Борис Семенов - Путеводитель в мир электроники. Книга 2
Вас интересует, чем было вызвано появление такого популярного и сегодня вида радиоприемников? Оказывается, на заре развития радиотехники причиной тому стало несовершенство элементной базы, а точнее — усилительных ламп. Мало того, что они обладали низким коэффициентом усиления, это усиление еще сильно снижалось с увеличением частоты сигнала. Если же ставить много высокочастотных усилительных каскадов, то схема становилась склонна к самовозбуждению из-за емкостных паразитных связей между элементами. То есть проще было усилить сигнал с более низкой (промежуточной) частотой, что и позволяла сделать данная схема, перенося туда спектр полезного модулированного сигнала.
Итак, давайте вместе попытаемся понять основы работы супергетеродинного приемника. Посмотрите на рис. 11.55: сигнал с антенны через усилитель высокой частоты (УВЧ) поступает на смеситель. Роль УВЧ может выполнять транзистор с колебательным контуром. Мы встречали такие схемы в разделе, рассказывающем о приемниках прямого усиления. Другое — профессиональное — название этого узла: преселектор. Роль преселектора, кстати, может выполнять и обычный, перестраиваемый колебательный контур, который мы встречали в детекторном приемнике, если условия приема позволяют отказаться от предварительного усиления. Имеется также гетеродин, сигнал которого подводится к смесителю. Знакомая схема, не правда ли? Мы видели ее в разделе, посвященном гетеродинному приему.
Рис. 11.55. Структура супергетеродинного приемника Э. Армстронга
Взгляните также на рис. 11.56 и убедитесь, что память вас не подвела. На выходе смесителя мы получим разностную и суммарную составляющие частот гетеродина и входного сигнала.
Рис. 11.56. Пояснение принципа работы супергетеродинного радиоприемника
Получается, что «супергетеродин» ничем не отличается от гетеродинного приемника? Зачем тогда «городить огород»? На самом деле отличия последуют после смесителя. Обратите внимание — далее стоит не ФНЧ и телефон, а фильтр промежуточной частоты (ФПЧ). Селективная кривая этого фильтра чем-то напоминает селективную кривую одиночного колебательного контура, но имеет резкие скаты и почти пологую вершину в полосе пропускания. Полоса пропускания этого фильтра лежит в диапазоне, намного превышающем диапазон частот, слышимых человеческим ухом, например около 465 кГц, или 10,7 МГц. Соответственно преобразование спектра происходит для этого частотного диапазона, а не для диапазона звуковых частот. Несущая частота займет значение, например 465 кГц, а боковые полосы расположатся, чуть левее и чуть правее. Затем этот сигнал можно детектировать простейшим амплитудным или частотным детектором, не опасаясь биений спектров НБП и ВБП, усиливать и воспроизводить динамической головкой.
К чему такие сложности? Вспомнив недостатки изготовленных ранее приемников, мы можем сказать, что одиночный входной колебательный контур в условиях плотного радиовещания не обеспечивает необходимой селективности, регенерация контура неустойчива и часто искажает принимаемый сигнал.
Чтобы обеспечить высокие показатели селективности при минимуме искажений сигнала, нужно усложнять входной, контур радиоприемника, делать его многокаскадным. Если вспомнить, что этот контур нужно также перестраивать, задача создания такого узла превращается в очень сложную. Гораздо проще создать неперестраиваемый по частоте селективный узел и все сигналы преобразовывать к этой частоте. Именно здесь и заключается «изюминка» супергетеродинного приемника. Повышая частоту настройки УВЧ, мы одновременно повышаем и частоту гетеродина, а их разность остается постоянной, хорошо, фильтруется УПЧ. В данном случае эта частота называется промежуточной. Таким образом, селективность супергетеродинного приемника формирует не УВЧ, а ФПЧ, и именно к ФПЧ предъявляют жесткие требования (рис. 11.57).
Рис. 11.57. Сравнение характеристик УВЧ и УПЧ
«Нельзя ли сократить преселектор, превратив его в обычный широкополосный усилитель?» — спросит читатель. К сожалению, нельзя. И вот почему. Если УВЧ будет широкополосным или даже обладать недостаточно хорошими селективными свойствами (рис. 11.58), на выходе смесителя, благодаря его свойствам, появится не только преобразованный полезный сигнал (f1 — fG), но также и сигнал мешающий (fG — f2), отстоящий от полезного сигнала на удвоенное значение промежуточной частоты.
Рис. 11.58. Зеркальный канал в супергетеродинном приемнике
Что такое мешающий сигнал? Им может быть, например, соседняя радиостанция. Поэтому преселектор должен отсекать лишь зеркальный канал. Более высокие требования к нему предъявлять бессмысленно — они уже предъявлены к ФПЧ. А УВЧ «супергетеродина» состоит обычно из 1–2 колебательных контуров. Супергетеродинный приемник обладает еще рядом недостатков, о которых мы здесь не будем упоминать.
Поговорим теперь о ФПЧ. Если одиночный контур не может обеспечить требуемую селективность, то что делать? На помощь приходят так называемые системы связанных контуров, показанные на рис. 11.59.
При соответствующем выборе его элементов и настройке частотные характеристики этих систем, называемых фильтрами сосредоточенной селекции (ФСС), приобретут характер, показанный на рис. 11.59, а, б, в. Двухконтурные ФСС используются очень редко, наиболее часто можно встретить трехконтурные и четырехконтурные фильтры. Пятиконтурные ФСС в радиоприемной аппаратуре использовать нет смысла — ощутимого прироста качества не получить.
Рис. 11.59, а,б,в. Селективные характеристики ФСС:
а — двухконтурного; б— трехконтурного; в — четырехконтурного
В диапазонах ДВ, СВ, КВ значение промежуточной частоты радиовещательных приемников стандартизовано и составляет: у нас в стране 465 кГц, за рубежном — 455 кГц. Значение ПЧ в УКВ диапазоне — 10,7 МГц. Чем выше частота ПЧ, тем легче бороться с зеркальным каналом.
ФСС, построенные на основе контуров, настраивать трудно, и именно поэтому супергетеродинные приемники до настоящего времени были мало популярны у начинающих. Но сегодня разработаны и активно используются пьезокерамические фильтры (рис. 11.59, г), которые полностью заменяют ФСС. Что представляет собой пьезокерамический ФСС? Это пластинка с тремя выводами — вход, выход, общий контакт. На основе такого фильтра мы и построим супергетеродинный приемник УКВ станций.
Рис. 11.59, г. Селективные характеристики ФСС:
г — пьезокерамического
Внутри пьезокерамического фильтра размещена пластинка из титаната бария или другого вещества, превращающего электрические колебания в механические и наоборот. Важно сказать, что пьезокерамические фильтры обладают существенным недостатком — за границами полосы пропускания они не бесконечно ослабляют сигналы, а пропускают их с ослаблением примерно 50…60 дБ (типичное значение). Этот недостаток чаще всего устраняется включением на входе дополнительного резонансного контура либо последовательным включением нескольких фильтров.
Указанный недостаток устранен в электромеханических фильтрах (ЭМФП). Этот фильтр представляет собой круглый стержень с несколькими утолщениями, на концы которого намотаны катушки. Работает фильтр на основе магнитострикционного эффекта, который напоминает пьезоэлектрический эффект, но связан не с электрическим, а с магнитным воздействием. На одну из катушек подастся сигнал, и магнитное поле вызывает механические колебания в стержне. На его выходе, во второй катушке, образуется ЭДС. Требуемую селективную характеристику формирует конфигурация стержня. Электромеханические фильтры имеют постоянный спад характеристики за полосой пропускания, но из-за внушительных размеров и дорогого изготовления, применяются только в профессиональной связной аппаратуре (рис. 11.59, д).
Идеальная селективная характеристика ФСС показана на рис. 11.59, е). Она имеет идеально плоскую вершину в полосе пропускания и бесконечное затухание за полосой пропускания. Конечно, идеальных фильтров не бывает, и все приведенные реальные конструкции в какой-то мере приближаются к идеалу.
Рис. 11.59. Селективные характеристики ФСС:
