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高级收音机接收电路的设计畅想曲

作者:boris5741 日期:2009-09-17 人气:1630 来源:广播论坛 添加:5BCL.com 
极典的R801无疑是给一小撮先富起来的广播爱好者带来了福音,也是一位兢兢业业艰辛开拓的大师金秋季节的丰收。

现在让我们先来背一下领袖语录:(全体起立)骂托的滚,这篇文章不是给你看的!(坐下)

对于这样一款高级收音机,它的音响系统应该是不容置疑的,无论是胆功放,还是放声系统。去年我有幸亲耳聆听到大师设计的一款袖珍机器,它那甘醇浓郁的声乐深深的震撼了我,至今仍记忆犹新,昔日盛传于音响界的“南曾北关”我想决不是浪得虚名的。所以对于这样一台体积硕大的机器,所放出来的声音应该非一般的音响系统所能比的。一部6L6推挽机再加一对音箱的价格基本上就已经超过这台R801的在广播论坛销售的优惠价(俺是指鼎力推荐的R801:3380元原木贴皮手工箱,我这个人对木头不了解,所以不好说801W)了,所以就有人说过,“光立体声功放就已值机价,收音机部分当随机赠送”。

可但是当我看到这个“随机赠送”的“收音机部分”时,还是让我大大的失望了一把。从传过来的收音板的图片上基本上可以看得出这个电路其实就是普及型的收音机电路,和收音机界流行的TA7358+TA2057电路差球不多,或者可能就正是这个电路,这个电路要是经过良好的设计和调整能够达到的性能其实也还算不错,但如果把这个电路用在一个价值半万的高档机上就让人觉得不怎么舒服了。

有好多人更加喜欢全胆电路,收音机的接收电路使用电子管倒是比较容易实现更好的性能,原因在于电子管有很高的输入输出阻抗,可以和谐振回路良好匹配,电子管作为电压控制器件,它的输入信号可以从几个微伏到几个伏特甚至更高都可以很好的工作,这绝非一般的半导体器件可以比拟的!而且由于电子管采用超过150伏特以上的板极供电以及软失真特性,使得这种电路具有良好的线性,优秀的限幅特性以及抗阻塞性能,同时由于电子管的中放级能够向鉴频器或检波级提供更高的中频电压,可以大大的减少失真,这对于拥有极其优异的电声指标的高级收音机来说可以称得上是才子佳人珠联璧合。由于电路的高阻抗特性,要想使得它的优秀性能得到很好的发挥,良好的屏蔽是必不可少的,可但是电子管电路体积庞大,各种复杂的金属机加工使得整机的成本大幅度上升,采用扳金工艺只适于单机生产,而且从R801机的开盖图中可以看到它内部的空间已经不足以再放下由5-6个电子管电路构建的高中频电路了;另一方面,由于半导体器件的飞速发展,各种低噪音超高频器件已经很容易搞到了,使用这些半导体器件通过精心的设计同样可以达到非常优秀的性能,综合考虑下面将要提及的调谐元件的限制条件,我认为高级收音机的收音机电路还是使用半导体器件更为合适。

毛主席说了,手淫可以强身,意淫可以健体。我这个人有些懒,不大喜欢去干活,所以无论是手淫还是意淫也就都是些稀松平常的事儿了。看到这么好看的R801配了个这么个的收音板,意淫一把高级收音机中应该用个啥样儿的电路也是情理之中的事儿了,且美其名曰“畅想曲”。

首先我要说的是调谐元件。

单纯从元件的电性能来说使用空气可调电容无疑是最佳的选择,可是这种古老的庞然大物现在已经很难寻觅,开模专门做这个东西吧我看并不划算。我要说的是如果是使用电子管作为放大器件的话,由于它们的工作电压高,倒确实有必要使用空气可变电容;当然还有一种方法就是使用调感调谐回路,但这样会使调谐回路的球值受到限制最终影响到性能,不过如果做得好的话估计也是一个很好的设计思路。

我最不喜欢的就是用塑料壳儿可变电容,但很无奈,当今世界风靡这玩意儿。

高档收音机如果用半导体做有源放大器件的话最好是用变容二极管,个人愚见,大家抛砖吧。

现代的变容二极管已经达到了很好的性能,我手头有很多颗可以用在调频头电路里型号为BB201和BB207的变容二极管以及可以用在AM电路里型号为1SV149变容二极管。这些器件拥有很好的线性以及极低的等效损耗电阻,配合高Q值的调谐线圈一定能够获得非常优秀的性能。BB201和BB207是在封装内部把两颗变容管做成背靠背的孪生管形式,性能接近于空气可变电容器,广坛老法师对这种调谐元件曾有过这样的结论:5对变容二极管调谐系统与空气4连的性能相当,对于高级收音机来说,使用5对变容二极管调谐系统已经足够,太多的调谐回路会增大系统的跟踪误差,从而使群时延特性变坏,最终使音质下降,失真加大。而用于AM调谐回路的1SV149,它在1MHZ的频率下空载优值在整个容量变化范围内都超过了200,比绝大多数的有机介质的可变电容的优值要高。

使用变容二极管调谐最明显的优点有两个,一是使用变化的直流电压来实现调谐,这给调谐机构件的安装设计提供了极大的便利;二是大大的缩小了高频电路部分的体积,为建立良好的屏蔽条件提供了极大的方便。当然还有其他还有很多优点,比如多点统调,可以使用多个调谐回路等等。

说完调谐元件,下面就得说说具体的电路了。

毋庸置疑,现代收音机电路已经是集成电路的天下,然而由于受到芯片工艺的限制,以及芯片内部供电,地线以及各种高频串扰的存在,我不得不遗憾的认为:使用高度集成化的电路本身就是限制收音机接收性能提高的瓶颈!为了达到高级收音机应该具有的电性能指标,也许我们不得不放弃这种简单省事的电路程式,而使用三极管(包括MOS管)加上功能单一的简单集成电路的方式,而且对于高级收音机来说,调频电路和调幅电路除了电源部分以外其余是不应该有共享部分的。下面俺将分块描述之。

1.    调频接收电路
对于高级收音机来说,调频接收电路可以说应该是核心和灵魂!因为在电磁环境日益恶化的今天,只有调频广播有可能为我们提供优质的节目源——请注意我说的是可能,而不是一定哦,因为毕竟在我朝我代,大多数电台都是播以老中医为主导的节目嘛,当然它们偶尔也少量播一些像新闻,音乐之类的节目。

关于调频接收电路,老法师曾经在一篇题曰《调频广播60年》的著作中为所有的调频收音机设计师高屋建瓴地提出了总的纲领,他老人家高瞻远瞩,一针见血的指出:在高级调频收音机的电路中,各个部分对整机各项指标的贡献,概括如下:A 解决互调和假响应从高频头入手;B中频放大器是失真之源;C鉴频器的关键是线性和带宽;D最放心的是立体声解码器;E不可忽视的低频前置放大器。 

单纯说调频接收,我要说的主要有下面的三个部分。

(1)    高频头电路

高频头电路的功用是把天线收到的无线电台的信号频率转变为中频信号。
由于高频头处于整机的最前级,所以低噪音是必须的,对于设计精良的电路来说,调频头的噪音电平决定了整机的门限值,只有降低这个门限值,才有可能通过进一步提高整机的增益(主要由中放级提供)来提高收音机的灵敏度。调频头里面的核心电路是变频,这个非线性电路对噪音具有最大的贡献,所以我认为降低噪音首先就应该从它着手。

由于现在大都市调频电台林立,互调和假相应已经成了调频头电路里首先需要考虑的头等大事。而形成互调和假相应的罪魁祸首就在于有源电路,尤其是非线性的变频电路。所以设计的要点就是保证进入混频器的电台信号已经是完全单一的点频,这对于担负选频功能的的LC调谐回路提出了很高的要求,对于一个100M的调谐回路要有足够高的选频特性这可不是随随便便就可以做得很好的,上面说到过,我们要使用5对变容二极管调谐回路组建这样一个调谐系统!为了改善互调和假相应指标,同时对于本振的波形也提出了极其苛刻的要求,幅度不能太大,必须要是100%的纯纯的正弦波。如果是我来做这个混频器,首选的无疑就是采用双场效应管配合恒流源和高频变压器来打造一个平衡式的混频器,保证在混频输出端最大限度的减少除了中频信号外的其他一切杂波。

下面要说的问题就是关于高放级的事儿了。为了提高载噪比降低接收门限提高整机灵敏度,高放级是必须的,原因很简单,一个放大器的对信号的噪音贡献显然要远远的低于处于非线性运行状态的混频器!但是就是这么个高频放大器,它也是产生互调和假相应的源头,天线接收到各种频率和电平差异巨大的信号如果通过选频不太好的调谐电路进到高放级,那么这些信号就有可能会形成互调。由于这种原因,我觉得最好是将所有的调谐回路全部放在高放级之前,但是即使如此,单个的足够大的高频信号也同样会形成谐波形式的假相应——与其如此,还不如不要这个高放。

所以我要说:如果是为了提高灵敏度,高放级是必须的;如果为了改善互调和假响应性能,这个高放级不要也罢——我见过一些很高级的调频收音机就没有使用高放级,对于这些高级收音机来说绝不是因为要降低成本而省掉这个高放的。

对于本振电路的要求上面都已经说过了,常见的电容三点式电路改进一把就可以了,比如进一步减少振荡管对谐振回路的耦合度,增加一级耦合输出级等措施都是些曾经行之有效的方法。

高级收音机的设计一般是不太计较电路方面成本的,因为他们在整机中所占的成本比例太低了。最后还有一个,像这样一个高级收音机的调频头,它对信号的总增益是比较低的,一般都不会超过20DB,这样设计对于抑制各种干扰是有好处的,但也对后面的中放级提出了更高的要求。

(2)    中放电路

老法师的最高指示:中频放大器是失真之源!
对于中放电路,核心包括三样:增益,选择性,带宽。
增益是对稳定放大提出的要求。

请注意这里的稳定二字,可不是闹着玩的。如果不需要稳定,可能只用一级放大器都可以达到我们所需要的高增益。而需要稳定的增益,那要付出的代价就有可能是相当的大的了。高级收音机调频接收的所有增益几乎全部是由中放级来提供,至少也得有100个分贝——我觉得这是区分高级收音机和低级收音机的分界线,也就是说如果你的收音机的调频中放部分的总增益超过了100个分贝那么你的收音机就是高级收音机,否则就是低级收音机。即使是对于一个低频放大器来说,要做好100DB的增益也是很麻烦的事儿,何况乎10.7MHZ这样高的一个频率!地线,电源的走线,退耦,各级之间的屏蔽,哪一样稍有疏忽必然会导致中放级不稳。好在这个中放只是放大10.7MHZ这样一个相对带宽比较窄的频率,可以使用谐振回路做负载,否则这事儿还真没法干。相信能够看到这个地方的人都是懂电路的,所以也应该知道能够提供增益的元件有电子管,晶体管,运放,还有个叫啥参量放大器的那玩意太玄就不算它了。此外由于很高的增益必然对前级的低噪音有要求。一般情况下调频中放都没有AGC控制,可是从混频器进到中放级的信号幅度的差异一定是巨大的,但在到达鉴频器那里时信号电平却都是差球不多的。这是为什么涅?因为构成这个中放的电路是由很多级放大来完成的,那些大信号在前面几级就已经限幅了,而弱一些的信号可能会在后级放大电路里限幅了,所以对于中放电路来说又提出了一项全新的要求:良好的限幅特性。这对于电子管来说是个拿手好戏,但对于固体器件来说就不那么容易做了。限幅后的信号必然有谐波辐射,所以屏蔽与信号隔离就显得更加重要。对于提供增益的放大电路来说,它应该可以工作于限幅条件下但不能处于深度限幅状态,否则就会出现调频信号的相位失真了。对于负载为谐振回路的放大器来说,合理的选择好级间的耦合系数就可以了。举个例子,对于用普通三极管的谐振负载电路,设计时只要保证当本级已经处于限幅状态时,集电极的谐振回路耦合到下一级基极的电压值大约为26个毫伏左右就差不多了。

选择性和带宽是对滤波器提出的要求。
选择性和带宽可以算得上是一对欢喜冤家,要想兼顾还真不是那么容易,除此之外,中放的失真之源其实主要也是针对滤波器而言的,主要要求就是要有很好的群时延特性,在一定的带宽范围内微分增益是一条直直的直线。关于10.7MHZ带通滤波器,可以搞成各种形式的,有叫啥高斯型的,啥切比雪夫形的,还有我连啥名儿都叫不上来的,总而言之有太多的问题需要去详加研究,由于在下才疏学浅,远非这篇胡编乱写的小文所能述也!

但是我们收音机中用的最多的那种三条腿儿的滤波器,由于离散性太大,需要专用仪器挑对儿使用,而且需要和电路实行匹配,据说它们的群时延特性不好会造成鉴频器输出失真的音频信号,这个东西如果要用在高级的收音机上需要更加仔细的测试,而且好的这种滤波器价格昂贵,品种稀缺,难觅芳踪,还不如用LC谐振作各个放大级的负载,再配合扫频仪认真调调更加容易获得比较好的效果。

一般来说,为了保证音质,减少失真,高级收音机的调频中放级的带宽至少要达到250KHZ方能保证音频失真控制在1%以下,但是过分放宽中放级的带宽显然会造成邻频选择性下降,在调频电台众多的地区邻频串扰的问题就出来了,所以很多高级的收音机都装有宽带-窄带选择开关,我手头一部德生的S2000就有这么个开关,多次使用后发现这个开关还是很管用的,可惜这台机器的音质不好,放在宽带位置并没有感觉到声音有多大变化,所以我就一直把这个开关置于窄带的位置。就我个人愚见,只要中放级的增益足够高,接收机拥有足够高的俘获比指标,宽窄带选择开关并不是必须的。
再说说LC谐振电路吧,我的想法是最好是做成像电子管机上用的那种大大个儿的那种,双谐振回路,Q值爆高,电子管和晶体管元件通吃。俺以前用312的中周改装了几只,在扫频仪上扫出了非常良好的曲线,呵呵,堪可用在高级收音机上。







根据上面的各项分析后我认为作为一个高级收音机整个中放级可用5-6级晶体管配合集电极中周来构建比较现实可行,每一级的增益大约20DB左右,并且从第二级以后的各级都具有软限幅特性。为了保证良好的线性,并向鉴频器输出足够的中频电压,应该使用超过12V的供电电压才好。

当然为了简化设计,也可以部分的使用现代集成电路中的中放级来充当后面2-3级的中放加限幅级,由于这些芯片内部的中放增益多在50-60DB并且基本上使用差分对电路,具有比较好的限幅性能,可以使整个机器的调频中放电路大为简化,并且性能稳定,调整方便。不过由于这些芯片基本上都是使用移相鉴频,通过扫频测试我发现这种鉴频器带宽不够,线性不好,不能用于高级的收音机,可以从它的移相电路处取出信号,外接其他的鉴频器(比如下面所说的相位鉴频器)。为了保证良好的性能,在使用这些芯片时应该使它们除了调频中放电路以外的所有其余电路特别是一些振荡完全停止工作,以防各种不必要的干扰,千万不要说是大材小用,我们要做的可是高级收音机。

(3)    限幅与鉴频器

限幅器其实在上面的中放电路的描述中已经说过了,对于不高级的收音机,由于中放的总增益不够高,所以需要靠鉴频器帮助限幅,所以多使用限幅性能良好的比例鉴频器;可但是对于高级收音机来说,酱紫干也太没有出息了,足够高的中频增益早应该使信号限过幅了,有的甚至已经限幅过好几次了!

对于鉴频器,我还是非常看好用两个谐振回路的比例鉴频器和相位鉴频器,这种经典的鉴频器经过精确的计算和设计都能够达到非常好的性能。我曾经得到一本上好的古书,题曰《晶体管收音机》的无线电与电视的特辑版,上面有一篇《比例鉴频器的原理与设计》的著作,专门介绍这种鉴频器的设计,最后文章给出了这种鉴频器能够达到的性能,完全能够满足高级收音机应该达到的高保真要求。






相位鉴频器虽然不具有限幅能力,但是由于它拥有更好的性能指标,所以广为高档接收机使用,而这种鉴频器的设计和计算完全可以参考这篇《比例鉴频器的原理与设计》。我用扫频仪扫过一个调谐器的调频电路,从图中可以看得出它那足够宽的带宽和良好的线性,我研究过它的鉴频电路正是使用的这种相位鉴频器。









最后再简单的说说关于立体声解码,既然被认为是最让人放心的部分,也就没啥好说的,高级收音机当然要用PLL锁相环解码器了,一个集成块搞定,信号的幅度既不算太大,以至于使放大器削波;也不会小到要去考虑噪音的影响,真真让人放心,呵呵。

2.    中波和短波接收电路

其实我是最不想说调幅接收电路的,因为在高级收音机中这部分的电路完全可以不要它!原因在于,要想做好调幅信号的接收要比调频困难很多,而即使是做得很好的调幅收音机,由于信号的天然缺陷以及各种干扰,非常不容易达到很好的音响效果;在短波段基本上全是语音广播,各种人为的,天然的干扰让聆听者无所适从。而在网络发达的现代社会里,聆听者想要获得的那些信息完全可以通过网络获得,当然有时候可能要用一些雕虫小技来透过一些屏蔽。总之我觉得调幅电台的接收意义寥寥,而要做好它却要比做好调频接收付出更大的代价,记得从前有个老板说过,价值又小又要付出巨大的努力的事情,不做也罢了。

可但是这里只是意淫或者是畅想,又不是真正的要去做它,更何况极典R801收音机也拥有AM中波和两个短波段,所以我还是准备分以下的四个部分去说说在高级收音机如何去做好中波和短波段的接收。

(1)    高放和变频

由于AM接受一般使用比较低的中频,比如465KHZ,所以镜像干扰的问题就比较突出。低级收音机一般将就将就也就算了,但甚为考究的高级收音机可不能这样哦,为此有两种方法来解决这个问题,一个是增加高放级,提高变频级之前的信号选择性;还有个办法就是采用多次变频,这种电路通讯电路里用的特多,那是因为通讯系统工作于高频传输窄带信号的原因吧。就我个人而言我是不喜欢二次变频的电路,无论是变频器还是振荡器都是比较大的噪音源,特别是变频器是滋生各种干扰和交调的是非之地。

采用一级调谐高放会使电路复杂,特别是多个波段各种线圈的排列和屏蔽是个比较头疼的问题,弄得不好就会使这一级工作不稳定,所以通常高放级的增益也不敢做得太高,一般不超过20DB。但是由于多了一个高频信号的选频回路,所以对整个收音机调幅接收的各项性能的改善是非常显著的。高放电路一般都加有AGC控制,控制的范围一般在15个DB左右。

对于中波的接收我觉得使用200MM长可以机内旋转的磁性天线就非常好。好多调谐器都用那叫啥磁场型框形低阻天线的,号称能够抑制外界环境之电场干扰云,我用过几台后发现这种天线根本不如所吹嘘的那么好,增益太低,增加放大器后各种干扰照样出现。
短波的天线建议使用调谐的框形天线,有好些高级的收音机使用这种天线,感觉要比拉杆天线的效果要好得多。

高级收音机的本机振荡器和混频器应该是分开的。本振基本上也没什么好说的,采用抽头式电感组成的振荡电路,就可以输出波形良好的信号。至于混频电路,还是觉得要用双场效应管配合恒流源和高频变压器的那种妥当些,主要的优点就是组合干扰的频点少。

最后还要说一说的就是波段开关,最好是用那啥转鼓形的,本身有屏蔽作用,连接线短,分布参数的影响甚微,但结构复杂,加工困难。我有个好的主意,就是使用继电器切换波段,而且各个波段的电路完全独立,每个波段都有它自己的高放管和振荡管,反正这些三极管都是不值钱的东西,继电器通过下面三个方面的触点切换达到切换波段的目的:一是将变容二极管切换到各个波段的调谐回路;二是切换各波段的高放和本振的供电源;三是将相应波段的高放耦合的输出切换到混频器的输入端。

至此我已经设计好了这种高级收音机的调幅部分高频电路的主体框架:级联高放+双场效应管混频,独立的本振电路。

(2)    检波器

先说检波器是因为我想向大家介绍俺最新的发明:使用高速运放构成的高频绝对值电路作为AM的检波器!

绝对值电路大家并不生疏,课本中也有介绍过它的电路。它的最大优点就是通过运放成功的解决了普通二极管存在死区电压的问题,我通过试验已经证明这种电路即使是在十个毫伏的信号电平下也能够实现良好的线性检波。但是这种电路对运放速度的要求极高。要想实现对465KHZ的中频信号检波,使用的运放的增益带宽积至少要到100M以上才能达到理想的效果。而普通的运放比如TL082,LF353之类在频率超过15KHZ时基本上就不行了。我在实验电路里用的是视频高速运放AD811,它在465KHZ的频率下实现完全线性检波勉强够格。







用这种电路实现完全线性检波,它的好处是明显的。在使用正负9V的供电条件下,它可以接受来自中放级10毫伏——2.5伏特的动态范围的中频信号,可以方便的在音频范围内实施40DB以上的AGC控制,而这种控制相对于中放或者高放级AGC控制来说显然要方便有效得多,从而降低了对中放级增益的要求,大大的减少了调幅信号的波形失真,也极大的减少了调谐放大器因为AGC的作用而对谐振回路的影响。而且通过滤波可以获得动态很大的直流电平,可以用来对前级的中放和高放进行AGC控制,实行AM的超动态接收,可以直接驱动电平表指示信号强度;通过改变这个滤波器的时间常数可以方便的控制AGC控制速度,我觉得分为1秒,100个毫秒快慢两档就可以了。

使用这种绝对值线性检波器更为重要和可贵的是这种完全的线性检波极大的减少了传统的检波级由于非线性而引起的各种失真,对调幅信号的高保真接收提供了强有力的保障,所以它应该是高级收音机调幅接收首选的检波电路。

由于需要使用两颗高速运放来构建这种绝对值电路,而这种运放的售价不菲,但对于价值数千的高级收音机来说这不过是驴子头上的一条毛罢了。

(3)    中放与带宽控制

如果使用了俺上面所说的那种牛强的检波电路,那么对于中放级的设计就比较容易了。我认为只需要使用一级共基-共集的级联电路就可以达到足够的灵敏度要求了,通常一级这样的电路在465KHZ的工作频率上可以达到46DB以上的增益,并可以加上20-30个DB的AGC控制。

由于中放的级数少,所以中频滤波基本上属于集中式滤波了。对于高级收音机来说,调幅的带宽控制无疑是必不可少的。其实这种滤波器我也已经在那本《晶体管收音机》的无线电与电视的特辑版的古书上找到了,在第36页有一篇题曰《多回路中频放大器设计》的,主要就是介绍的春雷3T2高级收音机中使用的调幅中放级,文章重点极其详细的介绍了这种具有带宽控制的滤波回路的设计和计算,并给出了所有的中周的绕制数据,以及试验后所达到的优秀的性能。

这种中频选频系统再加上一级级联中放配合上面的牛强的检波器,用在高级收音机中那绝对是好到极点。

(4)    AGC控制

由于调幅信号无法进行限幅放大,面对来自天线差异巨大的各个电台信号必须通过强有力的AGC电路控制才能使电路正常的工作。

前面的几个部分基本上已经给出了这个高级收音机电路的AGC性能。总的AGC控制范围96DB,其中包括音频46DB,高放15DB,中放25DB,鹅的神,完全的属于超动态接收了!还记得以前那谁,上海无线电三厂李传钟和曹锦馨的名著《超动态、宽频响优质晶体管调幅收音机》么?其中AGC的控制速度分为快(100毫秒)慢(1秒)两档。

对于音频范围内的AGC,其实我们有现成的用于传声器的ATT芯片可以用,这里不再多说了。而控制高中放的AGC我觉得应该使用那种三极管基极信号分流的方法比较妥当,首先由于基极回路对谐振回路的接入系数很小所以AGC起控时对回路的影响也比较小些,其次信号分流后会降低谐振回路的优值,这使得大信号时中频带宽展宽,可以适当的改善音质。

最后我想说说我对于将要购买的R801收音机的接收性能的期望:只要在我的住处松江新城能够成功的接收到调频90.4MHZ的宁波电台每天早上6:15-6:45播出的戏曲早场就可以了!这个要求其实是很低的,因为我手头大约有60%的收音机都是可以收到的,而且俺穷,手头也并没有什么像样的好收音机。

谢谢观赏

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