Поясним это числовым примером. Допустим, что нажата клавиша, издающая звук с частотой 440 гц («ля» первой октавы). В результате искажений этого звука появятся его гармоники — 880 гц, 1320 гц, 1760 гц и т. д. Аналогично звук с частотой 523 гц («до» второй октавы) даст гармоники 1046 гц, 1569 гц, 2092 гц и т. д. Когда же наше ухо подвергнет искажениям одновременно оба звука, то, кроме всех этих гармоник, появятся многочисленные комбинационные частоты и в их числе — синусоидальные колебания с суммарной частотой 963 гц (523 + 440) и разностной (промежуточной) частотой 83 гц (523–440).
Детально пояснить причину появления комбинационных частот довольно трудно: для этого нужны длинные математические выкладки и немало новых, сравнительно сложных понятий. Поэтому всем желающим убедиться в том, что разностная (промежуточная) частота действительно возникает, можно посоветовать лишь нажимать на две близкие клавиши рояля и внимательно прислушиваться к их совместному звучанию.
Есть, правда, еще один способ удостовериться в том, что при одновременном искажении двух сигналов появляется разностная (промежуточная) частота: достаточно включить какой-нибудь супергетеродинный приемник и убедиться в том, что он действительно работает. Лучшего доказательства существования промежуточной частоты и не придумаешь. Потому что в супергетеродине сам сигнал принимаемой станции, как правило, перестает существовать уже в первом каскаде. А дальше усиление, отделение от помех и детектирования производится с рожденным в самом приемнике сигналом промежуточной частоты.
Блок-схема супергетеродинного приемника приведена в верхней левой части рис. 119, листок А. Принятый сигнал с частотой fсиг подается на преобразователь частоты. Туда же подается вспомогательный сигнал с частотой fг от собственного маломощного генератора, расположенного в самом приемнике. Этот генератор называется гетеродином, а частоту его можно менять переключением катушек и изменением емкости конденсатора настройки. Преобразователь частоты соединен с усилителем ПЧ, все контуры которого раз и навсегда настроены на промежуточную частоту fпр.
Рис. 119. При одновременном искажении двух сигналов возникают составляющие с разностной и суммарной частотами.
Мы уже говорили, что на коротких и даже на средних волнах входной контур может пропустить сразу несколько сигналов. Встретившись в преобразователе частоты с этими прошедшими через входной контур сигналами, переменное напряжение гетеродина создаст с ними разностные частоты. Но только одна из этих разностных частот, принадлежащая только одной, нужной нам станции, будет равна стандартной промежуточной частоте, на которую настроены все контуры приемника. И только эту разностную частоту усилитель ПЧ пропустит к детектору.
Если вы захотите принять другую станцию, то нужно будет изменить частоту гетеродина так, чтобы он создал сигнал стандартной промежуточной частоты уже с этой другой станцией. Изменяя частоту гетеродина, мы будем получать промежуточную частоту 465 кгц, то с одной, то с другой, то с третьей станции, то есть будем перестраивать приемник с одной станции на другую.
Несколько слов о самом главном элементе супергетеродина — о преобразователе частоты. Этот элемент должен обязательно искажать форму сигнала так, как, скажем, наше ухо искажает звук. Без этих искажений в принципе не могут появиться новые составляющие, в том числе не может появиться и разностная частота. Иногда роль преобразователя частоты выполняет диод, но чаще — транзистор, работающий где-то в районе загиба входной характеристики. Только в этом случае оба сигнала — поступивший из входной цепи и сигнал собственного гетеродина — будут искажаться и дадут разностную частоту.
Кстати, о слове «искажения». В данном случае его, по-видимому, нельзя считать удачным, хотя оно и правильно отражает все, что происходит с сигналами. Подобно тому, как наше ухо искажает звук с «хорошими намерениями» и в результате таких искажений у звука лишь появляется приятная тембровая окраска, так и преобразователь обычно не искажает, не портит низкочастотную огибающую принятого сигнала, не портит конечную продукцию приемника — звук. И когда дело касается создания промежуточной частоты, то никогда не говорят об искажении сигналов, а называют этот процесс преобразованием частоты.
Уделив так много внимания принципу супергетеродинного приема, мы сейчас совершим резкий поворот и оставим в стороне практические схемы транзисторных супергетеродинов.
Во-первых, постройка такого приемника связана со многими трудными для любителя операциями, в частности — с настройкой большого числа контуров. Во-вторых, каждый желающий построить транзисторный супергетеродин сможет воспользоваться одним из многих его подробных описаний, имеющихся в радиолюбительских брошюрах и журналах. И, наконец, третье. Совсем не обязательно строить приемник для того, чтобы на практике посмотреть, как осуществляется преобразование частоты. Понаблюдать за этим интересным процессом можно и в каком-нибудь другом электронном приборе, например в металлоискателе или электромузыкальном инструменте — терменвоксе.
Этот инструмент получил свое название по имени изобретателя — советского радиоинженера Льва Термена. Он построил терменвокс еще лет пятьдесят назад, и с тех пор этот родоначальник электронной музыки обошел весь мир. Лев Термен демонстрировал терменвокс Ленину, и, как рассказывают очевидцы этой демонстрации, Владимир Ильич проявил большой интерес к одному из первенцев электроники.
Принцип действия терменвокса поясняет рис. 120.
Рис. 120. В терменвоксе и металлоискателе используется изменение разностной частоты при расстройстве одного из генераторов.
Основа этого музыкального инструмента — два высокочастотных генератора и преобразователь частоты. Частоты генераторов f1 и f2 выбираются таким образом, чтобы разностная частота fразн лежала в звуковом диапазоне. Так, например, если f1 = 100 кгц, а f2 = 101 кгц, то разностная частота как раз и составит 1 кгц, то есть попадет в область звуковых частот.
В дальнейшем электрические колебания разностной частоты усиливаются и превращаются в звук с помощью громкоговорителя. Один из генераторов терменвокса всегда дает постоянную частоту, а частоту второго генератора можно в небольших пределах менять. При этом меняется и разностная частота, то есть меняется высота звука. А именно это прежде всего и требуется от музыкального инструмента.
Необходимое изменение частоты одного из генераторов терменвокса осуществляется следующим образом. К контуру этого генератора подключают металлический штырь и приближают к нему руку. При этом создается некий конденсатор, одной обкладкой которого является штырь, а второй — рука. В контур вносится дополнительная емкость Свн, которая зависит от расстояния между рукой и штырем. Перемещая руку относительно штыря, мы меняем емкость контура, а значит, и частоту генератора. Вместе с ней меняется разностная частота, меняется высота звука.
Практическая схема простого транзисторного терменвокса приведена на рис. 112.
Рис. 112. Схема электрическая принципиальная терменвокса.
Генератор фиксированной частоты (Т1) собран по трехточечной схеме с емкостной обратной связью. В колебательный контур входят не только катушка L1 и конденсатор С3, но еще и емкостный делитель С4С5, подключенный параллельно контуру (один конец делителя соединен с контуром непосредственно, а второй — через «землю» и конденсатор С1). Транзистор подключен к контуру так, чтобы выполнялось условие фаз: эмиттер соединен со средней точкой емкостного делителя, а к крайним точкам контура присоединены коллектор (непосредственно) и база (через конденсатор С2). Остальные элементы генератора нам известны по предыдущим схемам — это резисторы термостабилизации и развязывающий фильтр.
Точно по такой же схеме собран и второй генератор (Т2), частота которого должна меняться. Связь контурной катушки со штырем осуществляется с помощью катушки связи L3.
Следующий каскад — усилитель высокой частоты, на который с обоих генераторов (с эмиттеров Т1Т2) подаются два высокочастотных напряжения с частотами f1 и f2. Генераторы соединены с входом усилителя ВЧ (Т3) через RС-цепочки (R19C12 и R10C11), которые ослабляют взаимное влияние генераторов, препятствуют «затягиванию» частоты. Это явление состоит в том, что при небольшой разности между частотами f1 и f2 один генератор «навязывает» свою частоту другому, и в итоге оба они дают одну и ту же частоту. При этом разностная частота становится равной нулю, то есть звук просто исчезает. «Затягивание» препятствует приближению частоты f2 к частоте f1, то есть препятствует получению достаточно низких звуков (50–80 гц). Чтобы предотвратить «затягивание», для каждого генератора часто делают собственный, так называемый буферный, усилитель ВЧ и уже с этих усилителей подают сигналы на детектор.
