《电子产品制造工艺》-第七章　 广播系统及收音机原理

第七章广播系统及收音机原理７.１声音及传播７.２有线广播７.３无线广播７.４超外差式收音机组成７.５七管超外差式收音机组成原理返回７.１声音及传播７.１.１声音声音是由物体的机械振动产生的。能发声的物体叫作声源。声源振动的频率有高、有低，这里所说的频率指的是声源每秒振动的次数。人耳能听到的声音频率范围为２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ，通常把这一范围的频率，叫作音频，有时也称为声频。声音三要素：音量、音调、音色。下一页返回７.１声音及传播音量是人耳对声音强弱的主观感觉。音量又称响度，跟声源的振幅以及人距离声源的远近有关。物体在振动时偏离原来位置的最大距离叫振幅。例如橡皮筋的振幅越大，人们听到的声音越大。音量与振幅的关系是：振幅越大，响度越大；振幅越小，响度越小。响度还跟距离发声体的远近有关系，声音是从发声体向四面八方传播的，越到远处越分散，所以人们距发声体越远，听到的声音越小。如果能够想办法减小声音的分散，就可以使声音响度更大些，如听诊器就是利用这个原理来增大响度的。音调是指声音的高低。音调取决于声源振动的频率。物体在１ｓ内振动的次数叫频率。其单位是赫兹，简称赫，符号为Ｈｚ。物体振动得越快，频率越大。音调跟发声体振动的频率关系是：频率越大，音调越高；频率越小，音调越低。上一页下一页返回７.１声音及传播声音的品质称为音色。音色主要与发声体的材料、结构、发声方式等因素有关。不同的发声体发出的声音音色一般不同。胡琴、钢琴、吉他、笛子等乐器发出的声音，即使音调、响度都相同，我们也可以分辨出来，可见乐音除了音调和响度这两个特征外，另外还有一个特征，这第三个特征叫作音色。我们能够分辨出各种不同乐器的声音，就是由于它们的音色不同。人的声音的音色也因人而异，所以我们闭着眼也能听出是哪位熟人在讲话。上一页下一页返回７.１声音及传播７.１.２声音的传播声音的传播需要介质，真空不能传声，声音要靠气体、液体、固体做媒介传播出去，这些作为传播媒介的物质称为介质。如登上月球的宇航员即使面对面交谈，也需要靠无线电，那就是因为月球上没有空气，真空不能传声，声音在不同介质中传播速度不同。在声波传播的过程中，由于空气的阻尼作用，声音的大小将随着传播距离的增大而减小，所以声音不能直接向很远的地方传送。上一页返回７.２有线广播有线广播是利用金属导线或光导纤维所组成的传输分配网络，将广播节目直接传送给用户接收设备的区域性广播。２０世纪７０—８０年代，乡镇就采用过有线广播的形式来进行广播。声音可以用有线广播的方式进行传送，有线广播的传送方式如图７.１所示。图７.１中，声音首先经过传声器变成音频信号，然后送入音频放大器对音频信号进行电压放大和功率放大，经过放大后的音频信号再经导线送入扬声器，还原成声音放出。有线广播有较好的音质，但需要有线接入，成本高、使用不方便，而无线广播克服了这一缺点。返回７.３无线广播７.３.１电磁波与无线电波电磁波是电磁场的一种运动形态。通过物理学的电磁现象可以知道，在通入交流变化电流的导体周围会产生交流变化的磁场，交流变化的磁场在其周围又会感应出交流变化的电场；交流变化的电场又在其周围产生交流变化的磁场，这种变化的磁场与变化的电场不断交替产生并不断向周围空间传播，这就是电磁波，也常称为无线电波。从物理的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。我们常见的可见光以及看不见的红外线、远红外线、紫外线、各种射线及无线电波都是频率不同的电磁波，无线电波只是电磁波中的小部分。下一页返回７.３无线广播电磁波频率低时，主要借有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时既可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。电磁波的频率越高，越容易辐射出去；理论和实践证明，当天线的长度为无线电信号波长的１／４时，天线的发射和接收转换效率最高。上一页下一页返回７.３无线广播电磁波的传播距离、频率和波长的关系为Ｃ＝λｆ电磁波的频率越高，波长越短，穿透能力越强，但跨越障碍物的能力越弱，电磁波的传播速度约等于光速（３０００００ｋｍ／ｓ）。电磁波的频率范围很宽，不同频率的电磁波的特性是不同的。电磁波按其频率（或波长）的不同可划分为若干个波段，各波段的名称及频率范围见表７.１。一般常把分米波和米波合称为超短波，把波长小于３０ｃｍ的分米波和厘米波合称为微波。电磁波的发送和接收如图７.２所示。广播电台用发射器把声音转换成电磁波发送出去，再由中继台传到更远的地方，最后接收机接收到该台的信号，还原成声音。上一页下一页返回７.３无线广播７.３.２无线电波的发送无线电广播的发送是利用无线电波将音频信号向远方传播。音频信号的频率很低，通常在２０～２００００Ｈｚ的范围内，属于低频信号。低频无线电波如果直接向外发射时，需要足够长的天线，而且能量损耗也很大。所以，实际上音频信号是不能直接由天线来发射的。无线电广播是利用高频的无线电波作为“运输工具”，首先把所需传送的音频信号“装载”到高频信号上，然后再由发射天线发送出去。上一页下一页返回７.３无线广播在无线电广播的发射过程中，声音信号经声音传感器（麦克风）转换为音频信号并送入音频放大器，音频信号在音频放大器中得到放大，被放大后的音频信号作为调制信号被送入调制器。高频振荡器产生等幅的高频信号，高频信号作为载波也被送入调制器。在调制器中，调制信号对载波进行幅度（或频率）调制，形成调幅波（或调频波），调幅波和调频波统称为已调波。已调波再被送入高频功率放大器，经高频功率放大器放大后送入发射天线，向空间发射出去，如图７.３所示。上一页下一页返回７.３无线广播７.３.３无线电波的调制一个正弦波高频信号有幅度、频率和相位三个主要参数，调制就是使高频信号的三个主要参数之一随音频信号的变化规律而变化的过程，即调幅制（ＡＭ）、调频制（ＦＭ）、调相制（ＰＭ）。其中，高频信号称为载波，音频信号称为调制信号，调制后的信号称为已调波。在无线电广播中，一般采用调幅制或调频制。调幅广播有长波、中波和短波三个波段，长波的频率范围为１５０～４１５ｋＨｚ，中波为５２５～１６０５ｋＨｚ，短波为１.６～２６.１ＭＨｚ。调频波段都在超高频（ＶＨＦ）波段，国际上规定为８７～１０８ＭＨｚ。上一页下一页返回７.３无线广播１.调幅制调幅制是指使高频载波的幅度随音频信号的变化规律而变化，而高频载波的频率和相位不变。调幅制无线电广播分为长波、中波和短波三个大波段，分别由相应波段的无线电波传送信号。我国只有中波和短波两个大波段的无线电广播。中波广播使用的频段为５５０～１６００ｋＨｚ，主要靠地波传播，也伴有部分天波；短波广播使用的频段为２～２４ＭＨｚ，主要靠天波传播，近距离内伴有地波。调幅波的波形如图７.４所示。从图７.４中可以看到，高频调幅波的幅度与音频信号瞬时值的大小成正比例变化，已调波振幅的包络［图７.４（ｃ）虚线部分］与音频信号的波形完全一致，包含了音频信号的所有信息。上一页下一页返回７.３无线广播２.调频制调频制是指使高频载波的频率随音频信号的变化规律而变化，而高频载波的幅度和相位不变。调频制无线电广播多用超短波（甚高频）无线电波传送信号，使用频率为８８～１０８ＭＨｚ，主要靠空间波传送信号。目前，地面的广播电视分作ＶＨＦ（甚高频或称米波）和ＵＨＦ（特高频或称分米波）两个频段。在我国，ＶＨＦ频段电视使用的频率范围是４８.５～３ＭＨｚ，划分成１～１２频道；ＵＨＦ频段使用的频率范围是４７０～９５６ＭＨｚ，划分成３～６８频道。它们基本上都是靠空间波传播的。调频波的波形如图７.５所示。上一页下一页返回７.３无线广播７.３.４无线电波的接收接收机（收音机）的基本工作过程就是无线电广播发射的逆过程。收音机的基本任务就是把从天线接收到的高频信号经检波（解调）还原成音频信号，送到耳机或喇叭变成音波。由于科技进步，天空中有了很多不同频率的无线电波。如果把这许多电波全都接收下来，音频信号就会像处于闹市之中一样，许多声音混杂在一起，结果什么也听不清了。为了设法选择所需要的节目，在接收天线后，有一个选择性电路，它的作用是把所需的信号（电台）挑选出来并把不要的信号“滤掉”，以免产生干扰，这就是我们收听广播时，所使用的“选台”按钮。上一页下一页返回７.３无线广播选择性电路的输出是选出某个电台的高频调制信号，利用它直接推动耳机（电声器）是不行的，还必须把它恢复成原来的音频信号，这种还原电路称为解调，把解调的音频信号送到耳机，就可以收到广播。因此，收音机必须具备接收信号、解调信号、放大信号、还原声音四项基本功能。收音机的机构框图如图７.６所示。１.接收信号１）接收接收电台信号的任务是由收音机的天线来完成的。上一页下一页返回７.３无线广播２）选择由于广播电台很多，在同一时间里，天线收到的不仅是我们希望收到的电台信号，还有许多来自不同电台的、具有不同载频的无线电信号。这些广播电台之所以使用不同的载频，就是为了让听众根据电台频率的不同，选择出所需要的电台节目。为了选择出我们需要的电台节目，必须在接收天线的后面设有一个选择电台信号的电路，它就是输入调谐回路。输入调谐回路的作用就是将所需要接收的电台信号选出来，而把其他不需要的信号抑制掉，以免对接收信号形成干扰。上一页下一页返回７.３无线广播２.解调信号解调是从高频已调波信号中取出调制信号的过程。完成解调工作的电路称为解调器。对应于不同的调制（调幅或调频）方式，解调分为检波与鉴频两种。完成调幅波解调工作的电路称为检波器，完成调频波解调工作的电路称为鉴频器，检波器与鉴频器统称为解调器。１）检波从高频调幅波信号中取出低频调制信号的过程叫作检波。检波是对应于调幅波的解调，实现检波的解调电路称为检波器。所以，在调幅收音机中的解调器称为检波器。２）鉴频从高频调频波信号中取出低频调制信号的过程叫作鉴频。鉴频是对应于调频波的解调，实现鉴频的解调电路称为鉴频器。所以，在调频收音机中的解调器称为鉴频器。上一页下一页返回７.３无线广播３.放大信号将解调出来的音频信号直接送入扬声器去放音，一般来说是不行的，因为这时的音频信号太弱，还不能推动扬声器正常放音，必须对音频信号的电压和功率加以放大。也就是说，在解调器的后面必须设置低频放大电路———前置放大电路与功率放大电路。４.还原声音将音频信号经过低频电压放大和功率放大后送入扬声器，扬声器将音频信号还原成声音，就可以听到所选择的电台广播了。上一页返回７.４超外差式收音机组成所谓外差，是指天线输入信号和本机振荡信号产生一个固定中频信号的过程。因为，它是比高频信号低，比低频信号又高的超音频信号，所以这种接收方式叫超外差式。超外差式收音机能把接收到的频率不同的电台信号都变成固定的中频信号（４６５ｋＨｚ），再由放大器对这个固定的中频信号进行放大。超外差式收音机特点如下：优点：灵敏度高、选择性好、音质好（通频带宽）、工作稳定（不容易自激）。缺点：镜像干扰（比接收频率高两个中频的干扰信号）、假响应（变频电路的非线性）。下一页返回７.４超外差式收音机组成七管超外差式收音机组成框图如图７.７所示，电路由输入调谐回路、混频器、本机振荡器、二级中频放大器、检波器、前置低频放大器、ＡＧＣ电路、功放级组成。输入调谐回路选取的电台信号，被送入混频器与本机振荡电路产生的高出预接收电台信号频率一个４６５ｋＨｚ的等幅振荡信号混合。选取其差频频率的信号，送入中频放大电路，中频信号的频率是固定的４６５ｋＨｚ。被放大后的中频信号再用检波级解调，取出音频信号送入前置低放电路和功率放大电路，最后经喇叭还原成声音。图中ａ～ｇ描述了接收机电路中信号的变化过程。七管超外差式收音机电路如图７.８所示。上一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理７.５.１输入调谐回路从收音机的接收天线到变频级（或高频放大级）输入端之间的电路，称为输入调谐回路，如图７.９所示。输入调谐回路又叫调谐回路或选择电路，它是收音机的第一道大门。它主要作用是把所要收听的电信号选出，而把不需要的电台或干扰噪声信号抑制掉。对它的要求归纳起来有：灵敏度、选择性、最大有用功率和波段覆盖系数。下一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理Ｂ１为磁性天线，Ｌ１和Ｌ２分别为初级和次级线圈，线圈匝数Ｌ１＞Ｌ２，它们都绕在磁棒上。Ｃ１－Ａ、Ｃ１－Ｂ为双连可变电容器，收音机所用的电容种类很多，实习使用的双联是差容双联，振荡联为大约６０ｐＦ，天线联为１４０ｐＦ，在双联电容上标有“Ａ”的一端为天线联，标有“Ｏ”的一端为振荡联，中间标有“Ｇ”的是接地线。Ｃ１７为输入调谐回路的补偿电容，Ｃ１８为本机振荡电路中的垫整电容。Ｃ１７与Ｃ１８都是一个容量只有几个皮法的小型微调电容器，也可称为半可调电容器。由于它们的容量和体积都很小，故在袖珍式收音机中，为了缩小元器件的体积，通常使用一种将这两个小电容器与双连可变电容器装在一起的复合型可变电容器。上一页下一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理７.５.２变频回路变频电路的作用是将输入调谐回路选出的电台信号的载波频率变为固定的中频频率（４６５ｋＨｚ），同时保持中频信号的包络与高频载波信号的包络完全一致，使传送的低频信号不致产生失真。变频回路由混频器、本机振荡和中频选频三部分电路组成，电路如图７.１０所示，结构组成如图７.１１所示。上一页下一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理变频电路中调谐回路接收到的信号为ｕ１，即包含音频包络的高频载波信号，载波信号频率为ｆ１。本机振荡产生等幅高频振荡信号ｕ２，频率为ｆ２，ｕ１和ｕ２由混频三极管ＢＧ１混频后得到含有音频包络的中频信号ｕ３，载波频率变为ｆ３＝４６５ｋＨｚ。混频过程是同步的，假定外来信号ｆ１＝１０００ｋＨｚ，本振信号ｆ２＝１４６５ｋＨｚ，则经变频后产生的差频信号ｆ１－ｆ２＝４６５（ｋＨｚ）。假定外来信号ｆ１＝１０００ｋＨｚ，本振信号ｆ２＝１４６５ｋＨｚ，则经变频后产生的差频信号ｆ１－ｆ２＝４６５（ｋＨｚ）；假定外来信号ｆ１＝５２５ｋＨｚ，本振信号ｆ２＝９００ｋＨｚ，则经变频后产生的差频信号ｆ１－ｆ２＝４６５（ｋＨｚ），ｆ１－ｆ２始终等于４６５ｋＨｚ，同步的实现这是由双联电容Ｃ１－Ａ、Ｃ１－Ｂ的同时变化来实现的。上一页下一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理７.５.３中频放大电路中频放大电路简称为中放，它是指变频输出至振幅检波器之间的那一部分电路，其作用是用来放大经变频得到的４６５ｋＨｚ的中频信号，它是收音机的“心脏”部位。一般来说调幅收音机的中放是由１～３级组成，这里采用的是两极放大。中频放大电路的质量直接影响着整机的灵敏度、选择性和自动增益控制等性能。增益要求：６０～８０ｄＢ，增益＝２０ｌｇｕ２／ｕ１。中频放大电路的组成结构如图７.１２所示。由两级中频放大器组成，每级中频放大器的前面及后面均设有４６５ｋＨｚ的中频选频回路，以对中频信号进行放大和选频。第一级中频放大器的输入信号是来自变频级的中频信号，第二级中频放大器的输出信号经第三中频变压器的耦合送入检波器进行解调。上一页下一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理中频放大电路如图７.１３所示。它由两级单调谐中频放大器组成，由于第一级中频放大电路的下偏置电阻包含有检波电路的组件，所以此图也将检波电路一起画出。ＢＧ２、ＢＧ３是两只中频放大管，均工作在放大状态。Ｒ４、Ｒ７分别是ＢＧ２、ＢＧ３的偏置电阻；Ｒ５是自动增益控制电路的反馈电阻，也是ＢＧ２下偏置电阻的一部分；Ｃ４既是第一级中放管ＢＧ２的基极旁路电容，又是自动增益控制电路的滤波电容；Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５是三只中频变压器，它们的一次绕组及其谐振电容Ｃ１９、Ｃ２０、Ｃ２１分别构成了三个ＬＣ并联谐振回路，谐振频率均为４６５ｋＨｚ，作为变频电路及两级中频放大电路的负载，并负责完成选频工作。上一页下一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理第一级中放管ＢＧ２工作在放大状态并兼管自动增益控制。由于第一级中放管受自动增益控制的作用，所以电路的增益及工作点均较低，一般集电极电流ＩＣ２仅为０.５ｍＡ。ＢＧ２的基极偏置电路采用分压式，电阻Ｒ４为上偏置电阻，下偏置电阻（Ｒ下）由自动增益控制电路的反馈电阻Ｒ５、音量电位器Ｗ、滤波电阻Ｒ９及检波管ＢＧ４的直流电阻等组成，Ｂ５二次绕组的直流电阻忽略不计。第一中频变压器的二次绕组是ＢＧ２的输入回路，将Ｂ３选出的中频信号加在ＢＧ２的输入端。Ｃ４既是第一级中放管ＢＧ２的基极旁路电容，又是自动增益控制电路的滤波电容。Ｃ２０及Ｂ４的一次绕组组成ＢＧ２的负载，并负责完成第二次中频选频工作。上一页下一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理第二级中放管ＢＧ３虽然也工作在放大态，但是由于ＢＧ３只有单纯的放大作用，所以它的增益及工作点均较高，集电极电流ＩＣ３为０.５～０.９ｍＡ。ＢＧ３的基极偏置电路采用固定偏置式，基极电压由１.５Ｖ电源通过Ｒ１７和偏置电阻Ｒ７向ＢＧ３的基极提供。通过对Ｒ７的调节，可调整ＢＧ３的静态工作点。第二中频变压器的二次绕组是ＢＧ３的输入回路，将Ｂ４选出的中频信号加在ＢＧ３的输入端。Ｃ６是第二级中放管的基极旁路电容，起隔直通交的作用，可使Ｂ４二次绕组两端的中频信号电压通过Ｃ６加在ＢＧ３发射结的两端。Ｃ２１及Ｂ５的一次绕组组成ＢＧ３的负载，并负责完成第三次中频选频工作，然后，将放大了的中频信号经变压器耦合，由Ｂ５的二次绕组送入检波电路。为了保证中频放大电路的工作正常，对它所使用的所有元器件，都必须进行认真的选择，选择的重点是中放晶体管和中频变压器。上一页下一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理１.中放晶体管的选择对中放管的选择应考虑两个方面，一是增益要高，二是工作要稳定。所以，一般选择β值为８０～１２０的硅ＮＰＮ型高频管。由于ＢＧ２加有自动增益控制，所以ＢＧ２的β值应比ＢＧ３的β值略高。２.中频变压器的选择目前，普及型收音机的中频变压器多采用单调谐式的ＴＴＦ－２型、ＳＺＰ型等几种。当采用ＴＴＦ－２型中频变压器时，配谐电容应为２００ｐＦ；当采用ＳＺＰ型中频变压器时，配谐电容应为５１０ｐＦ。为了区别中频变压器的序号，通常在中频变压器的磁帽顶部涂有颜色。上一页下一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理７.５.４检波电路检波电路的作用是从中频放大电路送来的调幅信号中解调出音频信号，并将解调出的音频信号送入音频放大电路。检波电路的组成框图如图７.１４所示。中频放大电路输出的是４６５ｋＨｚ的中频调幅信号，由检波器件检去中频调幅信号，检波器件一般为二极管或三极管的一个ＰＮ节，再送入低通滤波器（π型滤波电路）后，得到音频信号，经过音量电位器（负载）后送入低频放大电路进一步放大。上一页下一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理检波电路如图７.１５所示。中频放大器输出的中频信号经中频变压器Ｂ５二次绕组送入检波管ＢＧ４，在这里三极管ＢＧ４当二极管用，利用ＰＮ结（发射结）的单向导电特性，把中频信号变成中频脉动信号。这个脉动信号中包含有直流成分、残余的中频信号及音频包络三部分。利用由Ｃ８、Ｃ９、Ｒ９构成π型滤波电路，滤除残余的中频信号。检波后的音频信号电压降落在音量电位器Ｗ上，经电容Ｃ１０耦合送入低频放大电路。检波后得到的直流电压作为自动增益控制的ＡＧＣ电压，被送到受控的第一级中频放大管（ＢＧ２）的基极。上一页下一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理７.５.５自动增益控制电路自动增益控制电路的作用是根据接收到的广播电台信号的强弱，自动调节收音机的高频增益。当接收到的信号较弱时，使收音机具有较高的高频增益；而当接收到的信号较强时，又能使收音机的高频增益自动降低，从而保证中频放电路高频增益的稳定，这样既可避免接收弱信号电台时音量过小（或接收不到），也可避免接收强信号电台时音量过大（或使低频放大电路由于输入信号过大而产生阻塞失真）。上一页下一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理自动增益控制电路如图７.１６所示。静态时，即当收音机没有接收到电台的广播时，ＢＧ２（受控管）的集电极电流ＩＣ２为０.２～０.４ｍＡ，第一级中放管具有最高的β值，中放电路处于最高增益状态。当收音机接收较弱信号电台的广播时，中放电路输出信号的电压幅度较小，检波后产生的ｕＡＧＣ也较小，当负极性的ｕＡＧＣ经Ｒ５送至ＢＧ２的基极时，将使ＢＧ２的基极电压略有下降、基极电流略有减小。由于ｕＡＧＣ也较小，所以ＩＣ２将在０.４ｍＡ的基础上略有减小，使第一级中放管仍具有较高的β值，第一级中放电路处于增益较高的状态，检波电路输出的音频信号电压幅度仍能达到额定值，不会有明显地减小。当收音机接收较强信号电台的广播时，中放电路输出信号的幅度较大，检波后产生的ｕＡＧＣ也较大。当负极性的ｕＡＧＣ经Ｒ５送至ＢＧ２的基极时，将使ＢＧ２的基极电压下降、基极电流减小。上一页下一页返回７.５七管超外差式收音机组成原理７.５.６前置放大电路从检波器输出的音频信号幅度是很小的，一般只有几十毫伏，不能用来直接推动扬声器放出声音。为了用扬声器放音，必须将音频信号的电压及功率加以放大，以放大音频信号为目的的电路称为音频放大电路或低频放大电路。在分立组件超外差式收音机中，音频放大电路一般由前置放大器和功率放大器两部分组成。前置放大器是音频信号的电压放大器，一般由１～２级放大电路组成。从电路的耦合方式来说，前置放大电路有阻容耦合及变压器耦合两种。一般七管收音机采用的是阻容耦合输入、变压器耦合输出。下面，以一般七管收音机的前置放大电路为例，对前置放大电路的基本