超外差带有限信号,通常f1&fc。这两个信号在中变频，输出为差频分量,称为中频信号，fi=f1-fc为中频频率。图2表示输入为调幅信号的频谱和波形图。输出的中频信号除中心频率由fc变换到fi外，其频谱结构与输入信号相同。因此，中频信号保留了输入信号的全部有用信息。
超外差原理的典型应用是超外差接收机（图3）。从天线接收的信号经高频放大器（见）放大，与本地振荡器产生的信号一起加入混频器变频，得到中频信号，再经中频放大、检波和低频放大，然后送给用户。接收机的工作频率范围往往很宽，在接收不同频率的输入信号时，可以用改变本地振荡频率f1的方法使混频后的中频fi保持为固定的数值。
接收机的输入信号uc往往十分微弱（一般为几微伏至几百微伏），而需要有足够大的输入信号才能正常工作。因此需要有足够大的高频增益把uc放大。早期的接收机采用多级高频放大器来放大接收信号，称为高频放大式接收机。后来广泛采用的是超外差接收机,主要依靠频率固定的中频放大器放大信号。
和高频放大式接收机相比，超外差接收机具有一些突出的优点。
①　容易得到足够大而且比较稳定的放大量。
②　具有较高的选择性和较好的频率特性。这是因为中频频率fi是固定的，所以中频放大器的负载可以采用比较复杂、但性能较好的有源或无源网络，也可以采用固体滤波器，如陶瓷滤波器（见）、声表面波滤波器（见）等。
③　容易调整。除了混频器之前的天线回路和高频放大器的调谐回路需要与本地振荡器的谐振回路统一调谐之外，中频放大器的负载回路或滤波器是固定的，在接收不同频率的输入信号时不需再调整。 超外差接收机的主要缺点是电路比较复杂，同时也存在着一些特殊的干扰，如像频干扰、组合频率干扰和中频干扰等(见)。例如，当接收频率为fc的信号时，如果有一个频率为f婞=f1+fi的信号也加到混频器的输入端，经混频后也能产生|f1-f婞|=fi的中频信号,形成对原来的接收信号fc的干扰，这就是像频干扰。解决这个问题的办法是提高高频放大器的选择性，尽量把由天线接收到的像频干扰信号滤掉。另一种办法是采用二次变频方式。
二次变频超外差接收机的框图如图4。第一中频频率选得较高，使像频干扰信号的中心频率与有用输入信号uc的中心频率差别较大，使像频信号在高频放大器中受到显著的衰减。第二中频频率选得较低，使第二中频放大器有较高的增益和较好的选择性。
随着集成电路技术的发展，超外差接收机已经可以单片集成。例如，有一种单片式调幅-调频（AM/FM）接收机，它的AM/FM高频放大器、本地振荡器、 混频器、AM/FM中频放大器、AM/FM检波器、音频功率放大器以及(AGC)、(AFC)、调谐指示电路等(共700个元件)均集成在一个面积为2.4×3.1毫米2芯片上，它的工作电压范围为1.8～9伏，工作于调幅与调频方式的静态电流分别为3毫安和5毫安。所谓外差式和超外差式实际是相同原理，许多人认为本振高于射频称为外差，射频高于本振称为超外差，实际上他们都属于超外差，分别叫做本振上注入式（high-side injection）超外差，和本振下注入式（low-side injection）超外差。
外差和超外差真正区别是超外差式采用了一个可调射频前端滤波器，混频器，稳定的本振，固定中频滤波器。外差式试图将以上器件在一级中完成，形成了一个不稳定的放大器。超外差
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河南理工大学 高频电子课设―高频超外差式调幅接收机的制作和调试61
通信基本电路课程；设计报告；设计题目：高频超外差式调幅接收机的制作和调试；专业班级：；学号：；姓名：；指导教师：教师评分：做好事从来不留名….学弟们加；目录；摘要......................；一、设计任务与要求...............；1.1设计任务.................；1.2设计要求.................；二
通信基本电路课程设计报告设计题目：高频超外差式调幅接收机的制作和调试 专 业 班 级：学
名：指 导 教 师：
教 师 评 分： 做好事从来不留名….学弟们加油… 目
要 ...................................................................................................... 4一、设计任务与要求 ................................................................................. 51.1设计任务 ...................................................................................... 51.2设计要求 ...................................................................................... 5二、总体方案 ............................................................................................ 62.1系统方案实现 ............................................................................... 62.2主要技术指标 ............................................................................... 6三、设计内容 ............................................................................................ 83.1电路原理图 ................................................................................... 83.2工作原理分析 ............................................................................... 83.2.1、输入调谐电路 .................................................................. 83.2.2、变频电路.......................................................................... 93.2.3、中频放大电路 ................................................................ 103.2.4、检波和自动增益控制电路............................................... 103.2.5、前置低放电路 ................................................................ 113.2.6、功率放大器(OTL电路) ................................................... 113.3仿真结果与分析 .......................................................................... 133.3.1仿真模拟 .......................................................................... 133.3.2测试静态工作点 ............................................................... 13四、心得体会 .......................................................................................... 18参考文献 ................................................................................................. 19 摘
要随着科学技术的发展，调频收音机的应用十分广泛，尤其消费类占有相当的市场 。从分离元件组成的收音机到由集成电路组成的收音机，调频收音机技术已达到十分成熟的地步。在众多种收音机中，调频收音机以较高的技术含量和较高的音质得到了广泛的欢迎。 调频发射机也以其良好的发射效果而被广泛应用。超外差收音机，首先把接收到不同频率的电台信号，都变成固定的中频信号(我国规定中频信号是465kHZ)，由中频放大器进行放大,然后进行检波，这样就克服了直放式收音机在接收不同频率的时候灵敏度不均匀的缺点。而且固定频率的中频信号既便于放大又便于调谐因此超外差式收音机具有灵敏度高、选择性好的特点。广播方式从调幅(AM)广播时代开始，经历了调频(FM)广播、调频立体声(FM
STEREO)广播、数字音频广播(DAB)等阶段。目前，科学家正研究短波段的数字广播(DRM)。本论文主要介绍了利用分立元件组成的FM收音机设计全过程，包括电路各个模块参数的计算，电路各个模块的分析，电路板的焊接过程、调试过程，讨论了在设计过程中遇到的问题以及如何解决问题。本次课程设计成果，基本上满足要求，性能指标符合。FM收音机电路的缺点是伴有音质噪声，需进一步改进。 关键词：AM收音机、仿真、调试一、设计任务与要求1.1设计任务本学期学习了《高频电子线路》这门课程，对无线电通信的理论知识有了进一步的理解和认识。这次课程设计可以通过实践来考察理论知识的掌握情况，同时也能加深对理论知识的理解，提高设计能力。通过对一只正规产品收音机的拆卸、安装、仿真调试、了解电子产品的装配全过程，训练动手能力，掌握元器件的识别，简易测试，及整机调试工艺。1、掌握HX108-2 七管半导体收音机各功能模块的基本工作原理；2、掌握调幅接收系统的调试过程及故障排除；3、 通过对收音机的拆卸、安装及仿真调试，了解电子产品的生产制作过程；4、分析仿真和现实的差距，解决实际问题；5、了解如何利用工艺文件独立进行整机的装焊和调试，并达到产品质量要求。1.2设计要求1、分析调幅接收系统各功能模块的工作原理。2、仿真调试及仿真测量结果。3、可在此基础上进行创新设计，如改善系统性能。 包含各类专业文献、高等教育、各类资格考试、外语学习资料、行业资料、中学教育、河南理工大学 高频电子课设―高频超外差式调幅接收机的制作和调试61等内容。　
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16超外差式调幅接收机课程设计-2
2、混频器；混频器是一个变频电路，一般用相乘器，高频放大电路；是一种典型的频谱搬移电路，可用相乘器和带通滤波器；混频电路的原理是：把本机振荡产生的高频等幅振荡信；的广播电台的高频已调波信号f2同时加到非线性元件；用（晶体管的非线性作用）进行混频；在设计中采用晶体三极管混频器，晶体三极管环型混频；图3混频电路；图4混频仿真结果；图5混频仿真结果；3、本地振荡器
2、混频器混频器是一个变频电路，一般用相乘器，高频放大电路和本地振荡电路的输出信号加到混频器的输入端，得到一个差频。调谐回路的输出，进入混频级的是高频调制信号，即载波与其携带的调制信号。经过混频，输出载波的波形变得很稀疏其频率降低了，但音频信号的形状没有变。通常将这个过程 ( 混濒和本振的作用 ) 叫做变频。从频谱观点上来看，混频的作用就是将已调波的频谱不失真的从fc的位置上，因此，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。混频电路的原理是：把本机振荡产生的高频等幅振荡信号f1，与输入回路选择出来的广播电台的高频已调波信号f2同时加到非线性元件的输入端。利用元件的非线性作用（晶体管的非线性作用）进行混频。混频结果：输出频率为f1、f2以及频率为f1+ f2、f1－f2、……高次谐波等多种信号。在设计中采用晶体三极管混频器，晶体三极管环型混频器的优点是工作频带宽，可达到几千兆赫，噪声系数低，混频失真小，动态范围等，但其主要缺点就是没有混频增益。由于混频器处于接收机的前端，它的噪声电平高低对整机有较大的影响，因此要求混频器的噪声系数越小越好。由于混频依靠非线性特性来完成，因此在混频过程中会产生各种非线性干扰，如组合频率，交叉调制，互相调制等干扰。这些干扰将会严重的影响通信质量，因此要求混频电路对此应能有效的抑制。 图3混频电路 图4混频仿真结果 图5混频仿真结果3、本地振荡器本振电路采用改进型电容三点式振荡电路。因为本振电路的输出频率要与高频放大电路的输出信号进行混频，得到一个中频信号。所以要求本振电路的输出频率必须很稳定。所以采用石英晶体振荡器。如果本振电路的输出不稳定，将引起变频器输出信号的大小改变，振荡频率的漂移将使中频改变。振荡器的振幅与振荡管的特性以及反馈电路的特性有关。 图6本地振荡器电路 图7本地振荡器信号仿真结果4、中频放大器超外差接收机中的中频放大器是一种频带较宽的谐振放大器。中频放大器采用谐振回路作负载，其谐振曲线接近理想曲线―矩形处。这对超外差接收机的中放来说是完全必要的，因中放任务之一是削弱邻近干扰，而邻近干扰频率离信号很近，变频之后，离中频放大器就很近，若中放的谐振曲线不好，便难以削弱。中频放大的作用有两个主要作用：（1）提高增益，因中频低于信号频率，晶体管的y参数及回路谐振电阻等较大，因此易于获得较高的增益。差外差接收机检波前的总增益主要取决于中放。（2）抑制邻近干扰。对中放的主要求是工作稳定，失真小，增益高，选择性好，有足够宽的通频带。对于高放，因工作频率f0高，通频带B?f0/QL宽，故高放回路的Q值越高越好，这时不必顾虑B太窄的问题；但对于中放，由于工作频率较低，若回路Q值过高，频带可能太窄而不能通过全部信号分量，故希望他在要求的通频带条件下选择性越高越好，也就是要求谐振曲线接近矩形。实际谐振曲线很难做到理想矩形，为了衡量实际谐振曲线接近矩形的程度，引入矩形系数kr?2?f0.1，式中2?f0.707为通频带。2?f0.707 图8中频放大电路
图9中频放大仿真结果 5、包络检波器把信号从中频放大输出的载波中解调出来，需要用到检波电路。检波器包括同步检波器和包络检波器。本次设计采用包络检波器。包络检波器的质量指标是：电压传输系数、等效输入电阻、失真等都要在电路中仿真中考虑。 图10检波电路包含各类专业文献、中学教育、行业资料、外语学习资料、生活休闲娱乐、幼儿教育、小学教育、文学作品欣赏、16超外差式调幅接收机课程设计等内容。　
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