超外差原理

超外差原理

简单收音机为了提高灵敏度指标增加了高放级，但高放级级数的增加是有限度的，如果为了提高灵敏度而加多高放级，则不但统调因难，更易发生寄生振荡。另一个原因在于：晶体管电路对高中低频带的表现是不同的，这就造成了整个收音频带内的指标不和谐。
如果能把收音机固定在一个频带上工作，它的收音质量当然很好，不过事实上许多广播电台并不都挤在一个不大的频带上广播，而是分布在—个很宽的频带中进行广播。因而，只能在改进收音机的电路上想办法，把这些分散在各波段的电台，在收音机里变成一个预定的频率，这样，就能很好地加以放大了。
超外差电路就是这样的装置。它将所要收听的电台在调谐电路里调好以后，经过电路本身的作用，就变成另外一个预先确定好的频率，然后再进行放大和检波。这个固定的频率，是由差频的作用产生的。如果我们在收音机内制造—个振荡电波(通常称为本机振荡)，使它和外来高频调幅信号同时送到一个晶体管内混合，这种工作叫混频。由于晶体管的非线性作用导致混频的结果就会产生一个新的频率，这就是外差作用。采用了这种电路的收音机叫外差式收音机，混频和振荡的工作，合称变频。
外差作用产生出来的差频，习惯上我们采用易于控制的一种频率，它比高频较低，但比音频高，这就是常说的中间频率，简称中频。任何电台的频率，由于都变成了中频，放大起来就能得到相同的放大量。

上图示出了超外差式收音机的方框图。可以看出，调谐回路的输出，进入混频级的是高频调制信号，即载波与其携带的音频信号。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。
变频很象货物转运。贷物从遥远的地方由火车运到终点车站，然后由汽车转运到目的地。贷物内容没有变，但运输工具由火车改为汽车。
还可以再作简单归纳：变频仅仅是载波频率变低了，并且无论输入信号频率如何变化最终都变为465KHz(备注：这个频率各国不同，或455KHz)，而音频信号(包络线的形状)没变。这包络线正是我们运输的货物。
混频器输出的携音频包络的中频信号由中频放大电路进行一级、两级甚至三级中频放大，从而使得到达二极管检波器的中频信号振幅足够大。二极管将中频信号振幅的包络检波出来，这个包络就是我们需要的音频信号。音频信号最后交给低放级放大到我们需要的电平强度，然后推动扬声器发出足够的音量。若要求超外差式收音机得到更高的灵敏度，在调谐回路与混频之间还可以加入高频放大级然后再去混频。
超外差式收音机能够大大提高收音机的增益、灵敏度和选择性。因为不管电台信号频率如何都变成为中频信号，然后都能进入中频放大级，所以对不同频率电台都能够进行均匀地放大。中放的级数可以根据要求增加或减少，更容易在稳定条件下获得高增益和窄带频响特性。此外，由于中频是恒定的，所以不必每级都加入可变电容器选择电台，避免使用多联同轴可变电容器，而只需在调谐回路和本振回路用一只双连可变电容器就可完成选台。现在，绝大多数商品化收音机都是超外差式的。
民用超外差式收音机的中频一般选择在465kHz或455KHz。混频器的输出回路和中领变压器专门对465kHz或465KHz谐振。为什么固定在一个频率能够选择电台呢?原来，仍是调谐回路调选到电台，但本地振荡电路的工作频率随着调谐回路的频率变化，即本振频率总比电台的频率高一个中频，并且中频信号的振幅包络与高频信号的振幅包络完全相同，这就使得音额信号能够通过检波器再现。假设一个收音机工作在800KHz到1800KHz，中频工作在470KHz，那么本地振荡频率应当在800+470＝1270kHz到1800+470＝2270kHz之间变化。当然如果本地振荡频率从1800-470＝1330KHz到18000-470＝1330KHz间变化，即比电台总低470kHz的频率，那么仍旧能够得出差频470KHz的结果。但实际生产的收音机中的本振频率是选高于电台信号频率的。因此电台信号频率或称调幅信号频率(Fs)与本地振荡频率(Fo)和中频频率(IF)之间的关系为Fo-Fs=IF。
从上面分析可知高于本振—个中频或者低于本振一个中频的电台信号都能够进入中频放大器，从而在收音机中产生干扰，这种干扰叫做镜像干扰，两信号的频率叫做镜像频率。解决镜像干扰的基本方法就是提高输入调谐回路的选择性，使本振频率严格高于电台信号的频率，在上例中当本振频率为1270KHz时，调谐回路尖锐地选择在800KHz，那么镜像频率1740KHz就难以进入调谐回路引起干扰。

在超外差式收音机中，有时还有一些附加装置，如自动增益控制、调谐指示、负反馈、温度补偿等电路。加了这些电路，使得收音机在质量上和使用上都更趋完善，而且其中有些电路已成为不可缺少的部分。
超外差式收音机的中频放大电路采用了固定调谐的电路，这—特点使它比其他收音机优越得多，综合起来有如下优点：
(1)用作放大的中频，可以选择那些易于控制的、有利于工作的领率(我国采用的中频频率为465千赫)，以便适合于管子和电路的性质，能够得到较为稳定和最大限度的放大量。
(2)各个波段的输入信号都变成了固定的中频，电路将不因外来频率的差异而影响工作，这样各个频带就能够得到均匀的放大，这对于频率相差很大的高频信号(短波)来说，是特别有利的。
(3)如果外来信号和本机振荡相差不是预定的中频，就不可能进入放大电路。因此在接收一个需要的信号时，混进来的干扰电波首先就在变频电路被剔除掉，加之中频放大电路是一个调谐好了的带有滤波性质的电路，所以收音机的选择性指标很高。
超外差式收音机和简易型收音机相比，虽然线路比较复杂，晶体管和元件用的较多，因而成本较贵，但无论在灵敏度、选择性、音量和音质等方面，都远优于简易型收音机。它与简易型收音机不同的地方是增加了两个部分：变频级和中频放大级。除此以外，检波级及音频放大级和简易型半导体收音机里所用的电路没有什么两样。
有关超外差电路变频、中放及其它单元电路的定性定量描述请参阅《高频电路设计与制作》第七章及本板块“直放式和超外差收音机单元电路介绍---其它单元电路” 的内容。参考资料：http://www.crystalradio.cn/Article/Class3/Class9/2006-09-06/724.html