Супергетеродинный приемник

Давайте познакомимся и со вторым знаменитым детищем Э. Армстронга, предложенным им еще в 1920 г. — супергетеродинным радиоприемником. «Супергетеродин» — это уже более сложный тип приемника, получивший в наши дни наибольшее распространение. Супергетеродинная схема используется и в профессиональной аппаратуре, и в бытовой технике, производимой промышленностью. Она обладает высокими показателями селективности, чувствительности к слабым сигналам, временной стабильностью, качеством звука.

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 — f_G), но также и сигнал мешающий (f_G — 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:

_{д — электромеханического; е — идеального}

Классический супергетеродинный приемник трудно изготовить начинающим радиолюбителям — настройка некоторых его элементов сопряжена с массой сложностей, которые под силу преодолеть только людям с опытом. Однако современная элементная база позволяет обойти львиную долю этих сложностей, и мы все же попробуем сделать несложный «супергетеродин» на микросхемах.

Этот приемник построен на импортной микросхеме ТА8164 и предназначен для приема станций УКВ диапазона в отечественном (64…73 МГц) и импортном (88…108 МГц) диапазонах. Переключение диапазонов осуществляется электронным способом. Если читателя устроит радиоприемник на один диапазон, он может не устанавливать некоторых деталей, о которых скажем ниже.

Схема простого супергетеродинного приемника, публикуемая впервые, представлена на рис. 11, 60, а структурная схема — на рис. 11.61.

Рис. 11.60. Супергетеродинный УКВ ЧМ радиоприемник

Рис. 11.61. Структурная схема микросхемы ТА8164

Как утверждает производитель микросхем фирма «Тошиба», чувствительность по входу высокой частоты находится на уровне 4 мкВ, то есть соответствует приемнику высокого класса. Внутри микросхемы имеется как тракт ЧМ, так и тракт AM, но мы не будем работать с амплитудной модуляцией. Итак, сигнал с антенны WA1, представляющей собой любой из вариантов, описанных выше, — полуволновой вибратор, петлевой вибратор, отрезок медного провода длиной 1,0…1,5 м, поступает на вывод I микросхемы DA1. К этому выводу подключен вход преселектора, селективную характеристику которого формирует резонансный контур, подключенный к выводу 15. На схеме рис. 11.60 гетеродинный контур соединен с выводом 13 через разделительный конденсатор С8, отсекающий постоянную составляющую напряжения.

Нагрузкой частотного детектора служит контур L6, С12, добротность которого искусственно снижена резистором R11. Тракт ПЧ имеет внешние выводы 3 и 8, к которым подключен пьезокерамический фильтр Z1 на частоту 10,7 МГц, а также согласующий контур L5, С10 с катушкой связи. Конденсатор С11 — фильтр амплитудного детектора. Далее сигнал через дополнительный ФНЧ R9, С13 поступает на регулятор громкости R10 и с него — на простой УНЧ, который практически ничем не отличается от приведенного в предыдущей конструкции.

Особое внимание читателя хочется обратить на узел переключения диапазонов (S1). Зачем нужно такое построение схемы? Дело в том, что коэффициента перестройки варикапов VD5—VD8 не хватает для одновременного (однодиапазонного) приема 64…108 МГц, поэтому возникла необходимость введения разбивки диапазона на прием от 64 до 73 и от 88 до 108 МГц. Самая простая коммутация может быть выполнена подключением или отключением дополнительного конденсатора в контуры преселектора и гетеродина. Однако намного интереснее реализовать электронное переключение, которое при дальнейшей модернизации приемника можно использовать, чтобы управлять приемником с помощью микроконтроллера [7]. Итак, с помощью транзисторных ключей VT1 и VT2, коммутируемых переключателем S1, к приемнику подключаются катушки L1 и L4 либо — L2 и L3. Емкостной элемент контура преселектора составляют варикапы VD5 и VD6, конденсатор С2, а емкостный элемент контура гетеродина — варикапы VD7 и VD8 и конденсатор С5. Элементы R2, R3, СЗ — цепи подачи напряжения смещения на варикапы. Настройка осуществляется резистором R1.

Переключение катушек осуществляется так. Ток от источника питания через открытый транзистор, например VT1, через катушки L2 и L3, прямо смещенные диоды VD2 и VD3 стекает на общий провод. Закрытый же транзистор VT2 заставляет находиться в обратно смещенном состоянии диоды VD1 и VD4, а значит, катушки L1 и L4 не подключены к контуру. При переключении переключателя S1 в другое положение картина меняется на противоположную.

Приемник питается от напряжения 6 В, источником которого может быть и сетевой блок питания, и гальванические элементы. Неполярные конденсаторы — любые керамические, полярные — любого типа. Важно только, чтобы они не были слишком старыми и вписывались в размеры, отведенные им на печатной плате. Транзисторы могут быть с любым буквенным индексом, но предпочтительнее использовать с индексами «Б» и «Г». Резистор R1 — многооборотный. Диоды VD1—VD4 типа КД409А можно найти в селекторах каналов от старых цветных телевизоров.

Катушки L1 и L2 намотаны на каркасах диаметром 5 мм, виток к витку, проводами ПЭВ, ПЭЛ, ПЭТВ диаметром 0,4…0,5 мм. Количество витков: L1 — 4, L2 — 5. Катушки L3 и L4 — аналогичны, но L3 имеет 6,5 витка, L4 — 5 витков. Во все катушки ввернуты резьбовые подстроечники длиной 6 мм: катушки L1 и L4 имеют подстроечники из латуни, a L2 и L3 — из феррита марки 9ВЧ или 13ВЧ с резьбой М4. Латунные подстроечники можно приобрести, но можно изготовить и самостоятельно, нарезав резьбу на контакте штепсельной вилки; или раздобыть латунные винты любого вида и срезать с них ножовкой шляпку, после чего пропилить шлиц для отвертки.

Печатная плата приведена на рис. 11.62, монтажный чертеж — на рис. 11.63.

Рис. 11.62. Печатная плата

Рис. 11.63. Сборочный чертеж и внешний вид монтажа

Катушки L5 и L6 наматываются на унифицированных трех- или четырехсекционных каркасах с внутренним диаметром 3,5 мм. Эти катушки имеют цилиндрические подстроечные сердечники из феррита 100НН. Количество витков: L5.1 — 13, L5.2–2, L6 — 12. Провод диаметром 0,1…0,12 мм, намотка внавал. Выводы необходимо аккуратно зачистить и припаять к выводам каркаса так, чтобы его не расплавить.

Прежде чем начать настройку приемника, не поленитесь и изготовьте из кусочка диэлектрика (например, стеклотекстолита) отвертку для подстройки катушек L1…L4. Включив питание, переведя переключатель S1 в правое (по схеме) положение и установив движок резистора R1 примерно в среднее положение, попробуйте «поймать» какую-нибудь УКВ станцию FM диапазона 88… 108 МГц вращением сердечника катушки L4. После этого вращением резистора R1 добейтесь максимальной громкости приема.

Переходим к первой операции — настройке тракта ПЧ. Вращением подстроечника катушки L5 нужно добиться максимального качества звука и максимальной его громкости. Вторая операция — настройка частотного детектора — производится по тем же критериям, но вращением сердечника катушки L6. Третья операция — настройка границ диапазона — производится при установке резистора R1 в нижнее (по схеме) положение. В этом положении вращением сердечника катушки L4 устанавливаем самую «нижнюю» по частоте станцию диапазона, контролируя ее по промышленному радиоприемнику.

Установка «нижней» станции в диапазоне 64…73 МГц производится при переводе переключателя S1 в левое положение. Последняя операция — добиться приема станций без характерного шипения вращением подстроечников катушек L1 и L2.

Как показывает практика, настройка даже такого до предела облегченного варианта супергетеродинного приемника занимает не один час времени. Однако это вознаградит вас за труды потрясающим качеством звучания и стабильностью установленных настроек.

Обращаем ваше внимание, что усилитель низкой частоты, установленный на плату приемника, предназначен для демонстрации работоспособности схемы. Если вы захотите использовать этот приемник повседневно, подключите хороший усилитель низкой частоты на транзисторах или на микросхеме, которые приведены в первой книге.

Следующая конструкция УКВ радиоприемника основана на той же микросхеме, но настройка его осуществляется двухсекционным конденсатором переменной емкости КПЕ-2, который можно найти в старой отечественной аппаратуре (в блоках УКВ), выпущенной в 70—80-х гг. XX в. Двухсекционная конструкция, как мы успели заметить, является принципиальным моментом, так как одновременно нужно перестраивать и преселектор, и гетеродин. Конденсатор снабжен редуктором и большим шкивом, который можно связать капроновым тросиком с ручкой и плавно настраивать приемник.

Схема приемника приведена на рис. 11.64, печатная плата — на рис. 11.65, а сборочный рисунок — на рис. 11.66.

Рис. 11.64. Схема приемника

Рис. 11.65. Печатная плата

Рис. 11.66. Сборочный чертеж и внешний вид монтажа

Радиоприемная часть практически ничем не отличается от описанной в предыдущей конструкции. Нет особенностей и в усилителе низкой частоты.

Его схема отдельно была приведена в главе «Усиливаем сигналы» (книга 1). Единственная особенность кроется в наличии стабилизатора напряжения D2. Зачем он нужен? Как видно из схемы, напряжение питания составляет 9 В — им нельзя питать микросхему. Поэтому стабилизатор и понижает напряжение до безопасного для микросхемы TA8164 уровня 5 В.

Намоточные данные катушек: L1 — 5 витков, L2 — 6 витков провода типа ПЭВ диаметром 0,4…0,5 мм. Каркасы диаметром 5 мм с резьбовыми подстроечниками М4. Намоточные данные остальных катушек можно взять из предыдущей схемы. Так как приемник может работать только в одном из УКВ-диапазонов (отечественном или зарубежном), надо заранее выбрать диапазон. Конденсаторы С6 и С7 можно использовать для установки границ принимаемого диапазона, если не хватит хода катушек L1 и L2. Но скорее всего, что в зарубежном диапазоне установка конденсаторов С6 и С7 не потребуется. Для перестройки приемника на прием передач отечественного УКВ-диапазона нужно вывернуть латунные подстроечники и ввернуть вместо них подстроечные сердечники из феррита 13ВЧ или 9ВЧ (материал этих сердечников имеет характерный темно-бордовый цвет, они достаточно хрупки, так что обращаться с ними при настройке надо осторожно, без усилий). Конденсаторы С6 и С7 в этом случае должны быть по 10 пФ. Возможно, что при настройке для минимизации искажений звука потребуется увеличить номинал R1 до 5,6 кОм.