收音机简介
收音机,由机械器件、电子器件、磁铁等构造而成,用电能将电波信号转换并能收听广播电台发射音频信号的一种机器。又名无线电、广播等。DSP 技术收音机的问世,标志着传统模拟收音机将逐渐退出历史舞台。收音机的数字时代已经到来。
 
收音机的构造原理
收音机的构造原理就是把从天线接收到的高频信号经检波(解调)还原成音频信号,送到耳机或喇叭变成音波。
 
由于科技进步,天空中有了很多不同频率的无线电波。如果把这许多电波全都接收下来,音频信号就会像处于闹市之中一样,许多声音混杂在一起,结果什么也听不清了。为了设法选择所需要的节目,在接收天线后,有一个选择性电路,它的作用是把所需的信号(电台)挑选出来,并把不要的信号“滤掉”,以免产生干扰,这就是我们收听广播时,所使用的“选台”按钮。选择性电路的输出是选出某个电台的高频调幅信号,利用它直接推动耳机(电声器)是不行的,还必须把它恢复成原来的音频信号,这种还原电路称为解调,把解调的音频信号送到耳机,就可以收到广播。
 
 
收音机的作用
收音机最直观的作用就是用来收听广播节目。但是,收音机有着独特的战略意义!例如,汶川、玉树地震发生后,在所有的电视、互联网甚至手机信号全部中断的情况下,收音机的信号却依然可以传播,灾后,国家有关部门都紧急向灾区调拨收音机。收音机里可以收到世界各地的电台,而且在哪里都是免费收听,这一点,是任何媒体都比不了的!再假设家里停电了,电视开不了,电脑打不开,此时,一台小小的收音机就会成为黑暗中最好的伙伴。
 
近年来,无线电广播受到了新兴媒体的冲击,但是,它永远不会消失,因为,在关键的时候,它有着无可替代的战略意义!
 
对于普通老百姓来说,收音机也是一件好东西。听听新闻、歌曲、评书……现在,很多城市都有着多套广播节目,节目也是越来越精彩。如果你的收音机能够接收短波和中波,那么你就真的可以坐在家中听世界了。而且,收音机可以在你洗衣服、做饭的时候收听,不像电视那样看得时候什么也做不了。甚至在户外晨练、散步、旅游的时候都可以带上它。
 
总之,收音机是个很好的东西,即使家中没有人喜欢听收音机,也建议在家中储备一台,以备不时之需。
 
趣味单二极管收音机制作
 
 
上图电路在 20 世纪初就被发明,当时人们发现了一些天然矿石具有单向导通的特性,于是就制作出最早的二极管,利用这样的二极管,制成了最早期的收音机,于是就命名为矿石收音机(CrystalRadio 或是缩写为 X’talRadio)。在解释这个电路之前,必须要先来说明一下 AM 无线电的基本原理。所谓的 AM 就是调幅(AmplitudeModulaTIon)广播,也就是讯号的形式是频率固定,只有振幅的变化。这样讲似乎还是很抽象,那么,请看下图:
 
 
如左上图所示,声音讯号是经由麦克风等设备转换而来的电压讯号,因为是人类所能听到的频率,故一定在 20~20KHz 之间,此频率是无法做长距离传输的,必须做”混频”的动作,也就是将此声音讯号加上左图下方的高频弦波讯号(称为”载波&rdquo)。两讯号相加,得到右边的讯号,就是可以作为长距离传输的 AM 讯号了(称为调变讯号)。此讯号的频率是载波的频率,但是其讯号摆幅却是声音讯号。在了解将声音变为 AM 讯号的过程后,就可以了解要如何将这个讯号还原为我们所能听到的声音了。
 
经过检波,滤波后的讯号。
 
 
如上图所示。首先,将 AM 讯号以最简单的方法进行半波整流(在收音机中称为”检波&rdquo),截去讯号的负半周,只留下一半的讯号。然后,只需将高频载波以滤波器滤掉,即可得到我们所要的声音讯号了(但是此声音讯号有一个直流偏移电压,怎么办?。
 
但是,又要面对另外一个问题了。我们所处在的环境中,存在着非常非常多种不同频率不同传输方式的讯号。例如我们可以在同一个地方以收音机听到广播电台,也可以用行动电话传简讯,可能还能用无线网路上 DZ 去抢购套件,万一没抢到还能去留言板发表一下赌烂的心情……,那么,收音机是如何知道现在它应该把哪个电波抓出来做检波呢?
 

 

以台北地区来说,中广新闻网是 AM657KHz,这个 657KHz 指的就是此频道的载波频率。如前述,AM 广播的讯号频率就是载波的频率,所以,只要收音机有办法准确的从众多无线讯号之中挑选出 657KHz 的讯号,交给后面的电路做载波滤波的动作,我们就有办法听到中广新闻网了。要达到这个功能,就必须使用一个”带通滤波器”,何谓带通滤波器呢?我们知道,低通滤波器就是将高频率掉,让低频通过,高通滤波器就是滤掉低频,让高频通过。那么带通滤波器就是滤掉低频以及高频,只留下一段频率范围:
 
 
以横轴为频率,纵轴为衰减所画出的座标图。
 
如上图(这只是一个示意图,完全不考虑精确性),假设我们想收听的频率是 657Khz,那么这个滤波器的输出就应该滤掉比 657KHz 高以及比 657KHz 低的所有讯号,只留下所需要的讯号。在滤波器的数据之中,我们如果想知道它准确的滤波频率,通常都是以”讯号量衰减至 -3dB 时的频率”为准,此频率就称为 -3dB 频率(或称为半功率频率)。
 
(注:电压增益值 dB 的计算公式=20log(Vo/Vi),也就是当衰减量为 -3dB 时,电压衰减为 0.7 倍左右,此增益计算方法无论在衰减或是放大器都是相同的,只是结果有正负号的差别。)
 
那么,要如何以电路做到这个带通滤波器呢?在图一的电路图中,用的是以下的方式:
 
 
此收音机所使用的选频电路。
 
这个滤波的电路是最早被运用在收音机中的。它的效果并不好,但是却非常的简单。图中 L 是电感,C 是电容。电感的特性是可以让低频通过,留下高频。而电容的特性刚好相反,可以让高频通过,但是会留下低频。将此两种特性的电感以及电容并联,如图所示,在输入端接天线以及地线,则由空气中而来的无线电波会进入此电路中。大部分的低频经由电感流入接地,大部分的高频也经过电容流入接地。
 
然而,此图中的零件数值都是固定的,当我们想要更换不同的接收频率时,无法调整。如果想要随心所欲的调整接收频率,则图中的电感或电容必须要是可以调整其电容或电感量的。最早期的矿石收音机所使用的是可变电感,因为可变电感可以自己制作,成本较低,但后来所有的收音机都改为可变电容,可省去制作的麻烦,图一中的电路就是使用可变电容。在收听时只要调整可变电容的数值,就可以改变滤波器输出端的频率了。
 
电感得自己动手绕
在经过选频以后的无线电波,已经是比较单纯,特定频率的讯号了。如图三,此时即需要做检波的动作。检波最简单的方法,就是经过二极体做半波整流,滤掉其中半个周期的讯号,成为有脉动的直流讯号。因为此处的讯号无论电压电流都非常的小,所以必须采用非常灵敏的二极体。在此选用 1N60 这个检波专用的二极体。这种二极体在数十年前刚出现时价格非常的惊人,但是随着半导体技术的进步,目前的价格大概是一支 NT.2 元左右,超级的便宜。经过检波的讯号,已经可以直接接往耳机了收听了。因为耳机本身有电感量存在,所以即使还有高频载波存在,也无法进入耳机。
 
非常简单的电路,在稍微看懂以后就可以开始动手了。第一个头痛的问题就是电感了…。。在以前,许多的电子材料行有贩售专门给 AM 收音机使用的天线线圈电感,但是现在去哪里找呢?所以只好自己来绕制这个电感。电感中心使用直径约 1.5 吋的圆管,无论是纸管,塑胶管都可以。我使用的是垃圾袋中间的圆管。将圆管切到适当的长度,并且以 28 号漆包线在上面紧密整齐的缠绕 100~110 圈。
 
 
线圈要紧密,并且依照同一个方向缠绕。
 

 

以蜡油固定。
 
电感制作完成,就来考虑电容了。可变电容这个零件在现在是越来越少见了。现在一般电子材料行有可能买的到的可变电容,大概是这样子的:
 
接着,在纸管两端装上两个 L 型金属片,将漆包线末端的漆刮除,焊接固定在上面。并且滴一点蜡烛的蜡油在线圈的两端,以避免松脱。
 
 
现在较容易买到的可变电容。
 
 
这种可变电容所使用的介质是云母片或塑胶片,体积相当的小。本电路中可变电容的电容量最大应该要有 360pF 以上,如果不确定自己买到的可变电容容量,可以用电容表测量。如容量不足可以将一个以上的可变电容器并联使用。如果您比较讲究一些,那么可以试着寻找较古老的一种可变电容,其金属片之间直接用空气当作介质,故体积较大,金属片也较多:
 
 
古董可变电容以及它的包装纸盒。
 
这种可变电容感觉上确实比较复古,且拿起来非常有份量,又比塑胶外壳的可变电容耐用(古代真空管收音机中的可变电容大多使用这种,许多到现在仍然可以使用)。不过除了不容易买到以外,它的价格也不低。如果您很幸运的买到了,那么建议可以用这个电容来试试看。当然,不管用哪一种电容,只要电容量适当,电路功能应该都是正常的。
 
 
 
左边是用来比较尺寸的 6922 真空管。
 
上图是这次所使用的 1N60 二极体,这是一个承受电流电压都相当低的二极体,专门用来作为讯号检波。因为这个收音机输出的电压电流都相当低,所以使用的耳机必须要特别挑选:
 
 
 
要用适当的耳机,否则这么低的电压电流是无法听到声音的。
 

 

这种耳机的阻抗相当高,是专门为这种低电压电流的情况下设计的。因为没有任何放大的装置,必须靠无线电波的能量来发出声音。
 
零件准备好了,就开始装机器了。因为零件实在很少,所以要不要机箱就看个人了。我找了一个小 Case 来把它装在里面,主要是因为我使用的可变电容是大型的那种,不找个机箱实在不好固定。
 
 
 
 
先将可变电容以及电感固定。
 
将可变电容器以及电感固定。要注意这种大型的可变电容外框金属就是电容的其中一极,要注意和外壳绝缘的问题(不过在习惯上会把这一极接往接地端)
 
配线相当的简单。
 
 
 
 
因为配线很少,所以我决定采用 1920 年代收音机很流行的配线方式。采用粗的单心铜线以架空的方式进行配线。上图中的机器是没有装输出端的 10uF 电容,这颗电容是用来隔离直流的,但是不装也可以,对声音不会有甚么影响。如果要装,则不管采用电解电容或是金属膜电容都可以。 把天线搭起来吧。
 
在配线完成后,就可以开始收听了。将耳机插上,接着装上地线以及天线。天线的部分,如果您居住的地方距离 AM 电台的发射站非常的近,或是窗外非常的空旷,没有任何障碍物阻挡,那么不妨试试看直接用一条粗铜线拉直当作天线,也许可以收的到讯号。否则,天线的部分可以单独架设室外天线,或是与电视天线共用(或是直接接往有线电视 Cable 也可以)。地线的部分,就找一支粗铜棒,去地上打个孔。
 
 
 
将接地线固定。
 
如上图,将接地线以鳄鱼夹夹在家里窗户的窗台的金属部分。或是在墙上打个钉子夹上去,或是直接固定在水龙头上面效果更好。(当然这些都不如去打一支真正的接地棒到地下)。一切接线完成,戴上耳机,调整电容器,试试看能不能听到声音吧。如果居住的地方建筑物较多,那么收讯效果较差,反之可能可以收到较多的电台。
 
收音机就这样完成了,但是它的名字既然叫做矿石收音机,现在却用半导体零件来制作,感觉总是怪怪的,要就做的夸张一点,矿石收音机就真的用矿石吧。
 
 
这是方铅矿与黄铁矿的共生天然矿石。在一百年前就有人发现这两种矿石具有类似二极体的单向导通特性,于是将它制作成最早的二极体,就是矿石检波器。现在就用它来制作矿石检波器。
 
 
以简单的方式制作的矿石检波器。
 
找一个可以固定矿石的夹子,将一小块方铅矿夹在中间,另外以非常细的单心裸铜线轻轻接触在方铅矿上面(接触的力量要很小心的控制),并且取代机器中原本二极体的位置,极性的部分可以不必在意(事实上这个电路中二极体无论接哪个方向都可以动作),接着慢慢的调整裸铜线接触矿石的位置。