[科普中國(guó)]-再生電路

1912年，德·福雷斯特、阿姆斯特朗、蘭茂爾發(fā)明了再生式電路，該電路利用正反饋技術(shù)使音頻信號(hào)放大到可以接收的程度。普通的再生式電路，是利用正反饋來(lái)加強(qiáng)輸入信號(hào)，而超再生電路確實(shí)用輸入信號(hào)來(lái)影響本地振蕩信號(hào)，因此得名。再生電路有“無(wú)線電話的產(chǎn)婆”之稱(chēng)。

再生電路的發(fā)展歷程有線電話的出現(xiàn)在長(zhǎng)距離有線電話通信的發(fā)展過(guò)程中，電子管起了舉足輕重的作用。經(jīng)過(guò)多次重大改進(jìn)的電子管，還直接導(dǎo)致了無(wú)線電話的發(fā)展。在無(wú)線電通信技術(shù)問(wèn)世后，西方軍事家曾預(yù)言，未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)將在海、陸、空和信號(hào)的“四軍”協(xié)同下作戰(zhàn)。無(wú)線電話，特別是機(jī)載無(wú)線電話在第一次世界大戰(zhàn)中所起的作用，證實(shí)了這些軍事家的預(yù)言。在第一次世界大戰(zhàn)中，美國(guó)信號(hào)軍團(tuán)在法國(guó)戰(zhàn)區(qū)敷設(shè)了1 340千米的電報(bào)和電話線路；所用的通信電纜和導(dǎo)線總長(zhǎng)達(dá)4.8萬(wàn)千米。這些導(dǎo)線從5個(gè)重要海港向四周輻射，星羅棋布地覆蓋整個(gè)法國(guó)戰(zhàn)區(qū)。

無(wú)線電話的出現(xiàn)無(wú)線電話的研究，可以追溯到19世紀(jì)末。1899年，美國(guó)的柯林斯用他本人發(fā)明的弧光無(wú)線電話。建造了第一個(gè)電波無(wú)線電話系統(tǒng)。1903年，丹麥的波爾森發(fā)明出一種電弧式無(wú)線電話機(jī)。最早實(shí)現(xiàn)無(wú)線電話通信的科學(xué)家，是費(fèi)森登。1906年，他在美國(guó)馬薩諸塞州的布蘭特·羅克建起了世界上第一座無(wú)線電話發(fā)射臺(tái)。在當(dāng)年圣誕節(jié)前夕，費(fèi)森登首次用發(fā)射的無(wú)線電話信號(hào)來(lái)傳送音樂(lè)與講演，一個(gè)海上接收站和幾個(gè)陸上接收站，都收到了這個(gè)信號(hào)，傳送距離達(dá)350千米。無(wú)線電話的另一位開(kāi)拓者，就是三極管的發(fā)明者德·福雷斯特。1912年，德·福雷斯特、阿姆斯特朗、蘭茂爾發(fā)明了再生式電路，該電路利用正反饋技術(shù)使音頻信號(hào)放大到可以接收的程度。從此，三極管開(kāi)始用于無(wú)線電話機(jī)。1914年8月，美國(guó)通用電氣公司的研究人員監(jiān)聽(tīng)到美國(guó)政府通過(guò)設(shè)在長(zhǎng)島塞維葉的德國(guó)電臺(tái)向德國(guó)船只發(fā)布的撤離美國(guó)的命令。當(dāng)時(shí)，他們的發(fā)射機(jī)配備了載波發(fā)生器，并以2千瓦功率的亞里山德遜射頻發(fā)電機(jī)為電源，所用的接收機(jī)使用了電子管再生放大電路。正是由于這些先進(jìn)的設(shè)備，才使他們最先得到世界大戰(zhàn)已經(jīng)爆發(fā)的消息。

無(wú)線電報(bào)的發(fā)明在馬可尼實(shí)現(xiàn)無(wú)線電報(bào)飛越北大西洋傳送之后的第13年即1915年，無(wú)線電電話信號(hào)也越過(guò)了北大西洋。同年9月30日，美國(guó)弗吉尼亞州的阿林頓，與舊金山和夏威夷通話，10月21日又與法國(guó)巴黎之間成功地進(jìn)行了軍用無(wú)線電話通信，所用的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都采用了電子管再生電路。在第一次世界大戰(zhàn)中，協(xié)約國(guó)擁有稠密的通信線路，但僅供陸軍使用，處于移動(dòng)狀態(tài)的空軍、海軍只能另辟蹊徑。于是，機(jī)載無(wú)線電話應(yīng)運(yùn)而生了。美國(guó)空軍對(duì)機(jī)載無(wú)線電話的研究，在大戰(zhàn)爆發(fā)幾年前就開(kāi)始了。1910年8月，美國(guó)空軍在長(zhǎng)島基地首次向地面發(fā)射無(wú)線電報(bào)信號(hào)。但是，在瞬息萬(wàn)變的激烈空戰(zhàn)中，很少有飛行員能熟練地使用莫爾斯電碼進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)，使用空軍專(zhuān)用電碼就更加困難了。因此，迫切需要研制出裝在飛機(jī)上使用的無(wú)線電話。第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，斯奎厄?qū)④娐拭绹?guó)信號(hào)軍團(tuán)抵達(dá)法國(guó)，他以能純熟運(yùn)用有線電信技術(shù)而聲名卓著。這位卓越的工程師決心把無(wú)線電話機(jī)安裝到協(xié)約國(guó)的飛機(jī)上。1917年5月22日，斯奎厄召集軍方技術(shù)人員開(kāi)會(huì)，要求盡快設(shè)計(jì)出機(jī)載無(wú)線電話。在不到1個(gè)半月的時(shí)間里，美國(guó)工程師就試制出了樣機(jī)，并在美國(guó)弗吉尼亞州朗格雷空軍基地進(jìn)行飛機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的演習(xí)。隨后，美軍成功地在門(mén)羅進(jìn)行了使用機(jī)載無(wú)線電話指揮炮兵轟擊目標(biāo)的演習(xí)。1918年2月，美國(guó)生產(chǎn)出兩種型號(hào)的機(jī)載無(wú)線電話機(jī)：SCR-7、SCR-8。從此以后，協(xié)約國(guó)的空戰(zhàn)方式，便從空中單機(jī)作戰(zhàn)發(fā)展為群機(jī)作戰(zhàn)和空一地協(xié)同作戰(zhàn)。相互聯(lián)絡(luò)的法寶，就是機(jī)載無(wú)線電話。第一次世界大戰(zhàn)中，開(kāi)創(chuàng)了“四軍”協(xié)同作戰(zhàn)的新局面，其中作為“第四軍”的“信號(hào)軍”嶄露頭角，開(kāi)始為世人所矚目。1927年，英國(guó)倫敦與美國(guó)紐約間的無(wú)線電話正式開(kāi)通。1

再生電路的種類(lèi)超再生電路我們知道普通的再生式電路，是利用正反饋來(lái)加強(qiáng)輸入信號(hào)，而超再生電路確實(shí)用輸入信號(hào)來(lái)影響本地振蕩信號(hào)，因此得名。超再生電路本質(zhì)上是一個(gè)電容三點(diǎn)振蕩器，我們先來(lái)分析它。電路是典型的共基電路，晶體管的B和C之間通過(guò)交流連接L3和C12，電容C9和BE之間的結(jié)電容構(gòu)成分壓反饋，形成三點(diǎn)式。。。振蕩器。 L4用來(lái)隔絕振蕩頻率與地之間的連通。振蕩器工作時(shí)，隨著振蕩幅度增加，晶體管電流Ice增加，這個(gè)Ice流過(guò)R12，會(huì)使R12兩端電壓成增長(zhǎng)趨勢(shì)，而C11兩端電壓已經(jīng)建立（靜態(tài)工作點(diǎn)建立時(shí)建立的），無(wú)法突變，因此該電流對(duì)C11充電，使其兩端電壓升高，晶體管BE電壓下降，工作點(diǎn)開(kāi)始降低，當(dāng)降低到一定程度，電路開(kāi)始停振，Ice隨振蕩逐漸停止而減小，這使得R12兩端電壓呈減小趨勢(shì)，C11開(kāi)始通過(guò)R12放電，C11兩端電壓降低，晶體管工作電提升，振蕩幅度開(kāi)始回升，重復(fù)前面的過(guò)程，因此振蕩器工作在一個(gè)間歇振蕩狀態(tài)，振蕩的波形類(lèi)似有三角波或類(lèi)似方波包絡(luò)線的調(diào)幅信號(hào)，間歇頻率由C11和R12決定，約為它們乘積的倒數(shù)。C11和R12兩端的電壓為類(lèi)似類(lèi)似方波或三角波（這個(gè)與原始靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)，原始靜態(tài)工作點(diǎn)高，振蕩建立快，C11很快沖點(diǎn)飽和，此時(shí)電路為平衡狀態(tài)，振幅不便，一段時(shí)間后振幅開(kāi)始跌落，如果振蕩建立慢，則未到最大振幅就開(kāi)始跌落，此時(shí)為三角波形），經(jīng)過(guò)后面的電感電容網(wǎng)絡(luò)濾波后，理論上為直流電壓（為什么是理論上，后面講），以下簡(jiǎn)稱(chēng)R12、C11為RC，L3、C12為L(zhǎng)C。此電路為自熄式，間歇頻率由自身提供，與振蕩頻率牽連比較大，較難調(diào)整，如果間歇頻率由外部輸入，則稱(chēng)他熄式，這種電路的間歇頻率波形可以用標(biāo)準(zhǔn)方波，效果更好。

LC選頻回路LC構(gòu)成的回路有選頻作用，當(dāng)天線輸入的信號(hào)頻率與電路振蕩頻率相同時(shí)，對(duì)電路的振蕩幅度有加強(qiáng)作用，類(lèi)似于正反饋，此時(shí)電路正式進(jìn)入超再生狀態(tài)。通過(guò)前面的分析知道，電路振蕩建立的速度與工作點(diǎn)有關(guān)，而振蕩幅度受到改變時(shí)工作點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)變化，因此外部調(diào)幅信號(hào)使晶體管工作點(diǎn)隨輸入信號(hào)幅度變化而變化，而工作點(diǎn)的變化，又影響振蕩的建立時(shí)間。因此就形成了這樣的現(xiàn)象，輸入信號(hào)幅度大，間歇振蕩建立快，間歇振蕩能達(dá)到的最大振幅就大（或越早達(dá)到最大振幅），反之同理。因此高頻間歇振蕩在每個(gè)間隙之間能達(dá)到的最大振蕩幅度（或持續(xù)最大幅度的時(shí)間）是隨外部輸入信號(hào)的幅度而變化的，而間歇振蕩的包絡(luò)線就是RC兩端的電壓，這個(gè)電壓中包含一個(gè)直流分量，這個(gè)直流分量就是隨外部信號(hào)幅度而變化的（類(lèi)似PWM原理），也就是輸入信號(hào)的包絡(luò)線，因此達(dá)到解調(diào)制的目的。這是一個(gè)LC諧振曲線，fo為諧振頻率，fs為輸入信號(hào)頻率，fs偏離fo，在LC諧振曲線一邊的中間點(diǎn)部位，當(dāng)輸入中心頻率為fs的調(diào)頻信號(hào)時(shí)，由于頻率－幅度曲線的斜率，在LC上感應(yīng)到的電壓幅度會(huì)隨頻率變化而變化，此時(shí)調(diào)頻信號(hào)變成了調(diào)幅信號(hào)，這就是斜率鑒頻。

解調(diào)調(diào)頻信號(hào)電路再生電路解調(diào)調(diào)頻信號(hào)時(shí)，用的正是斜率鑒頻原理。我們只需要把LC回路的諧振頻率調(diào)到偏離fs的位置，就能把調(diào)頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成調(diào)幅信號(hào)，按照上面的原理進(jìn)行接收。超再生電路由于其特殊的工作方式，靈敏度很高，但是其選頻手段單一，選擇性極差，只相當(dāng)于單回路的直放機(jī)水平，甚至不如。尤其在接受調(diào)頻信號(hào)時(shí)，由于采用了斜率鑒頻原理，在很寬的范圍內(nèi)都可以收到同一頻率的調(diào)頻信號(hào)，選擇性更差。而采用斜率鑒頻也使調(diào)頻接收的抗干擾能力變得很低（無(wú)法抑制幅度噪聲），一般在單頻點(diǎn)接收機(jī)中用的比較多，比如遙控電路，頻點(diǎn)單一就可以用多極LC選頻放大來(lái)提高選擇性（頻帶接收下這種做法是超級(jí)麻煩的）。在沒(méi)有信號(hào)時(shí)，理論上RC兩端電壓的直流分量是不變化的，但是電路本身的分布參數(shù)變化和電噪聲使得每次間歇振蕩所達(dá)到的幅度都不是完全相同，從而產(chǎn)生內(nèi)部噪聲，這種噪聲被電路超高的靈敏度放大后，形成難聽(tīng)的超噪聲，當(dāng)有信號(hào)時(shí)，振蕩是受信號(hào)控制的，超噪聲自然消失。2

再生電路的設(shè)計(jì)方法再生電路結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，調(diào)試也不難，但要取得好的效果需要很大的耐心，如果不考慮元件限制的因素，比超外差電路的制作還要費(fèi)勁。簡(jiǎn)單的調(diào)整方法如下：先斷開(kāi)C11，調(diào)整電路工作點(diǎn)和元件參數(shù)，使三點(diǎn)振蕩電路正常工作，R12的值由初始工作點(diǎn)決定。然后選取一個(gè)間歇頻率（一般100k到500k之間），計(jì)算C11，然后接上C11，此時(shí)如果正常，用示波器觀察應(yīng)該有間歇振蕩產(chǎn)生，RC兩端有間歇波形，沒(méi)有示波器也可以接音頻放大器在后面，如果有超噪聲則正常。如果不正常，重新斷開(kāi)C11，調(diào)整工作電，再重復(fù)一次。間歇頻率高，則間歇周期短，間歇振蕩很難達(dá)到高幅值，靈敏度低，間歇頻率低，則相反，靈敏度高，但是抗干擾能力也差。

再生電路的應(yīng)用L2，C3組成并聯(lián)諧振選頻，C2正反饋，R1，C4與Q1的發(fā)射結(jié)電容產(chǎn)生間歇振蕩。C5濾高頻并提供交流通路后輸出，聽(tīng)說(shuō)是當(dāng)天線接收到所諧振頻率的信號(hào)后，本振就會(huì)受到接收信號(hào)的控制，由C5濾掉高頻后就有低頻輸出，只是不知道原理是什么，還有間歇振蕩的產(chǎn)生原理。原理大概是這樣:由于加了正反饋，射頻信號(hào)會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)由于發(fā)射結(jié)的肩膊作用，產(chǎn)生了低頻信號(hào)，這個(gè)低頻信號(hào)使三機(jī)關(guān)的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化，三極管因此逐漸進(jìn)入截止而導(dǎo)致不再放大射頻，然后R1放電時(shí)工作點(diǎn)再次恢復(fù)正常，三機(jī)關(guān)又能放大了，如此循環(huán)，便出現(xiàn)了間歇方式工作。4.7uF電容用來(lái)使基極短路到地，這是一個(gè)共基極電路。射極的電桿用來(lái)阻高頻通低頻。輸出端電容和基極4.7u電容作用一樣，但它是將射頻短路到地，低頻則不短路。超再生無(wú)線電遙控電路由無(wú)線電發(fā)射器和超再生檢波式接收器兩部分組成。無(wú)線電發(fā)射器：它是由一個(gè)能產(chǎn)生等幅振蕩的高頻載頻振蕩器（一般用30—450MHz）和一個(gè)產(chǎn)生低頻調(diào)制信號(hào)的低頻振蕩器組成的。用來(lái)產(chǎn)生載頻振動(dòng)和調(diào)制振蕩的電路一般有：多諧振蕩器、互補(bǔ)振蕩器和石英晶體振蕩器等。

由低頻振蕩器產(chǎn)生的低頻調(diào)制波，一般為寬度一定的方波。如果是多路控制，則可以采用每一路寬度不同的方波，或是頻率不同的方波去調(diào)制高頻載波，組成一組組的己調(diào)制波，作為控制信號(hào)向空中發(fā)射，組成一組組的己調(diào)制波，作為控制信號(hào)向空中發(fā)射。超再生檢波接收器：超再生檢波電路實(shí)際上是一個(gè)受間歇振蕩控制的高頻振蕩器，這個(gè)高頻振蕩器采用電容三點(diǎn)式振蕩器，振蕩頻率和發(fā)射器的發(fā)射頻率相一致。而間歇振蕩（又稱(chēng)淬裝飾振蕩）又是在高頻振蕩的振蕩過(guò)程中產(chǎn)生的，反過(guò)來(lái)又控制著高頻振蕩器的振蕩和間歇。而間歇（淬熄）振蕩的頻率是由電路的參數(shù)決定的（一般為1百~幾百千赫）。這個(gè)頻率選低了，電路的抗干擾性能較好，但接收靈敏度較低：反之，頻率選高了，接收靈敏度較好，但抗干擾性能變差。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況二者兼顧。超再生檢波電路有很高的增益，在未收到控制信號(hào)時(shí)，由于受外界雜散信號(hào)的干擾和電路自身的熱搔動(dòng)，產(chǎn)生一種特有的噪聲，叫超噪聲，這個(gè)噪聲的頻率范圍為0.3~5kHz之間，聽(tīng)起來(lái)像流水似的“沙沙”聲。在無(wú)信號(hào)時(shí)，超噪聲電平很高，經(jīng)濾波放大后輸出噪聲電壓，該電壓作為電路一種狀態(tài)的控制信號(hào)，使繼電器吸合或斷開(kāi)（由設(shè)計(jì)的狀態(tài)而定）。當(dāng)有控制信號(hào)到來(lái)時(shí)，電路諧振，超噪聲被抑制，高頻振蕩器開(kāi)始產(chǎn)生振蕩。而振蕩過(guò)程建立的快慢和間歇時(shí)間的長(zhǎng)短，受接收信號(hào)的振幅控制。接收信號(hào)振幅大時(shí)，起始電平高，振蕩過(guò)程建立快，每次振蕩間歇時(shí)間也短，得到的控制電壓也高；反之，當(dāng)接收到的信號(hào)的振幅小時(shí)，得到的控制電壓也低。這樣，在電路的負(fù)載上便得到了與控制信號(hào)一致的低頻電壓，這個(gè)電壓便是電路狀態(tài)的另一種控制電壓。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)