Transcript Microtrasmettitore FM - Sito realizzato da Paola Porto

Che trasmette sulla gamma
88-108
INDICE
• Presentazione del
progetto
• Descrizione generale del
progetto
• Schema elettrico ed
elenco dei componenti
• Circuito stampato
• Descrizione del
trasmettitore
• Realizzazione pratica
• Sintonizzazione su una
frequenza
• Collaudo
• Schema a blocchi di una
trasmissione FM
• Modulazione in frequenza
• Trasduttori acustici
• Oscillatori
• Cenni sugli schemi a
blocchi
Presentazione del progetto
Il circuito presentato in questa tesi è quello riguardante un mini modulatore in FM (88-108MHz). Il
circuito è dotato di un preamplificatore integrato al quale può essere collegato qualsiasi tipo di
microfono. Ideale per creare un' emittente a carattere familiare e locale nel giro di qualche decina di
metri. Può essere ricevuto da qualsiasi apparecchio radiofonico in FM.
In figura è riportato il circuito al banco di collaudo
Descrizione generale del progetto
Il progetto sviluppato è relativo ad un modulatore FM di bassa potenza.
Questo circuito sfrutta il principio della modulazione di frequenza ossia di far variare la frequenza
di un segnale ad alta frequenza chiamato portante al variare dell'ampiezza dell'informazione da
trasmettere.
Il trasmettitore in oggetto trasmette a corta distanza perchè non usufruisce di uno stadio
amplificatore potente che gli consenta di arrivare a distanze maggiori di una decina di metri.
Schema elettrico ed elenco dei componenti
Lo schema elettrico riportato in figura è composto da:
• uno stadio amplificatore BF (IC1);
• uno stadio oscillatore (TR1), che serve per creare la
portante e modulare in FM;
•uno stadio preamplificatore RF (TR2).
Foto dei componenti prima del montaggio.
Circuito stampato
Circuito stampato del microtrasmettitore realizzato al computer con il Circad.
Descrizione del trasmettitore
Stadio amplificatore BF
Iniziamo la descrizione dal microfono siglato
MIC.1 che, captando le onde sonore le
trasforma in un segnale elettrico. Questo
segnale viene applicato sull’ ingresso non
invertente (piedino 3) dell’ operazionale
IC1,che lo amplifica di circa 22 volte.
Poiché polarizziamo l’ ingresso non invertente
con una tensione fissa di 4,5 volt tramite il
partitore resistivo R2-R3, sul suo piedino di
uscita 6 ci ritroveremo, in assenza di segnale
BF, una tensione positiva di 4,5 volt.
Quando sull’ingresso dell’operazionale giungono le semionde positive del segnale BF captato dal
microfono, la tensione sale da 4,5 volt fino a un massimo di 5 volt e quando giungono le
semionde negative la tensione scende da 4,5 volt fino a un minimo di 4 volt.
Poiché le variazioni di tensione sull’ uscita di IC1 risultano proporzionali all’ ampiezza del segnale
BF captato dal microfono, se parliamo a bassa voce otteniamo una variazione di tensione minore
rispetto a quando parliamo ad alta voce.
Stadio oscillatore
La frequenza che desideriamo irradiare dipende dal
numero di spire della bobina L1 e dal valore della
capacità posta in parallelo a questa bobina (vedi
C9+C10).
Il compensatore C9 ha una capacità variabile da 2 a
15 pF e il condensatore C10 una capacità di 8,2 pF,
quindi possiamo variare la capacità da un valore
minimo di10,2 pF a un valore massimo di 28,2 pF: di
conseguenza riusciremo a creare un segnale
sinusoidale con frequenze comprese tra un minimo di
87 MHz fino ad un massimo di 109 MHz.
In alto è raffigurato la parte del
circuito che compie la funzione
di oscillatore.
In basso è raffigurato un
compensatore, cioè un
condensatore variabile.
In parallelo è presente anche un diodo varicap DV1,
che varia la sua capacità al variare del segnale BF e
di conseguenza la frequenza generata dallo stadio
oscillatore varierà con il valore del segnale sonoro.
Stadio preamplificatore e antenna
Dopo aver amplificato il segnale RF generato dallo
stadio oscillatore è necessario irradiarlo nello
spazio attraverso un filo che svolge la funzione di
antenna.
Lo spezzone di filo che funge da antenna viene
collegato direttamente all’ Emettitore del transistor
TR2 e, per evitare che il segnale RF si scarichi a
massa tramite la resistenza R14 e il condensatore
C15, abbiamo inserito in serie una piccola
impedenza RF (vedi JAF1).
Il segnale RF, non potendosi scaricare a
massa, è obbligato a raggiungere l’ antenna
irradiante
Realizzazione pratica
Dopo aver fatto uno studio attento del circuito
e dopo alcuni tentativi, sono riuscito a trovare
la giusta disposizione dei componenti per
realizzare il circuito stampato.
Solo ora ho potuto iniziare il montaggio del
circuito iniziando proprio ad inserire lo zoccolo
dall’ integrato IC1 sulla basetta e a saldare i
suoi piedini sulle piste di rame.
Completata questa operazione, ho iniziato ha
saldare tutte le resistenze stando ben attento
ai colori per evitare di inserire una resistenza
col valore ohmico errato al posto sbagliato.
Dopo le resistenze ho montato il diodo
varicap.
Proseguendo nel montaggio, ho inserito i
condensatori ceramici, poi quelli al poliestere
e infine gli elettrolitici.
In prossimità del transistor TR1 ho inserito il
compensatore C9, necessario per
sintonizzarmi su una frequenza libera della
gamma FM e, vicino il transistor TR2, la
piccola impedenza in ferrite siglata JAF1.
Ho inserito i due transistor 2N2222
prestando attenzione a saldarli
correttamente.
Quindi ho inserito anche il microfono
preamplificato sul lato sinistro del circuito
stampato stando attento a individuare il suo
terminale di massa.
Infine ho inserito l’integrato TL.081 nel suo
zoccolo, prestando particolare attenzione
alla disposizione dei pin.
Sul circuito mancava ancora la bobina di
sintonia L1 che mi sono auto-costruito
avvolgendo 5 spire sopra ad un tondino del
diametro di 6 mm, utilizzando un filo di rame
stagnato del diametro di 1 mm. Dopo aver
avvolto le spire le ho spaziate fino ad
ottenere una bobina di lunghezza 10 mm
circa.
Una volta inseriti i due capi della bobina nei due
fori dello stampato, li ho saldati nella pista di
rame sottostante.
Poi ho preso un sottile filo di rame nudo e l’ ho
infilato nel foro dello stampato posto vicino alla
resistenza R11 e al condensatore C12 saldando
anch’ esso nella pista di rame sottostante, infine
ho saldato il capo opposto di questo filo nella
spira centrale della nostra bobina L1.
Per completare il montaggio, ho inserito nel
circuito stampato i due fili rosso e blu per l’
alimentazione e per ultimo nel foro presente in
prossimità del condensatore C18 ho collegato
un filo che mi è servito come antenna irradiante.
Nella figura in alto è raffigurata la realizzazione di una bobina.
Alcune foto che illustrano la creazione del circuito stampato.
Dopo l’impressione del circuito stampato attraverso un’ apposita macchina (bromografo) che
proietta raggi ultravioletti, ho immerso la basetta in un semplice sale (cloruro ferrico) che
corrode il fotoresist polimeralizzato e ci permette di isolare la nostra pista dal resto di tutta la
basetta:
Dopo circa trenta minuti ho estratto la basetta e
l’ho lavata con cura fino ad ottenere la mia
pista.
Sintonizzazione su una frequenza
Completato il montaggio la prima
operazione successiva e stata quella
di prendere un ricevitore FM e far
ruotare la sua sintonia fino a trovare
una frequenza che non risulti
occupata da una potente emittente.
Anche per esperienza ho scoperto
che normalmente una frequenza
libera si trova nelle vicinanze dei due
estremi della gamma FM, cioè su 88
MHz o su 108 MHz.
Dopo essermi sintonizzato su questa
frequenza libera, ho cominciato a
ruotare molto lentamente il perno del
mio compensatore C9 con un piccolo
cacciavite plastico. Ho usato un
cacciavite di plastica proprio per
diminuire la formazione di fastidiose
capacità parassite che potrebbero
darmi qualche difficoltà nel
sintonizzarmi nella frequenza
prescelta. Anche prendendo solo in
mano il radiomicrofono
provocheremo la formazione di una
capacità parassita.
La prima volta che ho provato il
collaudo ho collocato il radiomicrofono
a pochi metri del ricevitore e appena
mi sono sintonizzato sulla mia
frequenza, dall’ altoparlante è
fuoriuscito un fischio acuto. Questo
fischio è chiamato effetto Larsen, ed è
la conseguenza di una reazione che si
genera perché il microfono capta il
segnale dell’ altoparlante e lo
ritrasmette verso il ricevitore.
Infine mettendo a distanza opportuna il
radiomicrofono dal ricevitore sono
riuscito a sentire la voce.
Collaudo
Per collaudare il trasmettitore ho alimentato il circuito con l'alimentatore e a poca distanza ho
posto una radio FM col compito di ricevere ciò che viene trasmesso dal trasmettitore.
Il trasmettitore è stato alimentato con una tensione di 9V come si può vedere dal particolare del
display dell’alimentatore. Il nostro circuito può anche essere alimentato da una semplicissima pila
alcalina.
A sinistra è illustrato un
alimentatore 0÷30V. A destra una
normale batteria alcalina da 9V
Una volta alimentato ho acceso la radio ho cominciato a parlare e contemporaneamente ho
ruotato la manovella del compensatore fino ad arrivare ad una frequenza nella quale si ascoltava
la mia voce.
Come si può vedere dal particolare del sintonizzatore della radio si può notare che il circuito è
tarato per trasmettere ad una frequenza portante di 87.7 Mhz.
SCHEMA A BLOCCHI SEMPLIFICATO DI UN TRASMETTITORE
RADIO A MODULAZIONE DI FREQUENZA
Cenni sulla modulazione di frequenza
La modulazione di frequenza è uno dei sistemi utilizzati per trasmettere informazioni utilizzando
un segnale a radiofrequenza. Spesso viene abbreviato in FM (dall'inglese Frequency Modulation).
Schema di una modulazione FM
Nella FM sono presenti: una modulante di tipo analogico, ed una portante sinusoidale.
Portante:
v p  t   V p cos  p t 
Modulante:
v m  t   V m cos  m t 
Con: p>> m
Nella modulazione di frequenza (FM), l'ampiezza del segnale modulato è mantenuta costante ed
eguale al valore della portante a riposo Vp.
La frequenza invece varia, proporzionalmente all'ampiezza istantanea del segnale modulante
carrier= frequenza portante
signal= segnale modulante
output = portante modulata
Modulazione FM
La modulazione di frequenza, insieme a quella di fase, viene detta anche “modulazione angolare”
perché il segnale modulante viene sommato alla frequenza della portante e quindi si fa variare l’
angolo. Possiamo esprimere quanto detto mediante la seguente relazione:
VFM= Ap cos [p + KF vm (t)] t
fFM=
ωFM
2π
=
ωp
2π
+
Kf Vm
cos ωmt
Può assumere al
massimo un valore
tra 1 e -1
2π
Attraverso l’argomento del coseno dell’equazione precedente possiamo ricavarci la deviazione di
frequenza.
La deviazione di frequenza ΔF, rappresenta la massima o la minima differenza tra la frequenza
della portante modulata e la frequenza della portante non modulata:
f 
K FVm
2
Ma a questo punto oltre che ricavarci il Δf non possiamo far altro. Ma dato che facendo l’integrale
dell’argomento del coseno <ωp + kf vm (t)> possiamo ricavarci l’angolo α:
αFM=∫ωFm dt= ∫(ωp + kf cos ωmt) dt=
Segue:
=ωpt + kf vm sen ωmt
ωm
Si sostituisce alla formula:
VFM = Ap cos [ωpt + kf vm sen ωmt
ωm
]
Si può anche riscrivere:
VFM = Ap cos [ωpt + kf vm sen ωmt ]
ωm
Da questa equazione possiamo
anche ricavare l’Indice di
modulazione mf
L’ indice di modulazione indica il rapporto tra la deviazione di frequenza e la frequenza del
segnale modulante:
mf 
K FVm
m

K FVm
2 f m

f
fm
Inoltre dato che viene fuori una funzione di cos possiamo applicare le formule trigonometriche:
Cos (α + β)
α
β
VFM = Ap cos [ωpt + kf vm sen ωmt ]
ωm
Cosi facendo otteniamo le seguenti espressioni. Il segnale modulato in frequenza si deve
sviluppare (sviluppo in serie) con le formule di BESSEL:
Cos mf * sen m t = J0 (mf) + 2 J2(mf) cos 2 m t + 2 J4(mf) cos 4 m t + ……..
Sen mf * sen m t  = 2 J1(mf) sen m t + 2 J3(mf) sen 3 m t + 2 J5(mf) sen 5 m t + ……
Quindi:
VFM= Ap {cos p (t) [ J0 + 2J2 cos (2mt) + 2J4 cos (4mt)+ ……] – sen (pt)
[ 2J1 sen (mt) +
+ 2J3 sen (3mt)+ ……]}=
= Ap [J0 pt + 2J2 cos (pt) * cos (2mt) + 2J4 cos pt * cos (4mt) +.…..- 2J1 sen pt *
sen (mt) – 2J3 sen pt sen (3mt)]
VFM= Ap {J0 cos (ωpt) + J1 cos (ωp + ωm)t + J1 cos(ωp-ωm)t + J2 cos(ωp+2ωm)......
Si vede quindi che lo spettro di un segnale modulato in frequenza con un segnale modulante
sinusoidale contiene, un’ onda a frequenza portante, e idealmente un’infinità di onde laterali. Le
ampiezze di queste onde laterali e quella della portante, sono funzioni dell’ indice di modulazione
mf, secondo i coefficienti di Bessel, i quali sono tabulati o figurati in questo grafico:
Banda passante e spettro FM
Frequenza
p
p-m; p+m
p-2m; p+2m
p-3m; p+3m
Ampiezza
Ap J0
Ap J1
Ap J2
Ap J3
Si definisce banda di un
segnale modulato in FM,
l'insieme delle frequenze
di valore significativo che
lo costituiscono.
Carson ci dice che la
Banda del segnale FM
sarà data da:
BFM = 2(mf +1) fm
Cenni sui trasduttori
Definizione
Un trasduttore è un dispositivo in grado di rilevare una grandezza fisica di tipo qualsiasi
(termico, luminoso, magnetico, meccanico, chimico, eccetera) e di trasformarla in una
grandezza di altro tipo, generalmente elettrica (tensione o corrente).
Microfoni ed altoparlanti sono dispositivi utilizzati nel campo acustico; i primi sono dei
trasduttori, in quanto convertono il suono in un segnale elettrico, i secondi sono da
considerare degli attuatori, in quanto convertono un segnale elettrico in vibrazioni suono.
I microfoni sono trasduttori in grado di convertire le vibrazioni dell’aria (suoni, rumori,
ecc.) in una grandezza elettrica.
Il suono è costituito da una vibrazione dell’aria che viene percepita dall’orecchio per
mezzo di una membrana (timpano) che, vibrando, agisce sul sistema costituito dagli
ossicini martello, incudine e staffa prima di essere convertito in impulsi nervosi che
vengono trasmessi al cervello.
Le vibrazioni dell’aria equivalgono ad una successione di pressione e depressione che,
agendo su un qualunque oggetto, lo fa vibrare; Il fenomeno è reversibile in quanto le
vibrazioni di un oggetto si trasformano in vibrazioni dell’ aria.
I microfoni sono utilizzati per eseguire operazioni di trasmissione a distanza, memorizzazione del
suono, amplificazione ecc.
L’ elemento sensibile di un microfono è una membrana (diaframma) che vibra sotto l’ azione dell’
onda acustica.
In base alle principali tecniche di costruzione, vi sono diversi tipi di microfoni ma io ne elencherò
solo due tipi per comprendere subito le principali differenze tra il passato e oggi.
-microfoni a carbone;
-microfoni a bobina mobile;
I microfoni a carbone hanno come elemento sensibile una capsula piena di granuli di carbone e
chiusa ad una estremità da una membrana. Quando questa membrana viene colpita dall’ onda
sonora comprime i granuli provocando una diminuzione della resistenza elettrica, quindi posso dire
che l’onda sonora provoca una variazione della corrente nel circuito.
Questi hanno caratteristiche più scadenti rispetto agli altri microfoni: l’ aspetto peggiore è
soprattutto il rumore di fondo provocato dalla presenza della corrente continua nel circuito.
Foto del microfono utilizzato
Nel progetto
Gli altoparlanti sono dispositivi che convertono l’ energia elettrica in energia acustica.
L’ elemento principale di un altoparlante è una membrana che viene fatta vibrare per mezzo di un
segnale elettrico producendo un’onda sonora.
I più comuni altoparlanti sono a bobina mobile. L’ elemento principale è la membrana che è a
forma di un tronco di cono ed è solidale con una bobina che si muove all’interno di un magnete.
Quando la bobina viene sottoposta ad un variazione di corrente (segnale elettrico), essa si muove
trascinando la membrana e facendola vibrare.
Oscillatori sinusoidali
Gli oscillatori sono dei dispositivi che convertono una tensione continua di alimentazione in una
tensione di uscita variabile nel tempo. Un circuito elettronico in grado di generare un segnale
sinusoidale di frequenza predeterminata prende il nome di oscillatore sinusoidale
Il blocco “A” rappresenta la componente di amplificazione in assenza di retroazione, invece il
blocco β rappresenta il fattore di reazione. βA è il guadagno d’anello.
L’oscillatore si forma da una retroazione positiva.
Se Vs = 0
Vf = Vi
Vf = βVo
Vi sono tre tipi di oscillatori che sfruttano le
condizioni di Barkhausen io tratterò il seguente:
βA
=0
βA
=1
e
Conosciute come condizioni di Barkhausen e costituiscono una base sufficiente per l’analisi del
funzionamento e per il dimensionamento della maggior parte dei circuiti pratici.
Il segnale oscillante non ha bisogno di nessuna eccitazione esterna per essere creato, perché
infatti si autogenera grazie alla sicura presenza di rumore termico nel sistema costituito dall’
amplificatore e dalla rete di reazione. Si deve prevedere però nel funzionamento lineare iniziale dell’
amplificatore un guadagno d’anello βA leggermente superiore ad uno. Successivamente, col
crescere dell’ampiezza dell’oscillazione, la diminuzione di A, causata dai fenomeni di non
linearità,riporta gradualmente il valore di βA ad uno, con conseguente stabilizzazione
dell’ampiezza.
Gli oscillatori, in base alle frequenze che assumo i segnali da generare, si dividono in:
• Oscillatori per basse frequenze (B.F.), partono da frazioni di Hz fino ad arrivare a centinaia di KHz
(oscillatore a sfasamento; Wien).
• Oscillatori per alte frequenze (A.F.), partono da alcune decine di KHz fino ad arrivare ad alcune
centinaia di MHz (oscillatore a tre punti; Hartley; Colpitts).
Oscillatore di Wien
IL circuito illustrato è costituito da un amplificatore non
invertente reazionato mediante una rete di Wien. Per la
determinazione di βA, nell’ipotesi che sia Ri = +∞ o comunque
Ri>>R, risulta comodo aprire l’anello di reazione all’ingresso
dell’ amplificatore. Supponendo inoltre che quest’ultimo abbia
Ro circa uguale ad 0 o comunque Ro<<Zβ, si ricava:
βA = Vf = Vf Vo =βAv
Vi Vo Vi
Dove Av assume valore reale e positivo.
La funzione di trasferimento della rete di Wien β= Vf/Vo produce sfasamento nullo in
corrispondenza della frequenza:
fo=
1
2πRC
A questa frequenza Vf e Vi risultano senz’altro in fase, mentre l’attenuazione
introdotta dalla rete e di 1/3. la condizione βA =1 è soddisfatta se Av=3
Oscillatori per alte frequenze.
Esistono numerose versioni circuitali di oscillatori LC, ma quasi tutte sono riconducibili alla tipica
struttura detta a tre punti. L’amplificatore supposto invertente e le impedenze Z1,Z2,Z3 sono
costituite da elementi reattivi dei due tipi. I punti 1, 2, 3 sono rispettivamente i terminali d’ingresso,
di uscita e di riferimento dell’amplificatore.
A sinistra il circuito
equivalente.
Per il calcolo di βA e per l’imposizione delle condizioni di Barkhausen, conviene, dopo aver aperto
l’anello di reazione all’ingresso dell’amplificatore, far riferimento al circuito equivalente.
Si scrive quindi:
βA=
Vf
Vi
=
Vf
Vo
Vo
Vi
ZL = (Z1+Z3)//Z2
dove risulta
β=
Vf
Vo
=
Z1
Z1+Z3
A=
Vo
Vi
=
-Av ZL
Ro+ZL
Sviluppando l’espressione di ZL si giunge alla relazione:
βA=
-AvZ1Z2
Ro (Z1+Z2+Z3)+Z2(Z1+Z3)
Espresse poi le tre impedenze, puramente immaginarie, come segue
Z1 =jX1
Z2 =jX2
Z3 =jX3
Quindi diviene:
βA=
AvX1X2
jRo(X1+X2+X3)-X2(X1+X3)
Si osserva innanzi tutto che le condizioni di Barkhausen possono essere soddisfate solo se βA
risulta reale; ciò avviene se:
X1+X2+X3= 0
Ovvero se gli elementi reattivi no sono tutti dello stesso tipo. In questo modo l’equazione si scrive
come:
βA =
Av X1
-(X1+X3)
= Av
X1
X2
Si ha inoltre βA =0 solo se X1 e X2 sono reattanze dello stesso segno (entrambe capacitive o
induttive), mentre X3 deve essere di segno opposto.
La condizione βA =1 implica infine la relazione:
Av= X2
X1
L’analisi svolta porta a concludere che sono possibili due diverse strutture di oscillatori a tre punti a
seconda che X1 e X2 siano reattanze induttive e X3 capacitiva o viceversa.
Oscillatore Colpitts
Quando nella struttura circuitale a tre punti Z1 e Z2 sono capacità e Z3 un induttanza, l’oscillatore
viene detto di colpitts. Anche in questo caso la frequenza di oscillazione si ottiene imponendo che
sia verificata la seguente equazione: X1+X2+X3=0
Si scrive quindi:
-
ω2=
1 - 1
+ωL =0
ωC1 ωC2
C1+C2
LC1C2
√
ω0=
-C1 -C2 +ω2 LC1C2 =0
C1+C2
LC1C2
1
=
LC1C2
C1+C2
fo =
1
2π√LC
Con C =
C1C2
C1+C2
1
=
√ LC
Oscillatore di Colpitts con BJT.
Qui accanto è illustrato un oscillatore di colpitts con BJT, lo
stesso che c’è nel mio microtrasmettitore.
Cb = blocco per la componente continua trascurabile (Xb≈0) alla
fo di lavoro
Lb = blocco per la frequenza prodotta dall’oscillatore verso
l’alimentore.
Es:
XL= ωL = 2πfL
Fo=0 XL=0
F
∞
∞
fo =
Questi oscillatori sono adatti per frequenze fino
ad alcune centinaia di MHz. Infatti a basse
frequenze le dimensioni degli elementi reattivi
diventano eccessivamente elevate.
XL
1
2π√LC
Con C =
C1C2
C1+C2
Cenni sugli schemi a blocchi
Grazie alle nozioni teoriche di sistemi sono riuscito a schematizzare il circuito realizzato in degli
scemi a blocchi. Ora vi illustrerò tali operazioni.
Introduzione
Gli schemi a blocchi funzionali sono una rappresentazione grafica del modello matematico di un
sistema fisico. Un sistema, quindi può essere rappresentato con una serie di blocchi funzionali la
cui struttura può essere più o meno complessa. Con opportuni operazioni basate sull'algebra degli
schemi a blocchi si può ridurre lo schema del sistema ad un unico blocco equivalente che
rappresenta la funzione di trasferimento del sistema. I simboli utilizzati dall'algebra degli schemi a
blocchi sono:
RINGRAZIAMENTI
Professoressa
Rosa Maria Porto
Assistente tecnico Biondi (lab. Elettronica)
Assistente tecnico Bisicchia (lab. T.D.P.)