超外差收音机论文
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专科毕业设计 科毕业设计 ( 2010 届 )
题 学 专 班 学
目 院 业
超外差收音机设计 物理与电子工程学院 应用电子技术
级 07 应用电子技术(1)班 号 0705510057 谭国飞 杨金伟 讲师 2010 年 3 月
学生姓名 指导教师 完成日期
台州学院毕业设计(论文)
超外差收音机设计
The Superheterodyne radio designs
学生姓名:谭国飞 Student: Tan Guofei 指导教师:杨金伟 讲师 Advisor: Yang Jinwei
台州学院 物理与电子工程学院
School of Physics & Electronic Engineering Taizhou University Taizhou, Zhejiang, China
2010 年 3 月
March 2010
I
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摘要
随着科学技术的发展,调频收音机的应用十分广泛,尤其消费类占 有相当的市场 。从分离元件组成的收音机到由集成电路组成的收音机, 调频收音机技术已达到十分成熟的地步。从普通的调幅收音机到高级调 频收音机,调频收音机以较高的技术含量和较高的音质得到了广泛的欢 迎。 本课题主要研究调频收音机的设计全过程,各部分电路的组成、作 用、性能指标和工作原理。主要的设计思路是:由天线、输入回路、高 频放大电路、混频电路、本机振荡电路、中频放大电路、鉴频电路、低 频功率放大电路、扬声器组成。 本课题设计成果,基本上满足要求,性能指标符合。本电路缺点的 是音质噪声大,电路还有一点失真等等,还需改进。
关键词
超外差,收音机,变频器,功放级,前置低放级
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Abstract
Along with the development of science and technology, FM radio, a wide range of applications, in particular, occupy a considerable consumer market. Separation of components from the composition of the radios to integrated circuits formed by the radio, FM radio technology has reached a very mature stage. From the ordinary AM radio to high-FM radio, FM radio with a high technological content and high quality has been widely welcomed. The major research topics FM radio the whole process of design, the various parts of the circuit of the composition, role, performance indicators and work. The main idea is: from the antenna, input circuit, high-frequency amplifier circuit, mixer circuit, local oscillator circuit, IF amplifier, frequency discriminator circuit, low-frequency power amplifier circuit, speaker component. The design results in this issue, basically meet the requirements, performance indicators in line. Disadvantage that the sound quality of this circuit noise large, the circuit there is little distortion, etc., require improvement.
Key words
Supe
rheterodyne, radio, converter, power amplifier stage, pre-low-level class
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目
录
1. 引言 ……1 2.方案设计……1 3.收音机的原理与电路……2 3.1 基本工作原理 …… 2 3.2 功放级、前置低放级原理 …… 4 3.3 电源退耦电路原理 …… 5 3.4 变频器原理 …… 6 3.5 中和电路原理 …… 7 3.6 检波原理 …… 8 3.7 自动增益控制电路也称 AGC 电路原理 …… 8 4.收音机的安装与调试……9 5.结论……10 谢辞……12 附件……13 附件 1 实物图……13 附件 2 原理图……13 附件 3 元器件清单……14
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1. 引言
人类自从发现能利用电波传递信息以来, 就不断研究出不同的方法来增加通信的 可靠性通信的距离、设备的微形化、省电化、轻巧化等。接收信息所用的接收机,俗 称为收音机。目前的无线电接收机不单只能收音,且还有可以接收影像的电视机、数 字信息的电报机等。随着广播技术的发展,收音机也在不断更新换代。自 1920 年开 发了无线电广播的半个多世纪中,收音机经历了电子管收音机、晶体管收音机、集成 电路收音机的三代变化,功能日趋增多,质量日益提高。20 世纪 80 年代开始,收音 机又朝着电路集成化、显示数字化、声音立体化、功能电脑化、结构小型化等方向发 展。 直接放大式收音机所遇到的主要问题是, 一个高频放大器很难适应各种不同的工 作频率。如果能想办法使高频放大器的工作频率保持不变,那么许多问题就很容易解 决了。超外差收音机就是根据这个指导思想设计的。
2.方案设计
超外差式,就是通过输入回路先将电台高频调制波接收下来,和本地振荡回路产 生的本地信号一并送入混频器,再经中频回路进行频率选择,得到一固定的中频载波 (如:调幅中频国际上统一为 465KHz 或 455KHz)调制波。 超外差的实质就是将调制波不同频率的载波,变成固定的且频率较低的中频载 波。在广播、电视、通讯领域,超外差接收方式被广泛采用。如图 1
图 1 超外差基本框架
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性能指标: 频率范围:535~1065kHz 中频频率:465kHz 灵敏度:<1mV/m(能收到本省、本市以外较远的电台及信号较弱的电台) 输出功率:最大不失真功率≥100mW 电源消耗:静态时,≤12mA,额定时约 80mA
3.收音机的原理与电路
3.1 基本工作原理
收音机是把广播电台发射的无线电波中的音频信号取出来,加以放大,然后通过 扬声器还原出声音。具体讲:从天线(磁棒具有聚集电磁波磁场的能力,而天线线圈 是绕在磁棒上) 接收到的许多广
播电台的高频信号, 通过输入回路 (为并联谐振回路, 具有选频作用)选出其中所需要的电台信号送入变频级的基极,同时,由本机振荡器 产生高频等幅波信号, 它的频率高于被选电台载波 465KHz, 也送于变频级的发射极, 二者通过晶体管 be 结的非线性变换,将高频调幅波变换成载波为 465KHz 的中频调 幅波信号。在这个变换过程中,被改变的只是已调幅波载波的频率,而调幅波的振幅 的变化规律(调制信号即声音)并未改变。变换后的中频信号通过变频级集电极接的 LC 并联回路选出载波为 465KHz 的中频调幅信号,被送到中频放大器,放大后,再 送入检波器进行幅度检波, 从而还原出音频信号, 然后通过低频电压放大和功率放大, 再去推动扬声器,还原出声音。超外差式收音机是目前较普及的收音机。 它是由天线、输入回路、本机振荡器、变频器、中频放大器、检波器、低频电压 放大器、功率放大器等部分组成。 输入回路: 从磁性天线感应的调幅信号送入 C1a、C2 和 L1 组成的输入回路进行调谐,选出 所需接收的电台信号,通过互感耦合送入变频管 T1 的基极。 变频级: 变频级是由一只晶体管 T1 同时起本振和混频作用的自激式变频电路。本振回路 由 L2、C7、C5、C1b 组成,它是互感耦合共基调射式的 LC 振荡电路。L2 抽头是为
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了减小晶体管的输入阻抗对振荡回路的影响。本振信号通过耦合电容 C4 从 T1 的射 极注入,它与输入回路耦合到 T1 管基极的高频调幅信号在 T1 管中混频,由集电极 调谐回路(中周)选出二者的差频即 465kHz 的中频信号,然后再将中频信号送入中 放电路去放大。 为了提高电路的稳定性,兼顾变频和振荡性能,静态工作电流一般取为 0.3~ 0.4mA。为了保证在电源电压降低时,本机振荡仍能稳定工作,变频级基极偏置电路 采用了相应的稳压措施,即利用两只硅二极管 D1、D2 进行稳压(1.4V 左右) 。 中放级: 中放级由 T2、T3 组成两级单调谐中频选频放大电路。各中频变压器均调谐于 465kHz 的中频频率上,以提高整机的灵敏度、选择性和减小失真。第一级中放(T2) 加有自动增益控制, 以使强、 弱台信号得以均衡, 维持输出稳定。 中放管采用了硅管, 其温度稳定性较好,所以采用了固定偏置电路。T2 管因加有自动增益控制,静态电 流不宜过大,一般取 0.2~0.6mA;T3 管主要要提高增益,以提供检波级所必须的功 率,故静态电流取得较大些在 0.5~0.8mA 范围。为了有效地抑制强信号中放级还加 了二极管 D3 作为强信号阻尼二次 AGC 控制。 检波级: 经中频放大级放大了的中频信
号,由中频变压器送至检波二极管 D4 进行检波。 检波后的残余中频及高次谐波由 C14C13 和 R8 组成的 RCπ型滤波电路予以滤除。 音 频信号由 C15 耦合到低放级去放大。 电位器 Rw 是音量调节电位器兼作电源开关。 检 波后的直流成分经 R4、C8 组成的退耦电路送到 T2 的基极作为 AGC 控制之用。 低放级与功率输出级: T4 为低频放大级,接成固定偏置电路,工作电流一般取 0.5~1mA 范围。 功放输出级为典型的 OTL 电路,由 T5、T6 和 T7 等组成。其中 T5 为激励级, T6、T7 为互补推挽输出级。R15、R16 为激励级 T5 的偏置电阻;R18 使 T6、T7 两 管基极保持固定的电位差,改变 R18 可改变输出级的静态工作点。输出级工作电流 一般取 1.5~5mA 范围。C16 为交流负反馈电容,C19 为输出电容,C12、R14、C20 为电源去耦电路的电容、电阻。另外,输出级 T6、T7 的中点电位(3v)可由 R16 来 调节。
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图 2 收音机的基本方框图和波形图
3.2 功放级、前置低放级原理
1.功放级是由 BG6、BG7 和输入变压器 B3 组成的乙类推挽功放电路(即有输入变 压器和但无输出变压器功率放大电路也称 OTL 电路) 特点是: 。 在信号的一个周期内, 两管轮流导通,最后在输出端相互叠加,结果在负载扬声器上合成完整的不失真的波 形。 在原理图中,对直流通路而言,BG6、BG7 是相互串联的(如图 3) ;对交流通 路而言,BG6、BG7 是相互并联的(如图 4) 。R17、R18 为分别为 BG7、BG6 的上 偏置电阻,C21、 R16、C17 为电源退耦电路,C19 为消振电容,C20 输出耦合电容, 同时它与 R15 构成 BG4 的交流负反馈。前置放大器是 BG4、BG5 两级直耦式放大器 组成的,R12 为 BG4 的直流负反馈电阻,同时也是它的上偏电阻,R13 为 BG4 的集电 极负载和 BG5 的上偏电阻,C16 为输入耦合电容。 2.在本电路中,扬声器的阻抗低,而放大器的输出阻抗高,没有输出变压器进行阻 抗变换,扬声器能直接与晶体管相连。 由原理图知,BG6、BG7 对交流而言是并联的且都为射极输出器,BG7 级为实际上 的射极输出器,BG6 为等效的射极输出器。因为,当信号为负半周时,BG7 导通、 BG6 截止,电源通过 BG7、扬声器给 C18 充电,充电路径为:E+→扬声器→C20→ BG7→E-;当信号为正半周时,BG7 截止、BG6 导通,BG6 导通时的电源是靠 C18 在信号为负半周时充的电压而提供的,此时电路可等效为如图 4 示。因此,BG6 为
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等效的射级输出器,所以,BG6、BG7 组成的功放级都可看成是射级输出器。又因对 交流而言,两管是并联的,而射级输出器的优点之一是输出
阻抗低,所以,功放级可 直接与扬声器相连,不需要输出变压器进行阻抗变换。
图 3 功放直流通路
图 4 功放交流通路
图 5 等效的射随器
3.3 电源退耦电路原理
在一些放大器中,常使用电池作为电源,比如收音机,当电池失效时,其电源内 阻 R0 将会变大,由此可能引起放大器的自激振荡,为消除这种自激,常采用电源退 耦电路。退耦是指去掉两部分之间的有害联系,与耦合作用相反。 图 6 是两级阻容耦合放大器,R0 是电源 VCC 的内阻。设在某瞬间输入信号 ui 的瞬时极性为上+下-,则电路上各点的瞬时电压极性和 T1、T2 的集电极交流电流 分量 ic1、ic2 的瞬时流向。当 ic1 和 ic2 流过内阻 R0 时,就会在 R0 上产生交流电 压降, 由于 ic1 远远小于 ic2 , 可认为这时在 R0 上产生的交流压降主要是 ic2 产生的, 其瞬时极性为上+下-。uf 对于第二级放大器来说相当于负反馈电压。uf 对于第一 级放大器来说相当于正反馈电压。它通过 Rb1 加在 T1 的 be 结上,uf 和 ui 的假定极 性同相位,因而构成正反馈。当两级阻容耦合放大器的增益较高时,这种正反馈就足 以引起自激振荡,此振荡是有害的,应当避免。 对于由电源内阻引起的自激振荡,可采用电源退耦(滤波)电路消除。图 6 中 R、 C1、C2 就是起电源退耦作用,避免共电耦合的有害影响,加强电源滤波。加了 R、 C1、C2 之后,电源内阻 R0 上的反馈电压 uf 被 C2 短路入地,即使还有残余很小的 信号电压,通过 R 降压,再经 C1 进一步滤除干净,就可避免对第一级产生正反馈, 引起自激振荡。 收音机中电路中的 C21、R16、C17 就是起退耦作用。
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图 6 电源退耦电路
3.4 变频器原理
变频是一种频率变换过程, 即把载波频率为高频的调幅信号变为载波频率为中频 的调幅信号的过程称为变频,完成频率变换的电路称为变频器。 在超外差式收音机中要进行频率变换,主要是为了提高接收机的性能指标。 ①可提高接收机的灵敏度: 一般接收到的信号是很微弱的为微伏级, 若直接进行检波, 则小信号检波容易引起非线性失真且灵敏度低;若先放大再检波,失真将减小,灵敏 度也得到一定的提高。由于信号频率高,管子的特征频率有限;但若经过变频,把高 频变成中频(465KHz) ,则因频率较低可以经过多级中放,而且各级放大器都设计在 最佳期工作状态,这样增益容易做得很高的,所以灵敏度可得到提高。 ②可提高选择性: 因为变成固定的中频 465KHZ, 因而就可利用性能良好的滤波器 (调 谐回路)来提高选择性。 变频器的组成:由非线
性元件、本机振荡器、选频网络三大部分组成。当两个高 频信号电压,作用于非线性元件上,经过非线性元件的的变频作用后,产生了除原有 基频成份外,还包括有二次谐频、和频、差频等许多新频率成份,其中的差频正是我 们需要的中频分量,信号通过输出端的带通滤波器便可选出有用的中频分量,同时滤 掉其它无用的频率成分。 收音机图纸中实际电路: R1、R2 为 BG1 变频级的偏置电阻,确定 BG1 的静态工作点,使其稳定地工作 在非线性区。C5 为基极高频旁路电容,BG1 为共基极电路,C2 为输入回路的高频补 偿电容,C1a 、L1 组成输入调谐回路,由它选择某一电台的调幅信号,再经 L1、与、 L2 的互感耦合到晶体管 BG1 的基极;L4、C1b 组成本机振荡回路,C3 为高频补偿
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电容, 为垫整电容。 C4 本机振荡信号由 L4 的抽头位置通过 C6 注入变频管的发射极。 L3 为产生振荡所必需的反馈线圈,L3 圈数很少,对振荡的影响不大。而 L5 、C7 是接在变频管的集电极,谐振于 465KHZ,根据并联谐振曲线知,它对最低的振荡频 率 535+465=1000Hz,也几乎是短路的,所以只要将 L3 和 L5C7 分别看成短路,那么 该振荡电路就是一个变压器反馈共基调射型自激 LC 振荡器。 总述, 所选的电台调幅信号与本机振荡产生的等幅波信号共同作用于晶体管 BG1 上,由于晶体管 BG1 的发射结工作于非线性状态,两个信号在发射结上产生混频, 经过混频后的信号,再经晶体管放大,由中频调谐回路 L5C7 选出角频率为ωe-ωs 的信号,即载波为 465KHZ 的中频调幅波信号,其中含有直流分量、465KHZ 的载波 及有用的调制信号(声音信号) 。
3.5 中和电路原理
在晶体管内部,集电极与基极之间存在着几个微法甚至十几个微法的结电容 CbC,当晶体管工作频率较高情况下,极间电容 Cbc 相当于短路线,此时集电极电压 与基极电压之间的相位关系就会由工作在低频时反相关系转变为同相关系, 从而构成 寄生正反馈, 产生自激振荡。 所谓中和就是中和由于晶体管结电容 Cbc 的存在而产生 的 icb。从而达到自激振荡的目的,如图 7 示。中周变压器的初级中间抽头 4 是接电 源负极,这样做的目的有两点:一是可以提高晶体管的输出阻抗,使之与下一级的输 入阻抗相匹配,更重要的是可以减小晶体管的输出阻抗对谐振回路品质因数的影响; 二是由于 4 端接-E 就使 3、5 两端的相位对 4 而言极性恰好相反,中和电容CN 接在 管子的基极与中周的 3 端之间,此时 icb 与 iN 的方向相反,若CN 的大小选择的合 适就能使 iN=icb 从而达到最佳中和,消除自激振荡
。
图 7 中和原理图
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3.6 检波原理
从已调幅波中恢复调制信息的电路称为解调器或检波器。 检波器通常采用二极管 检波器。那么检波级的任务是:把所需要的低频信号从调幅中频信号中取出来。典型 的二极管检波电路如图 8 示。D 为检波二极管,C 为检波电容(滤波电容) 为检 ,R 波电阻。A 点为中放级输出的 465KHz 中频信号,由于二极管具有单向导电性,此种 接法是把信号的负半周载去,N 点为正半周的中频脉动信号。实验证明,中频脉动信 号中包含如下三种成份:465KHz 中频信号、音频成份、直流成份。关于检波有两种 解释:一种是利用二极管的单向导电性解释,信号正半周时二极管导通,负半周时二 极管截止,波形对称的已调波中频信号经过二极管 D 之后,把负半周截去,载波成 份为中频信号(465KHZ)由电容 C 滤除,直流信号由音频前置放大级的耦合电容隔 直,那么送到音频前置放大级只有有用的音频信号。
图 8 自动增益电路
3.7 自动增益控制电路也称 AGC 电路原理
AGC 的作用:①使收音机接收不同的电台信号强度变化较大时,使其输出的音 量变化较小,②使同一电台的音量不致于明显地忽大忽小地变化。是因为当接收强电 台时,AGC 电路负反馈作用很强,使得收音机的增益自动减低不致于使后级过截而 失真;当接收弱电台时,AGC 电路不起作用或作用甚微,对放大器的增益基本上无 影响如图 8。这样当调谐电台时各电台的音量相差的幅度就可以减少,同一电台特别 是远地电台发出的无线电波,尤其是短波时刻在忽大忽小地变化而影响收音机的质 量,AGC 电路则能自动地减小这种影响。R5、C8 为 RC 滤波器,另外 R5 还起负反 馈作用。没有信号时,M 点正、N 点负、Q点负;有信号时,检波后的音频脉动直流 通过二极管 D→R8→R9→地→BZ3 次级的下端,此时,N点正、M点负、Q点正,
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Q点的电压极性与原来的相反,导致UQ 点电位下降,故 VBG2B 随之下降。由于在 一定范围内三极管的实际放大量随发射结正向偏压 VBE 大小而变化,VBE 大放大量 也大, 因此自动增益控制就是利用检波输出的音频脉动直流成份在电位器上产生的反 馈压降的大小来控制 BG2 发射结正向电压的大小,从而改变 BG2 的增益的,因此, AGC 电路实质上是一种负反馈电路。
4.收音机的安装与调试
超外差收音机的安装: ①整机电路分析,熟悉元件在印刷板上安装位置。 ②元器件焊接、安装(安装时应检查元器件的好坏) 。 ③检查电路,将安装好的收音
机和电路原理图对照检查下列内容。 a.检查各级晶体管的型号,安装位置和管脚是否正确。 b.检查各级中周的安装顺序,初次级的引出线是否正确。 c.检查电解电容的引线正、负接法是否正确。 d.分段绕制的磁性天线线圈的初次级安装位置是否正确。 e.用指针式万用表 R×100 档测量整机电阻,用红表笔接电源负极线,黑表笔接 电源正极引线,测得整机电阻值应大于 500 欧。 以上检查无误后,方能接通 4.5 伏电源。 超外差式收音机的调试。 新装的收音机。 必须通过调整才能满足性能指标的要求, 其调整内容有:调整各级晶体管的工作点,调整中频频率,调整覆盖(即对刻度)统 调(调整频率跟踪即灵敏度) 。 下面对调整内容及方法分别加以叙述: ①调整静态工作点:各晶体管的作用不同,所处的工作点不一样,各级静态工作点的 调整是通过无信号时(本机振荡停振)无外加信号时各晶体管发射极电阻上的电压的 大小分别来衡量的。分级调整 R1、R4、R12、R17、R18 使 VT1 级电压为-0.5~0.7V。 VT2 级 R6 上电压-0.5~0.7V。VT3 级 R7 上电压为-0.25~0.4V,VT5 级 R14 上电压 为-0.7~0.9V,VT6、VT7 级是共集电级电流为 2~6mA。 ②调整中频:目的是使三个中周变压器(中频调谐回路)的谐振频率调整为固定的中 频频率 465KHZ,由于所用中周是新的,一般厂家已调整到 465KHZ,所以调试时,
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接收某一个电台,用无感起子调节中周磁芯,调整顺序是由后级往前级即先调 Bz3 再调 Bz2 至喇叭声音最响为止。
5.结论
经过发现问题解决问题,本设计已经完成。在此过程中遇到了蛮多问题,其中由 于元器件太多,排布太密而使焊接出现了小麻烦,还把 AM 振荡弄丢了,通过拆分就 收音机找到 AM 振荡。起初在调试时没有找到频道,在多次尝试后完成了此设计。 本设计的优点: (1) 接收高低端电台(不同载波频率)的灵敏度一致; (2) 灵敏度高; (3) 选择性好(不易串台) 。 此次的毕业设计让我了解了自己在设计方面的不足, 尤其是需要更多的设计实践 的经验来充实自己。不过这是本人的第一个设计,对此还算满意,它是我在大学所学 的知识的回顾和巩固,让我综合地系统地去复习并应用一些所学的理论知识,对我以 后踏入社会有很大的帮助。
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参考文献
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谢辞
感谢学校对我的帮助,还有物电学院对我的培养。总结了大学三年所学的知识, 让我从理论到实践有了一个充分的认识。感谢杨金伟老师,从设计初的寻找资料,到 设计作品最后的验收,他都给了我非常多的支持。感谢所有帮助我的同学。 感谢物电学院和所有任课老师这几年来对我的培养。经过几个月的查资料、整理 材料、写作论文,今天终于可以顺利的完成论文的最后的谢辞了,想了很久,要写下 这一段谢词。时光匆匆飞逝,四年多的努力与付出,随着论文的完成,终于让我在大 学的生活得以划下完美的句点。 当然,除了指导老师外,我也不会忘记教会我这些知识的同学们,有时候论文搞 得很晚,打扰到寝室人的休息,但是他们都很体谅我,不怪责我。还有我的大学同学 们,在选题写作时都给了我意见,让我更好更快地完成论文。大学三年过去了,我感 谢的人怎么能少了我亲爱的父母亲,正是因他们给了我良好的学习环境,给了我无限 的关爱,我才可以在大学里面安心学习,以优秀的成绩回报他们。值此本论文完成之 际,感谢在我的毕业设计过程中帮助过我的每一个人。
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附件
附件 1 实物图
附件 2 原理图
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附件 3 元器件清单
器件类别 中波中频变 压器 调频中频滤 波器 线圈 调频天线圈 调频振荡线 圈 电阻 电位器 电容 电容 电容 电容 330 2K 100K 5K 1P 10P 15P 18P 30P 120P 103 各1 1 各1 各1 各1 1 电解电容 扬声器 开关 拉杆天线 耳机插座 导线 100u 58MM 2 1 1 1 1 若干 55x13x5 6x4 圈 3x6 圈 1 1 1 电解电容 电解电容 电解电容 0.47u 4.7u 10u 1 2 3 10.7MHz 1 电容 104 2 型号 数量 1 器件类别 电容 型号 223 数量 2
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