《高頻電子技術(shù)》課件第1章

第一章直接檢波接收機(jī)：ＬC選頻與檢波電路1.1直接檢波接收機(jī)電路1.2調(diào)幅信號與檢波電路1.3

LC選頻電路1.4直接檢波接收機(jī)的原理

1.1直接檢波接收機(jī)電路

在緒論中，我們已經(jīng)對通訊系統(tǒng)的組成有了一個(gè)大概的了解。大家都知道，接收設(shè)備是完成通訊工作的重要一環(huán)。緒論給出了接收機(jī)的結(jié)構(gòu)方框圖。其實(shí)，早期的接收機(jī)，電路遠(yuǎn)沒有這么復(fù)雜。

將一個(gè)由可變電容與磁性天線構(gòu)成的諧振回路、一個(gè)二極管、一個(gè)電容器與一個(gè)耳機(jī)按圖1-1連接起來就可以接收從電臺發(fā)射出來的廣播信號。在這個(gè)電路中，沒有任何放大環(huán)節(jié)，因此不需要電源，人們稱之為直接檢波接收機(jī)。

可以通過下面的實(shí)驗(yàn)來逐漸認(rèn)識這種簡單的接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)一直接檢波接收機(jī)的安裝與試聽

一、實(shí)驗(yàn)步驟:

1．電路連接

首先在一塊面包板或萬能板上按圖1-1將電路連接起來，為了獲得較大的音量，可以用一個(gè)有源音箱來代替耳機(jī)。圖1-1直接檢波接收機(jī)

2．天、地線連接

如果實(shí)驗(yàn)室有良好的室外天線與地線，按圖將天線與地線連接好（如果沒有室外天線，實(shí)驗(yàn)從步驟4往下進(jìn)行）。

3．收聽電臺廣播

電路安裝完畢后，如果檢查無誤，就可以接收電臺播音了。緩慢調(diào)節(jié)可變電容的旋鈕，可以收聽到一個(gè)本地中波電臺的廣播。如果收不到音，可能是天、地線不良或電臺信號太弱，實(shí)驗(yàn)可以繼續(xù)往下進(jìn)行，用高頻信號發(fā)生器代替電臺，直接接收高頻信號發(fā)生器的調(diào)幅信號。

4．接收高頻信號發(fā)生器信號

將高頻信號發(fā)生器信號頻率置于１MHz，調(diào)制頻率為１kHz，調(diào)制度為60％。輸出端中心頭通過一0.01μF電容接接收機(jī)天線，高頻信號發(fā)生器的“地”與接收機(jī)的“地”相接。改變高頻信號發(fā)生器輸出信號的大小并仔細(xì)調(diào)節(jié)接收機(jī)可變電容旋鈕，可以從揚(yáng)聲器中聽到清晰的１kHz

單音。改變高頻信號發(fā)生器的調(diào)制頻率，聲音的音調(diào)跟著變化。

實(shí)驗(yàn)中可以體會到，只有當(dāng)可變電容置于某一小段位置時(shí)，才能接收到高頻信號發(fā)生器的信號，揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音的音調(diào)與高頻信號發(fā)生器的調(diào)制頻率有關(guān)。二、實(shí)驗(yàn)分析

通過以上實(shí)驗(yàn)，我們安裝了一臺最簡單最原始的接收機(jī)，并試聽了收音效果。一個(gè)由天線線圈與可變電容組成的可變頻率的調(diào)諧回路、一個(gè)二極管、一個(gè)耳機(jī)在連接上天地線，就能接收空中的無線廣播信號，說明這一簡單電路已包含了接收機(jī)的主要功能。如此簡單的接收機(jī)是如何工作的，調(diào)諧回路、二極管、耳機(jī)在這里的主要作用是什么？這正是本章首先要解決的問題。下面我們首先認(rèn)識一下由二極管D與電容組成的檢波電路。

1.2調(diào)幅信號與檢波電路

從低頻電路中我們知道，送到有源音箱去放大并推動喇叭發(fā)聲的的應(yīng)是音頻電信號。如果把圖1-1中二極管VD與電容C1構(gòu)成的電路看成如圖1-2所示的一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)的話，顯然，其輸出應(yīng)是音頻信號。其輸入是什么信號呢？二極管VD與電容C1在電路中起了什么作用？可以通過下面的實(shí)驗(yàn)來獲得這方面的認(rèn)識。圖1-2檢波電路

實(shí)驗(yàn)二調(diào)幅波的觀察與檢波電路的認(rèn)識

一、實(shí)驗(yàn)步驟

1．觀察輸入信號波形

在實(shí)驗(yàn)一步驟4的基礎(chǔ)上，即在準(zhǔn)確地接收到高頻信號發(fā)生器的信號以后，用示波器依次觀測圖1-1中高頻信號發(fā)生器輸出、可變電容定片與二極管VD正端的信號波形。示波器的掃描周期置于2ms／div左右。一般情況下，我們說用示波器觀測某一點(diǎn)的波形，是觀測該點(diǎn)對地的波形。因此，示波器的中心端直接與該點(diǎn)相接，示波器的“地”與電路的“地”相接。

如果操作正確，示波器展示的波形如圖1-3所示。但不同測試點(diǎn)的信號幅度不同。

圖1-3調(diào)幅波

2．測量輸入信號有關(guān)參數(shù)

在示波器上測量圖1-3所示波形的正弦包絡(luò)線的周期，記下讀數(shù)。注意該讀數(shù)與高頻信號發(fā)生器調(diào)制信號的頻率數(shù)有什么關(guān)系。

如果測試正確，用示波器測得的包絡(luò)線的周期約為1ms，恰為高頻信號發(fā)生器調(diào)制信號的周期。

3．觀測加至有源音箱的信號波形

用示波器觀測圖1-1中二極管負(fù)端的波形并測量其周期，記下讀數(shù)。

操作時(shí)，小心調(diào)節(jié)高頻信號發(fā)生器的頻率與輸出幅度，可使觀測到的波形如圖1-4(a)所示為一正弦波。該波形與圖1-3所示波形的包絡(luò)線的形狀完全相同，其周期與包絡(luò)線的周期讀數(shù)一致。圖1－4檢波輸出波形

(a)用示波器交流擋觀測到的波形；

（b）用示波器直流擋觀測到的波形

（c）移去濾波電容后觀測到的波形步驟4：觀測信號中的直流成分

在步驟3觀測的基礎(chǔ)上，將示波器輸入選擇置于DC位置?？梢杂^測到波形的形狀沒有變化，但波形整體發(fā)生了如圖1－4(b)所示沿豎直方向向上的位移。說明觀測的信號中，包含直流成分。

步驟5：試驗(yàn)電容C的作用

將電容C從電路中取下來，再一次用示波器觀測圖1－1中二極管負(fù)端的波形。體會一下與步驟3觀測到的波形有什么不同。

這時(shí)我們看到，示波器展示的波形如圖1－4(c)所示，波形不再是正弦波。二、實(shí)驗(yàn)分析

對上面的實(shí)驗(yàn)，可以作如下分析：

（1）如果將高頻信號發(fā)生器看成一個(gè)電臺，則從電臺發(fā)射出來被天線接收到的信號不是音頻信號，而是如步驟1所觀測到的帶有包絡(luò)線的高頻信號。

（2）步驟2與3說明，加至有源音箱放大的音頻信號與包絡(luò)線的周期完全一致，電臺是將音頻信號加載在高頻信號上通過空間發(fā)送出來的。音頻信號改變了高頻信號的幅度，使高頻信號的幅度按照音頻信號的變化規(guī)律改變。這種信號稱為調(diào)幅信號，或稱為調(diào)幅波。高頻信號起了運(yùn)載音頻信號的作用，稱為載波。音頻信號稱為調(diào)制信號或調(diào)制波。為什么不將音頻信號直接從電臺發(fā)射出去而要利用載波呢？主要有兩個(gè)原因。

其一，要將無線電信號有效地發(fā)射出去，天線的尺寸必須和電信號的波長λ為同一數(shù)量級。波長與信號頻率及電波的傳播速度有關(guān)，即（1.1）

按照式(1.1)所示的關(guān)系，可計(jì)算出頻率為1kHz的音頻信號對應(yīng)的電波波長為300km，要制造出這樣巨大的天線顯然是不現(xiàn)實(shí)的。其二，即使能制造出這樣大的天線，不同電臺發(fā)射的音頻信號處于同一頻段，在信道中會互相重疊、干擾，接收設(shè)備無法選擇要接收的信號。

(3)步驟3～5說明，調(diào)幅信號通過二極管VD之后，音頻信號被分離出來，這種過程稱為解調(diào)或檢波。圖1－1中，二極管VD與電容C構(gòu)成的檢波電路的作用就是將音頻信號從調(diào)幅波中解調(diào)出來。其物理過程可以通過圖1－5來說明。為使分析問題簡單，假設(shè)二極管特性曲線是通過原點(diǎn)的一根直線（如圖1－5(b)所示），當(dāng)二極管兩端作用的是正向電壓時(shí)，二極管就導(dǎo)通，在導(dǎo)通期間，二極管可用它的正向內(nèi)阻來代替；當(dāng)二極管兩端作用的是反向電壓時(shí)，二極管就截止，在截止期間把二極管當(dāng)作斷路來處理。

設(shè)檢波電路輸入端加上一個(gè)調(diào)幅波電壓Vi，由于二極管只能單向?qū)щ?，所以只是在輸入信號的正半周二極管才能導(dǎo)通。在二極管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓通過二極管的正向電阻C充電，由于正向電阻很小，充電速率很快，C兩端電壓在很短時(shí)間內(nèi)就接近調(diào)幅電壓的峰值，例如圖1-5（c）圖中A點(diǎn)。很明顯，C兩端的電壓又與輸入電壓相加后加到二極管的兩端。因而，二極管導(dǎo)通與否，須視這兩個(gè)電壓相加的結(jié)果。例如在A點(diǎn)（時(shí)間為），電容兩端電壓Vo與輸入電壓Vi相等，二極管兩端電壓為零，二極管截止。在以后由于Vi的下降，使Vo>Vi，二極管兩端電壓為反向電壓，二極管繼續(xù)截止。由于C兩端有負(fù)載電阻并聯(lián)，C兩端電壓要通過放電，一般的乘積（即放電時(shí)間常數(shù)）比輸入信號的周期要大得多，因此在輸入信號的一個(gè)周期里放電較少，電壓降低較慢（圖中AB段為放電過程），到時(shí)間時(shí)，輸入電壓又上升到與Vo相等（B點(diǎn)）二極管仍處于截止?fàn)顟B(tài)。但在以后，Vi上升到超過Vo，二極管兩端得到正向電壓，再次導(dǎo)通。圖1－5檢波原理對調(diào)幅波的解調(diào)，除二極管包絡(luò)檢波電路外，還可以用其他一些電路來實(shí)現(xiàn)。關(guān)于具體電路及其工作原理，將在第二篇中詳細(xì)討論。

因?yàn)槎O管存在一個(gè)死區(qū)電壓，對于鍺二極管來說，一般要求加至檢波器的載波信號大于0.5V，所以，這種檢波器稱為大信號包絡(luò)檢波器。

(4)步驟3與4還說明，接上電容C后，檢波輸出中的高頻成分沒有了。電容C與電阻Ｒ在這里構(gòu)成了一個(gè)低通濾波器，它濾去了檢波后殘存的高頻信號。

在第二篇的學(xué)習(xí)中我們還會進(jìn)一步了解到，Ｒ、C的參數(shù)對檢波失真會產(chǎn)生影響，應(yīng)選擇合適的值。

通過上面的實(shí)驗(yàn)與分析我們知道，原始信息如語言、音樂、圖像等非電物理量經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成電信號后，發(fā)送設(shè)備用它們?nèi)フ{(diào)制一個(gè)載波信號，然后經(jīng)過天線發(fā)送出來。接收設(shè)備則通過一定的方式，將原始信息的電信號解調(diào)出來，再經(jīng)過換能器還原成原始信號。

1.3ＬC選頻電路

人們?yōu)榱瞬煌哪康男枰獋魉驮S許多多的信息，為使信息之間彼此互不干擾，每個(gè)發(fā)射設(shè)備都必須至少占有一個(gè)屬于自己的通道，而接收設(shè)備如何從眾多的信息通道中，識別或選擇出自己所需要的通道呢？為此，我們有必要認(rèn)識一下圖1－1中由Lc、C1構(gòu)成的諧振電路。

實(shí)驗(yàn)三ＬC諧振電路的認(rèn)識

一、實(shí)驗(yàn)步驟

步驟1：接收信號并測試頻率

這一步就是接收高頻信號發(fā)生器的信號，并測試接收機(jī)接收的最高頻率與最低頻率。將可變電容旋至容量最小位置，改變高頻信號發(fā)生器的輸出頻率，使接收機(jī)正常發(fā)聲，記下此時(shí)高頻信號發(fā)生器的輸出頻率（記作f1）。將可變電容旋至容量最大位置，改變高頻信號發(fā)生器的輸出頻率，使接收機(jī)正常發(fā)聲，記下此時(shí)高頻信號發(fā)生器的輸出頻率（記作f2）。在操作中體會一下聲音是如何由小到大，由不清晰到清晰的。

正常情況下，f1為520kHz左右，f2為1610kHz左右，恰好可以接收我國中波頻道535～1605kHz范圍內(nèi)的信號。

步驟2：測量ＬC回路的頻率特性

用中波掃頻儀觀測L2、C1電路的頻率特性。掃頻儀的輸出探頭接線圈的初級，輸入探頭接檢波二極管的負(fù)極，連接方式如圖1－6所示。調(diào)節(jié)掃頻儀掃頻頻率調(diào)節(jié)旋鈕，在掃頻儀的熒光屏上應(yīng)展示如圖1－7所示的曲線。圖1－6掃頻儀與接收機(jī)的連接方式圖1－7掃頻儀顯示的頻率特性曲線二、實(shí)驗(yàn)分析

(1)ＬC諧振回路是高頻電路里最常用、最基本的選頻網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)電路分析基礎(chǔ)知識，ＬC諧振電路的諧振頻率由Ｌ與C的值所決定，其表達(dá)式為（1.2）由此式可以看出，改變網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)Ｌ與C的值，即可改變其諧振頻率。為此，LC電路能從各種輸入頻率分量中選擇出有用信號而抑制掉無用信號和噪聲。步驟1直觀地表明了ＬC電路對頻率的選擇作用。在一般接收電路中，人們正是通過調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中電容的大小來選擇輸入信號的。電容在最小與最大位置對應(yīng)的頻率f1與f2，實(shí)際上就是網(wǎng)絡(luò)所能選擇的最低頻率與最高頻率。也可以說，ＬC輸入回路決定了圖1－1所示接收機(jī)所能接收的頻率范圍。

(2)在掃頻儀上展示的圖1－7所示的曲線，稱為諧振回路的頻率特性曲線。它形象地反映了所測回路的電壓與外加信號頻率之間的幅頻特性。曲線峰值對應(yīng)的頻率稱為諧振頻率或中心頻率，當(dāng)外加信號沿正負(fù)方向偏離這個(gè)頻率時(shí)，回路電壓都降低了。隨著外加頻率的偏離，回路電壓下降得越快，說明回路的選擇性越好。也就是說，曲線越尖銳，回路的選擇性越好。對于接收機(jī)來說，是否選頻回路的曲線越尖銳就越好呢？并非如此。在以后的學(xué)習(xí)中我們會知道，一個(gè)幅度被調(diào)制的載波信號不再是單一頻率的信號，而是以載波頻率為中心的一個(gè)頻帶，其頻譜寬度為（1.3）圖1－8理想諧振曲線

(3)從步驟3中我們看到，改變線圈在磁棒上的位置，就改變了回路的諧振頻率。磁棒是由鐵氧體材料制作的，它作為線圈的磁性介質(zhì)對線圈的電感量有影響。線圈越接近磁棒的中心位置，電感量越大。磁棒具有較強(qiáng)的導(dǎo)磁能力，它能聚集空間無線電波中的磁力線，在線圈中感應(yīng)出較大的信號電壓。 1.4直接檢波接收機(jī)的原理

到此為止，我們對直接檢波接收機(jī)已有了一個(gè)大概的認(rèn)識，可以用如圖1－9所示的方框圖來簡述其原理。圖1－9直接檢波接收機(jī)方框圖天線接收到各個(gè)電臺發(fā)射到空中的高頻無線電載波信號，由L2、C1構(gòu)成的輸入回路從許許多多的信號中選擇出欲接收的電臺的信號。二極管VD則對被調(diào)制的載波信號進(jìn)行檢波，解調(diào)出調(diào)制信號。由電容C與有源音箱的輸入電阻構(gòu)成的低通濾波器濾去了檢波后殘留的高頻信號。經(jīng)低通濾波器取出的音頻