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雜談

自製簡易收音機

自製簡易收音機

自製簡易收音機

對我來說收音機的發明相當神奇,只透過無線電傳輸,聲音竟然可以傳播到那麼遠的地方,再透過收音機將聲音還原播放出來。本篇文章試著自己實作一個簡易的收音機電路,進而理解背後的原理。把收音機的元件簡化後,主要可以由三個部分組成:

  • 諧振電路
  • 濾波
  • 放大電路

因此本篇文章也會以這三個部分做介紹。在此之前,先讓我們來談談聲音是怎麼傳播的吧。

發射端:振幅調變(AM)與頻率調變(FM)

經過導體的電流會在周遭產生電磁場,調整電流的強弱可以進而產生不同震幅、頻率的無線電波,透過這個特性我們可以將訊息放到無線電上,再透過無線電傳輸到更遠的地方。將原始信號(資料)混入無線電波的過程稱作調變1,一般可分為調幅(AM)跟調頻(FM)。調幅不改變原始電波的頻率,而是改變振幅;而調頻則是改變頻率來承載原本的信號。

音訊、調幅和調頻載波的動畫。

圖片引用自維基百科(Berserkerus, CC BY-SA 2.5)

透過這種方式,我們可以將聲音「嵌入」到無線電當中,再經由基地台發射出去。例如福岡塔就是位於福岡的電波塔。

DSCF5688

接收端:諧振電路

那麼在接收端要怎麼接收信號呢?在基本電學當中我們可以利用諧振電路來接收特定頻率的無線電。無線電可以想成是小信號的交流電環繞在四周。

交流電路中如果存在電容與電感,電壓、電流隨時都在變化,當電流改變時電感會產生電動勢來抵抗電流的變化;而產生後的電動勢又會讓電容產生容抗,彼此之間會不斷吸收與釋放能量。在固定頻率時兩者的感抗與容抗可互相抵銷,在特定頻率的電流達到最大。天線的本質是一個導體,當接收到無線電信號時可以在內部產生電磁感應進而產生電流,再透過諧振電路接收特定頻率的信號。

諧振頻率可以用下面這個公式計算出:

f=12πLCf = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}

其中 f 為頻率、L 為電感值、C 為電容值。

濾波電路

在收音機應用當中,聲音的電壓都會是正的,因此加入一顆二極體整流,二極體具有單向導通效果。

放大電路

從無線電接收到的信號相當小,很難聽到,需要將信號放大後才能順利聽到聲音。信號放大可以透過運算放大器或是電晶體達成。在實務上通常會選擇專門為 audio 設計的運算放大器 IC。

實作

截圖 2021-12-01 下午3.04.36

電路很簡單,前面是一個諧振電路,用了一個可變電容方便調整頻率,二極體則是使用蕭特基二極體,順向導通電壓比一般二極體還低,確保小信號一樣能夠導通;放大電路是用東芝的 TA7368 音源放大器2而非電晶體,最後接上喇叭就大功告成了。

在實驗的時候發現可變電容的範圍太小,導致剛開始測試的時候只聽得到非常模糊的聲音,後來胡亂測試之下發現我的手放在金屬部分之後就能順利接收聲音了。因為手也有一些電容加一加剛好在電台廣播的頻率範圍內。

後記

其實像這樣土炮一個收音機電路在現代已經不常見了,通常都有設計好的 IC 可供使用,或是透過數位信號來選頻、調整音量。不過能自己親手做一個理解背後原理也是蠻好玩的。

另外還有一個叫做 Fox Radio3,因為在二戰期間沒有網路,再加上可能會被敵人發現位置,有士兵發明了完全不需要電的收音機,其原理是用銅線當作天線跟電感,用氧化的剃鬍刀跟鉛筆芯當作二極體整流,完全透過無線電的電力來驅動。詳細可以參考這部影片:

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