超外差式收音机的电路仿真

冯升同, 郭立群, 刘 东, 杨 光, 吴 波

(北京石油化工学院 工程师学院，北京 102617)

超外差式收音机的电路仿真

冯升同, 郭立群, 刘 东, 杨 光, 吴 波

(北京石油化工学院 工程师学院，北京 102617)

为了提高超外差式收音机原理的教学效果，把Multisim引入课堂。首先，利用Multisim创建了振荡线圈和中周模型。在此基础上，再将收音机的工作过程进行完整地仿真，着重分析了本机振荡、变频以及经过三级中周选频放大后的信号。教学实践表明，这一措施有助于学生理解收音机基本原理，提高了学习兴趣，并对收音机的检测和维修有很好地指导作用。

超外差式收音机；Multisim仿真；变频；中频变压器

0 引言

由于超外差式收音机原理涉及到的内容非常广泛，理论也较艰深，而且我院授课的对象大多是非电子类的学生，甚至包括文科学生，因此学生普遍感到学习该内容的难度非常大，学习积极性不高，这也影响到后续的检测与调试实训项目的顺利开展。针对超外差式收音机教学和实训过程中存在的问题，把Multisim软件引入到课堂教学和实训中来，即利用Multisim软件把超外差式收音机的工作过程完整地仿真出来，包括对本机振荡、变频、中周选频放大和检波等过程进行仿真，观察每一环节的波形变化，通过直观形象的信号分析，让学生比较深刻地理解其各组成部分的基本知识，并在整体上领会超外差式收音机工作原理，为学生在以后实训过程中能够积极主动地测量数据，能够高效率地排查故障打下良好的基础，从而切实提高他们对电子电路的理解能力和分析能力[1,2]。

1 HX108超外差式收音机电路

图1是在我国大学生电子实训项目中广泛应用的HX108七管半导体超外差式收音机的原理图。

图1 HX108七管半导体收音机原理图

该电路简单典型，收听效果良好，主要由输入回路、变频级、中放级、检波级、低放级、功率输出级和AGC电路组成。整机中含有七只三极管，其中V1为变频管，V2、V3为中放管，V4为检波管，V5为低频前置放大管，V6、V7为低频功放管。根据HX108的电路图，由Multisim 11作出的仿真电路图如图2、3所示。由于仿真电路图比较庞大，采用分段显示的方法，并且电路图截止至检波级，因为检波输出后的音频信号可以直接驱动有源音箱工作，图上省略了低频声音放大和功率放大的部分。为简单起见，变压器、三极管、二极管尽量采用Multisim元件库中的虚拟元件。由于目前Multisim元件库中尚缺变压器和中周模型，现有的资料和文献对变压器尤其是中周的仿真鲜有提及[3]。在创建自己的变压器或中周模型过程中，则利用主元件库已有的模型进行修改并保存在用户数据库里。

图2 HX108仿真电路图(一)

图3 HX108仿真电路图(二)

2 输入回路、本机振荡模块

如图4所示，是HX108超外差式收音机的输入回路和本机振荡模块,其中B1是天线，B2是振荡线圈。

图4 输入级、本机振荡模块

输入回路是接受天线或其馈线的输出端和收音机第一个晶体管输入端之间的电路，它的作用是将天线上的信号电流转变成电压并传送到收音机第一个晶体管输入端。输入回路和本机振荡回路相连，构成双调谐回路，改善了信号选择性，增加了通频带宽度。但Multisim元件库没有现成的双联可变电容，可以用两个同一按键控制的可变电容代替。我国收音机的频率范围是535 kHz～1605 kHz，取输入回路的双联可变电容为7～270 pF，则

(1)

由上两式可以得到天线的初级电感量为L1=300 μH。在实际制作中，初级线圈圈数N1与次级线圈圈数N2之比N1/N2=10，可以计算出次级电感量L2为3 μH[4]。

在超外差式收音机中，采用了固定频率的中频放大器。由于中频是相对较低的固定频率，对器件要求低，容易做到高增益，选频特性也好，从而大大提高收音机的灵敏度与选频性。为此，需要一个电路将接收到的各个频段范围内的高频调制信号转换成固定频率的中频已调制信号，能完成这种功能的电路就是变频电路。为了产生变频作用，变频器中必须包含一个能产生本机振荡的电路和一个能将接收信号与本机振荡信号混频的电路。一般的简易收音机，产生本机振荡和混频的两个任务，都由一个三极管完成。本收音机中，完成这两个任务的是三极管V1。变频器的本机振荡部分是典型的互感反馈振荡器。决定本机振荡频率的回路由振荡线圈的初级、本振主调可变电容C1B以及跟踪微调电容Cb1组成。振荡线圈的次级是集电极反馈线圈。图中标出了振荡线圈的同名端，则互感耦合本机振荡器满足正反馈要求，能够自激振荡，产生一定频率的振荡信号，经电容C3注入到V1的发射极。

虽然Multisim 11的主元件库有非常丰富的元件，但是对变压器尤其是有中心抽头的变压器没有可直接使用的模型。因此需要在Multisim 11提供的理想变压器的基础上创建图1中所示的振荡线圈(B2)、中周(B3、B4、B5)模型，并保存在用户元件库里。就振荡线图B2而言，从Multisim 11的主元件库选取一个变压器模型，如图5所示，L1是初级线圈，L2和L3组成次级线圈。现在要将该模型修改成我们需要的振荡线圈B2，如图6所示。则L2和L3组成初级线圈L，L1变成次级线圈。L2、L3和可变电容组成振荡回路决定了本机振荡频率，L3是耦合线圈，且考虑了晶体管输入阻抗的影响。L1是正反馈线圈，供给振荡回路维持振荡的能量，按照等容双联电容计算，B2初级线圈的电感L=168 μH。选用LTF-2型振荡线圈，其用线数据为初级共84圈，在4.5圈处抽头，次级用同号线绕圈8圈，则N1/N2≈20 N1/N3≈11。根据这些资料计算L1、L2、L3。设变压器在理想情况下耦合系数K12=K13=K23=1，且线圈内阻为零。则

(2)

图5 原变压器模型

图6 振荡线圈B2模型

振荡线圈模型建立后，对电路进行仿真，用示波器观察V1发射极的波形，结果如图7所示。可以观察到，一段时间后，本机振荡输出稳定的正弦波信号。用频率计还可观察到，改变C1B、Cb1的大小，本机振荡频率会随之改变，如图8所示。如果观察不到本机振荡波形，除了分析该级放大电路的静态工作点是否合适外，最可能的原因是电路没能产生自激振荡，可检查振荡线圈初级、次级同名端的位置，或尝试拨动电源开关解决。在实际的收音机检测中，也会发现静态数据正常但整机无声的情况，可能是振荡线圈损坏，无法产生振荡波形。另外，本振电压也会对后面的工作产生影响，其大小由电阻R13调节。一般情况下，本振电压调到0.5 V为宜。

图7 本机振荡波形

图8 本机振荡频率

3 变频模块

本机振荡电路产生频率为fL的等幅振荡信号，加到变频管的发射极和地之间，输入回路接收到的由电台发送的调制信号fs加到基极和地之间，两信号在基极与发射极回路中叠加。由于半导体三极管是非线性元件，外来电台信号和本振信号加到非线性器件时会发生频率变换，产生fL、fs和它们的N次谐波信号以及fL与fs的和频和差频[5,6]。设加到输入回路的信号频率为1000 kHz，幅度为200 mV，本振信号频率为1465 kHz，幅度为1 V。观察三极管集电极输出的变频信号，结果如图9所示。可以看到，经过变频器输出的波形是多个频率信号叠加的结果，其中，分量最大的信号频率为1465-1000=465 kHz，表明高频信号经过变频，变为中频信号。要观察到明显的变频现象，必须满足UL≫Us，即本振电压为大信号，输入信号电压为小信号，且直流IC取0.3～0.5 mA，适当增加IC，可以增大变频增益。

图9 经过变频管输出的信号波形

4 中频放大模块及中周模型

中频放大器是超外差式收音机极其重要的组成部分，中放级的好坏对超外差式收音机的灵敏度、选择性、失真和自动增益控制等主要指标有决定性的影响。收音机的中频放大器工作频率为465 kHz，用并联的L、C谐振回路(中周)作负载。中周回路在谐振时，阻抗很高，回路两端电压很高，并联阻抗愈大，损耗愈小，Q值愈高,回路的选择性越好，但通频带会变窄。因此Q值和通频带这两个指标要兼顾。实际用到的中周和第2节振荡线圈结构相仿，是通过中间抽头与放大器相连，通过耦合线圈与负载相连。与没有中间抽头的变压器相比，回路有载Q值变高，而且由于抽头的作用，整个中频放大器的输出电容与负载电容对LC回路的影响变小，合适的抽头位置更容易实现阻抗匹配。HX108晶体管收音机中采用两级中频放大，所以需用三只中周进行前后级信号的耦合与传送(在图1上，颜色标注为黄、白、黑)在使用中不能随意调换它们在电路中的位置。在本仿真电路中，中频变压器用TTF型，三个中周绕制数据如下：B3(黄)初级线圈100圈在30圈抽头，次级3圈；B4(白)初级线圈100圈在40圈抽头，次级6圈；B5(黑)初级线圈100圈在40圈抽头，次级18圈。

根据以上三个中周的绕制数据在Multisim创建中周模型。中频变压器谐振回路谐振阻抗为R谐,其值越高，增益越大，也就是要求回路Q值高，L大，C小。由于回路受线圈分布电容和电路接线电容影响，所以C不宜太小，否则影响频率稳定性。通常回路谐振电容都取在200 pF，少数取510 pF。本实例用到虚拟的三极管，因此取C=510 pF,则

(3)

求出L后，按照振荡线圈模型同样的方法计算，三个中频变压器模型参数如下：

B3(黄)：L1=2.89 μH；L2=289.1 μH；L3=50.1 μH；

B4(白)：L1=2.12μH；L2=212.4μH；L3=94.4μH；

B5(黑)：L1=19.1 μH；L2=212.4 μH；L3=94.4 μH；

观察依次经过三个中周输出后的信号，如图10所示。从波形看出，变频器输出的多频信号经过中周选频后，不需要的频率信号被衰减，而需要的465 kHz的中频信号得到放大。三个中周的作用有所不同，第一中周重在选频能力，第二中周要求适当的通频带和选择性，第三中周则着重要求足够的通频带和增益。经过计算，一级中放的稳定功率增益约为25分贝，两级中放的增益约为55分贝。

图10 依次经过各个中周选频后的信号

5 检波模块

在超外差式收音机中，经过中频变压器放大后的信号仍然是调幅信号，因此需要依靠检波器把中频信号还原成音频信号，一般采用峰值包络检波电路完成[7]。HX108采用比较简单而典型的检波电路，如图11所示。三极管V4和检波电容C8是检波器的核心元件。检波器将放大了的中频调幅信号还原成所需的音频信号，送到后级低频放大器中进行放大，或者直接输入到有源音箱。对于检波后的残余中频成分还不能很好地滤掉，有时会引起振荡，因此添加了阻容滤波器C9和R9。在检波过程中，除产生了所需的音频信号之外，还产生了反映了输入信号强弱的直流分量，由检波电容之一C7两端取出后，经R8、C4组成的低通滤波器滤波后，作为AGC电压(-UAGC)加到中放管V2的基极，实现反向AGC。即当输入信号增强时，AGC电压降低，中放管V2的基极偏置电压降低，工作电流IE将减小，中放增益随之降低，从而使得检波器输出的电平能维持在一定的范围。仿真时，在天线输入幅度为20 mV，载波频率为1000 kHz，调制系数为0.5的调幅信号，其中音频为500Hz。经过检波输出后的波形如图12所示。由图可以看到，经过多级电路的传输后，声音信号有所失真。

(冯升同等文)

其中，检波电容C8对检波输出波形影响非常大，如果太大，会出现放电速率跟不上包络线的变化速率的现象，产生惰性失真。

图11 检波电路

图12 检波输出后的信号

6 结语

本文根据电子实训项目中的HX108收音机的数据资料，在Multisim 11创建了振荡线圈、中周等变压器模型。在此基础上，利用Multisim 11对收音机的工作过程做了完整仿真，包括输入级、本机振荡变频级、中放级以及检波级。通过观察每一级的信号波形，有助于学生理解基本电路原理，并能在整体上理解收音机原理，最终达到了提高了收音机原理教学效果的目的。

[1] 张志友.Multisim在电工电子课程教学中的典型应用[J]．北京：实验技术与管理，2012,29(4)：108-110

[2] 王尔申，李轩，王相海等.基于Multisim的电工及工业电子学课程仿真实验设计[J]．北京：实验技术与管理，2014,31(10)：128-131

[3] 殷国东，张敏.中周模型在Multisim中的实现[J]．西安：现代电子技术.2012，35(1):195-198

[4] 上海市业余工业大学.晶体管收音机[M].北京：科学出版社，1973．

[5] 沈炯．收音机的原理和维修[M].北京：科学出版社，1987．

[6] 钟苏，刘守义.高频电子技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007．

[7] 马兴平，程秀英，侯卫周.基于Multisim 10.1的二极管峰值包络检波仿真[J]．北京：实验技术与管理，2012，29(2)：85-87

Circuit Simulation of Superheterodyne Radio

FENG Sheng-tong, GUO Li-qun, LIU Dong, YANG Guang, WU Bo

(EngineeringCollege,BeijingInstituteofPetro-chemicaltechnology,Beijing102617,China)

In order to improve the teaching effect about the principle of superheterodyne radio, Multisim simulation is introduced into the teaching classroom.Firstly, an oscillator coil and three intermediate frequency transformer models are created by Multisim simulation.On this basis the simulation about the working process of the superheterodyne radio is implemented.Signal analysis is focused on local oscillation, frequency conversion and 3-stage intermediate-frequency amplification.Teaching practice shows that the measure helps students understand the basic principles of the radio and improve students′ learning interest, and also can provide guidance for testing and servicing of the radio.

superheterodyne radio; Multisim simulation; frequency conversion; intermediate frequency transformer

2016-01-13;

2016-05-04

北京市教委面上项目(KM201410017008)、北京市大学生科学研究训练项目(2016J00022)

冯升同(1972-)，男，硕士，实验师，主要从事电工电子教学工作，E-mail:fengshengtong@bipt.edu.cn

TN722-34

A

1008-0686(2016)06-0138-05