收音機的原理與實作

出自六年制學程
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概述

AM 收音機分成四部分：

  1. 調諧電路：負責產生與電台相近頻率的本地振盪，以便與電台天線產生「共振」。不須額外的電源。
  2. 檢波電路：負責將調幅波訊號中的載波與直流分量過濾掉，留下包絡所代表的原始音訊訊號。
  3. 放大電路：負責將收集到的振盪訊號放大。須外加電源。
  4. 揚聲器：負責將電流振盪轉變成聲音。

一、調諧電路

「調諧」是「調變諧振」的意思，即可以調整產生可變頻率的振盪，以與電台天線發出的電磁波諧調成共振狀態。

實作上只需要：

  1. 一個同時包含電感與電容的迴路。
  2. 天線。
  3. 接地。

右圖即為一個調諧電路，其中諸零件為：

2:可變電容
3:電感(線圈)
4:接地
5:電容(可省略)
6:天線(長金屬物體)

電感-電容迴路中，電壓的振盪頻率遵守 。控制頻率的方法有兩種：

  1. 固定電感值大小，而改變電容，如右圖。
  2. 固定電容大小，而改變電感，如本頁中所附「火材盒收音機」。

其詳細原理請見本頁「調諧線路的原理與實作」段落。

二、檢波電路

右圖為從調幅收音機天線收下來的調幅訊號。橫軸為時間，縱軸為振幅。藍色為載波；紅色為包絡，包絡即原始音頻訊號。

訊號的中間藍色部分是頻率很高的載波訊號，它的上下端是調幅訊號的包絡，此包絡就是所需要的音頻訊號。音頻的頻率相較於載波低很多。

上包絡訊號和下包絡訊號對稱，但是訊號相位相反，收音機最終只要其中的上包絡訊號，下包絡訊號不用，中間的高頻載波訊號也需要濾除。

如右圖，調幅波訊號由左上方送入，電容與電阻在下方接地。檢波電路三個元件的作用分別簡述如下：

  1. 二極體可以整流，濾除下包絡。
  2. 電容可以濾除高頻載波，只讓低頻包絡通過。
  3. 電阻則濾除直流分量，消除捨棄下包絡時對原始訊號的偏移。

其中濾除下包絡與濾除直流分量連帶，可以同時省略，但用接地的電容濾除高頻載波則無法省略。

(一)二極體整流

如右圖，調幅訊號在左上，拉開時間軸後表達如右上，通過二極體之後，下包絡全部被截止濾除，只剩上包絡。

上包絡將再送給電容，透過電容的充電、放電過程，修整出包絡的平滑曲線。

(二)電容濾除載波

  1. 對於高頻載波而言，其頻率很高，電容對它的容抗很小而呈通路狀態，檢波電路輸出端的高頻載波訊號被電容從旁路引到地線，起到高頻濾波的作用。
  2. 對於音頻訊號而言，由於高頻濾波電容的容量很小，它對音頻訊號的容抗很大，相當於斷路，所以音頻訊號不能被電容從旁路引到地線。
  3. 對於直流電壓而言，電容的隔直特性(註)使電容相當於斷路，所以檢波電路輸出端的直流電壓不能被被電容從旁路引到地線。
  • 註，電容隔直通交特性：
    如果一個電容接到直流電上時，在接通的瞬間是充電，但一旦穩定後，電路中電荷就不再移動，因而電路中也無電流。當電路發生變化，導致電容兩端電壓減少時，電容就會放電。
    因為交流電的電壓不斷發生變化，所以電容就不斷的充放電，因而電流好像可以通過電容器。實際不是通過電容器。
    當然電容對交流電也有阻礙作用，頻率越低阻礙就越大，反之越小。

(三)電阻濾除直流分量

右圖左邊是剛通過二極體整流的訊號，其中包含三個成分：

  1. 要還原回來的音頻訊號。
  2. 直流分量：檢波電路輸出訊號的平均幅值大小，檢波電路輸出訊號幅度大，其平均值大，這一直流電壓值就大，反之則小。透過接地的電阻，訊號的各點電壓幅值均減去平均幅值，音頻訊號向下平移，修正掉原始訊號電壓因為去掉下包絡導致的向上偏移。
    直流成分在收音機電路中用來控制一種稱為中頻放大器的放大倍數(也可以稱為增益)，稱為AGC(自動增益控制)電壓。AGC電壓被檢波電路輸出端「耦合電容」隔離，不能與音頻訊號一起送到後面放大電路中，而是專門加到AGC電路中。
  3. 檢波電路輸出訊號中還有高頻載波訊號，這一訊號無用，在通過高頻濾波電容時，被濾到接地端。

三、放大電路

放大電路的主要零件為電晶體，以 NPN 三極體為例，訊號由基極(B)導入(IB)，其電流變化會導致射極(E)與與集極(C)間形狀相同但卻放大十數倍至數十倍的電流(IC,IE)。

在工作電壓範圍時，射極與與集極的迴路中即使加上電阻，電流也不會變小，只是會使得電池消耗得更快而已。

詳細的訊號放大機制，請見本頁「電晶體電壓訊號放大原理」。

將第一個電晶體的輸出再導入第二個電晶體的基極，可將放大的訊號再次放大。

四、連接調諧電路、檢波元件與放大電路並提供電源

調諧線路的原理與實作

串接「電容」與「電感」，然後兩端加上電位差。

  • 電感(線圈)：以字母「L」標記，單位是亨利(henry)，標記為「H」。1 H = 1 Wb/A (1 亨利 = 1 韋伯/安培)
    1. 電感＝單位時間內，想有單位電流的變化時，所產生的感應電動勢。
    2. 感應電動勢想要抵銷磁通量的變化(電感不希望流經它的電流發生變化)，並正比於磁通量的變化量。。
    3. 電感兩端電壓的變化，超前電流的變化。當線圈的電流將要發生改變前，電感便會形成感應電動勢來減緩電流的變化；不是電流已經發生改變了以後，才形成感應電動勢來減緩其變化。
  • 電容(兩塊平行金屬板)：標記為「C」，單位是法拉(farad)，標記為「F」。常用微法拉(μF,10− 6法拉)。1 F = 1 Q/V (1 法拉 = 1 庫倫/伏特)
    1. 電容兩端的電壓(電位差)與所儲存的電荷量成正比。
    2. 電容兩端電流的變化超前電壓變化。
  • 紅色為電源電壓曲線，黃色為電阻電壓曲線，藍色為電感電壓曲線，綠色為電容電壓曲線。請注意藍綠兩色波幅相反，總和始終為 0。
    1. 由於線路上即將會形成電流的變化，於是會在電感兩端形成感應電動勢，並形成電流。
    2. 電流便會在電容兩端充電，而逐漸形成電位差，
    3. 電感兩端的電位差便逐漸減少，同時，電流逐漸增加使得電容電壓逐漸增加
    4. 電感電壓為零時，電流也增至最大，此時電容兩端的電壓等於電源的電壓。
    5. 電流繼續使電容充電，電容兩端電壓大於電源電壓。
    6. 由於電流的減少使得電感兩端形成負的電位差。
    7. 電容電壓＋電感電壓＝電源電壓。
    8. 當回路電流變為零，此時電感兩端有最大的負電壓，電容兩端有最大的正電壓。
    9. 上述過程以特定的頻率周而復始繼續變化，此特定的頻率。
    10. 由於線路中存在電阻，能量會逐漸損耗，實際的最大電流/電壓都會逐漸減少而歸於沈寂。
    11. 若要變化繼續維持，可以加上交流變化的正弦電壓訊號。當外加的電壓信號頻率 與 原來振盪頻率越接近時，其電壓/電流也會越大。這種現象稱為「共振」。

礦石收音機設計

簡稱礦石機，只包含：

  1. 調諧電路：如右圖中的L1、C1、天線、地線。
  2. 檢波元件：如右圖中的D1、C2，其中的二極體有時有天然礦石取代。
  3. 耳機。沒有放大電路和電源，所以只能用耳機聽。

火材盒礦石機

可網購零件礦石機

電晶體電壓訊號放大原理

首先我們先利用輸入電壓e和偏壓電壓E1產生基極－射極間電壓(VBE)，並且讓與前述電壓(VBE)呈等比例的電流(IB)，也就是hFE(註)倍的電流(IC)通過集極，當集極電流(IC)通過電阻RL後，電壓IC × RL就會出現在電阻RL的兩端。所以，輸入電壓e就會被轉換(放大)為電壓ICRL，並產生輸出。

※註：hFE，電晶體的直流電流放大率

NPN電晶體電流圖示
三極電晶體的輸出，橫座標為電位差，縱座標為電流。
藍色虛線左邊的區域為飽和區(Saturation)；由藍色虛線、紅色虛線和棕色虛線包圍的區域為主動區(Active)，在這個區域裡，射極電流與基極電流成近似線性關係；紅色虛線下方表示電晶體尚未導通，處於截止區(Cut-off)；IB0為開啟電晶體的最小基極電流；圖中棕色虛線為電晶體的最大集極耗散功率，它與兩條坐標軸包圍的區域為安全工作區，與橫軸的交點為最大集極-基極電壓。

另一款簡單的調幅(AM)收音機

零件清單

  1. Q1 - NPN電晶體BC548，(用 2N5551 取代)
  2. D1 - 鍺二極體 1N34，(用 1N60 取代)
  3. L1 - 線圈
  4. CV - 可變電容器
  5. T1 - 電晶體變壓器1000：8
  6. SPKR - 微型揚聲器 8歐姆 x 2英寸
  7. R1 - 電阻2.2百萬歐姆，1 / 4W，5%電阻
  8. C1 - 陶瓷或金屬膜電容器 0.1μF
  9. S1 - 閘刀開關或滑動開關
  10. B1 - 3至6V直流電源或四個AA電池

這一款收音機最強的調諧頻率範圍在 530 ~ 1600 kHz之間。

該電路僅使用一個三極電晶體作為放大器，並且使用變壓器驅動小揚聲器。由於電路的放大率非常差，因此需要一支很長的天線。天線應為15至50英尺長，以獲得最佳效果。良好的接地也很重要。

這是一種小型廉價的電晶體收音機，具有低收聽音量，特別是在低功率電台。如果電台功率太弱，請使用低阻抗耳機更換揚聲器。

電源由兩個或四個AA電池組成，電流消耗非常低，使用壽命長。電路電流僅幾個微安培。

L1是一個抽出線頭的線圈，連接到可變電容器CV。這些東西通常可以在非工作電晶體收音機，以及揚聲器和變壓器中找到。

下圖顯示了這些零件的工作原理圖。二極體D1用來作檢測器，Q1用來作音頻放大器。T1是普通電晶體輸出變壓器。

T1是電晶體變壓器（1000：8），揚聲器是微型的。但是，如果你有一個不用的AM收音機，你可以不花錢而得到這些零件。

使用時，接通S1並通過調整CV調諧到所需的電台。您可以根據電晶體增益來調整適當的R1以獲得最佳結果。

更多發想

要獲得更好的性能：

用達林頓電晶體（例如BC517）替換Q1，並為R1找到更好的值。可以使用在2.2到10百萬歐姆之間的範圍內的值。

在鐵氧體棒(磁鐵)上將No.28線更換為20匝，嘗試調諧短波電台。使用長線作為天線。 必須仔細研究L1抽頭的位置，以獲得最佳選擇性和靈敏度。

在T1和揚聲器的地方試驗一個水晶聽筒。一個1萬歐姆的電阻應與耳機並聯接線。

調幅與調頻

一、調幅(Amplitude Modulation AM)

調整讓電磁波的振幅隨著聲波的振幅強弱而改變(振幅隨時間改變)，所傳送電磁波的頻率不變。

當聲波壓力最大時，振幅也最大，當聲波壓力最小時，振幅也最小。當聲波完全消失時，並沒有電磁波傳送出去。

通常一般 調幅(AM)電台的頻率在 550kHz ~ 1600 kHz 。

AM 電台的訊號強弱會隨時需要調整，因而不能一直都傳輸最高功率，當訊號過弱和背景訊號無法區分時，便產生連續的背景聲音。

低頻的無線電訊號有另一個優點便是能藉由大氣層內的電離層反射回來，尤其太陽下山後，反射效果更好，於是可以收到很遙遠的訊號。

二、調頻(Frequency Modulation FM)

調整讓電磁波的頻率隨著聲波的振幅強弱而改變(頻率隨時間改變)，所傳送電磁波的振幅則不改變。

當聲波壓力最大時，頻率也增加最大，當聲波壓力最小時，頻率也減少最小。當聲波完全消失時，所傳送的頻率就是電台的頻率。

調頻(FM)電台的頻率在 88MHz - 108MHz ，即 88 百萬赫茲到 108 百萬赫茲，可是電台卻常說成 88 兆赫 ，很奇怪！

而 FM 電台的訊號則可以隨時都以最高功率發射，於是雜訊的問題就相對較少。所以 播送音樂時以 FM 電台效果較好。

現代的 FM 電台還播送立體聲，立體聲表示有兩個喇叭的聲音，若 A 與 B 代表兩個喇叭的聲波的空氣壓力訊號。

將 A+B 的訊號 以 20-19000 Hz的訊號調頻送出，C
將 A-B 的訊號 以 19020-38000 Hz的訊號調頻送出，D
19000 Hz 的訊號則代表是 立體音。
接收器接收以後再 分為 A 與 B 個別的訊號，分別送到兩個音箱，重現立體音。
知道是立體訊號時，將 D 類的訊號減去 19000 Hz 然後與 C 相加便得 A，與 C 相減便得 B。

FM 的電台還是有其缺點：高頻的訊號波長短於是 大多直線前進，於是傳送距離不易超過 100km 。

取自「http://jendo.org/wiki1231/index.php?title=收音機的原理與實作&oldid=27577」