Gruppo Bertelli Nicolò – Miotto Filippo Classe 5^A Elettronica Anno Scolastico 2013-2014 PROGETTO Radio FM INDICE Descrizione generale – schema a blocchi.........................................................pag.2 Ricevitore Cenni teorici......................................................................................................pag.3 Ricevitore con TDA7000..................................................................................pag.6 Calcoli effettuati...............................................................................................pag.7 Amplificatore di potenza Amplificatore con TDA2003............................................................................pag.8 Calcoli effettuati...............................................................................................pag.9 Alimentatore Funzionamento..................................................................................................pag.10 Calcoli effettuati...............................................................................................pag.11 Costruzione e montaggio................................................................................pag.12 Tabella di collaudo..........................................................................................pag.14 Data Sheet........................................................................................................pag.15 RDS Trasmissione segnali stereo..............................................................................pag.19 Ricezione segnali stereo...................................................................................pag.21 Trasmettitore RDS.............................................................................................pag.22 Ricevitore RDS..................................................................................................pag.23 1 DESCRIZIONE GENERALE Il progetto che è stato realizzato è un ricevitore radio FM alimentato dalla tensione di rete. Per realizzarlo, dopo aver raccolto informazioni e studiato diversi schemi, si è deciso di utilizzare l'integrato TDA7000 per la ricezione del segnale in banda 88-108MHz, integrato che lavora secondo il principio della supereterodina. Per rendere il segnale ricevuto ben udibile è stato realizzato un amplificatore di potenza tramite l'integrato TDA2003. SCHEMA A BLOCCHI 2 RICEVITORE Cenni teorici I ricevitori radio FM funzionano secondo il principio di supereterodina. Tale principio si basa sulla traslazione dei segnali captati dall'antenna ad una frequenza fissa, nota come frequenza intermedia, più bassa della radio frequenza (88-108MHz), seguita da un filtraggio che seleziona la stazione desiderata, eliminando le altre. In un ricevitore radio supereterodina il comando che consente di selezionare la stazione scelta (sintonia) agisce simultaneamente sul filtro a radiofrequenze e sull'oscillatore locale, facendone variare la frequenza in modo che la differenza tra la frequenza dell'oscillatore locale e quella della stazione che si desidera ricevere sia sempre costante. La frequenza differenza è la frequenza intermedia (10,7MHz). Schema a blocchi ricevitore a supereterodina Un ricevitore a supereterodina è composto dai seguenti blocchi : Antenna Converte le onde elettromagnetiche in segnale elettrico. Filtro a RF Esegue un prefiltraggio; ha una banda larga per eliminare frequenze che possono interferire nel processo di conversione effettuato nel mixer, come la frequenza immagine, cioè la frequenza simmetrica a quella del segnale utile. fsi = fl + fi (freq. Immagine) (freq. Osc. (frequenza intermedia) locale) Filtro a RF 3 Amplificatore a RF Eleva il livello del segnale che giunge dall'antenna. Mixer ed oscillatore locale Il mixer effettua la conversione verso il basso del segnale captato, traslandolo dalla radiofrequenza alla frequenza intermedia, eseguendo il prodotto tra il segnale a radiofrequenza e il segnale generato da un oscillatore locale. Alla sua uscita sono presenti, oltre a termini spuri, segnali pari alla somma e alla differenza tra i due segnali in ingresso. Normalmente la frequenza differenza costituisce la frequenza intermedia, ossia la frequenza fissa alla quale viene abbassato il segnale prima di essere amplificato e demodulato e alla quale viene eseguito il filtraggio che consente di selezionare la stazione desiderata. Amplificatore filtro a frequenza intermedia Amplifica e filtra il segnale a frequenza intermedia uscente dal mixer, eliminando le componenti spettrali indesiderate e selezionando la stazione desiderata. Demodulatore La demodulazione di un segnale FM consiste nell'estrarre il segnale informativo dal segnale modulato in FM fornendo in uscita un segnale la cui ampiezza varia in modo proporzionale alla frequenza del segnale modulato. Il circuito demodulatore Fm consiste nel PLL (anello ad aggancio di fase). L'uscita del rivelatore di fase varia in modo dipendente dalla differenza tra le frequenze dei segnali ad esso applicati. Il filtro LP estrae il valor medio della tensione prodotta dal rivelatore di fase. In questo modo varia anche la tensione in ingresso al VCO, e di conseguenza sua stessa frequenza, che variando andrà ad agganciare quella del segnale modulato. Il PLL nello stato di aggancio è in grado di seguire le variazioni di frequenza del segnale in ingresso, fornendo all'uscita del filtro un segnale avente ampiezza proporzionale alle variazioni di frequenza. Schema interno PLL Amplificatore audio Amplifica la potenza del segnale audio demodulato. 4 Controllo automatico del guadagno (AGC) E' un circuito che limita le variazioni di livello che per varie cause subisce il segnale captato dall'antenna. Se aumenta il livello del segnale ricevuto questo circuito diminuisce il guadagno degli amplificatori, mentre se il livello captato è basso il guadagno viene elevato. Controllo automatico di frequenza (AFC) E’ un circuito che interviene per correggere eventuali variazioni di frequenza della portante, ovvero dell’oscillatore locale. Deenfasi per FM Il circuito di enfasi è utilizzato per migliorare la qualità del segnale fornito in uscita. Può essere distinto tra preenfasi (lato trasmissione) e deenfasi (lato ricezione). In trasmissione viene aumentata l’ampiezza delle componenti di frequenza maggiore di 2,1 kHz, perché l’ampiezza del segnale è ridotta alle alte frequenze del campo audio. In questo modo si rendono queste componenti meno sensibili al rumore migliorando la qualità del segnale fornito in uscita. La deenfasi ripristina lo spettro originale attenuando le ampiezze delle componenti di frequenza più elevata che erano state amplificate in trasmissione. 5 Ricevitore FM con integrato TDA 7000 Per effettuare la fase di ricezione e demodulazione del segnale dall’antenna, si è scelto l’integrato TDA 7000. Schema interno TDA7000 Il TDA 7000 è un integrato progettato dalla casa costruttrice Philips appositamente per i ricevitori FM. A differenza di molti integrati usati per la ricezione di segnali radio FM, che operano a una frequenza intermedia di 10,7MHz, questo lavora ad una frequenza intermedia minore, per la precisione di 70kHz, per poter sfruttare al suo interno dei semplici amplificatori operazionali, la cui banda è circa 1MHz. Al suo interno, questo integrato svolge varie funzioni : amplifica il segnale ricevuto ad alta frequenza, genera la frequenza locale, converte la frequenza, amplifica il segnale in media frequenza, demodula il segnale ricevuto e preamplifica il segnale in bassa frequenza in uscita. Il TDA 7000 contiene anche un controllo automatico di frequenza (AFC). I parametri tipici di questo integrato sono i seguenti : •Tensione di alimentazione •Corrente assorbita •Sensibilità •Segnale di uscita BF •Banda di lavoro 5V 8 mA 1,5 μV 75 mV da 1,5 a 110 MHz 6 Lo schema del ricevitore è il seguente. Il circuito di sintonia d'ingresso a larga banda è formato da due condensatori (C15, C11) e una bobina (L1). Il segnale arriva dall'antenna nel punto di giunzione dei due condensatori. Per traslare il segnale ad alta frequenza in un segnale a frequenza intermedia si usufruisce di un oscillatore locale interno all'integrato che genera una frequenza inferiore a quella dell'antenna di soli 70 kHz. Si utilizza una bobina i cui parametri variano a seconda della gamma di frequenze che si vuole ricevere, in questo caso 88-108MHz. (L2) Per poter scegliere la frequenza corrispondente alla stazione radio che si vuole ascoltare si usa il condensatore variabile (C16). Calcoli effettuati Dopo aver effettuato vari calcoli e prove si è arrivati alla conclusione che le bobine L1 ed L2 andavano costruite utilizzando un filo smaltato di diametro 0,7mm, facendo 3 avvolgimenti di diametro di 6mm e ottenendo una bobina di lunghezza di 0,96 cm. Per calcolare la lunghezza dell'antenna stilo da utilizzare, considerando che la lunghezza dell'antenna è uguale a λ/4 e utilizzando una frequenza di 100 Mhz, si sono effettuati i seguenti calcoli : l = (c / f) / 4 = (3*108 / 100*106) / 4 = 3 / 4 = 0,75m dove 'l' è la lunghezza dell'antenna, 'c' è la velocità della luce e 'f' la frequenza. 7 AMPLIFICATORE DI POTENZA Amplificatore di potenza con integrato TDA2003 Per amplificare il segnale che esce dal ricevitore FM e renderlo udibile con una qualità accettabile si è realizzato un amplificatore di potenza. Per realizzarlo è stato usato un integrato con comportamento simile a quello di un amplificatore operazionale, cioè il TDA2003. All'interno di questo integrato c'è un amplificatore operazionale in grado di amplificare la corrente di segnale in modo adeguato per fornire all'altoparlante la potenza richiesta. I principali parametri tipici del TDA2003 sono : •Tensione di alimentazione •Corrente assorbita •Potenza in uscita con RL= 4Ω •Sensibilità in ingresso •Banda di lavoro 12V 44mA 6W 55 mV da 40 a 15000 Hz Il circuito esterno all'integrato per realizzare l'amplificatore di potenza è il seguente : 8 In questo amplificatore di potenza il segnale in ingresso è fornito dal ricevitore FM e in uscita si ha una potenza effettiva di circa 3W (effettivi) su un altoparlante da 4Ω con una tensione di alimentazione di 12V. Il segnale arriva ad un potenziometro (R1), posto in serie ad un condensatore elettrolitico (C2), che serve per la regolazione del volume. Un altro condensatore elettrolitico collega il potenziometro al piedino 1 dell'integrato eliminando i disturbi causati dalla tensione di polarizzazione (C4). Due condensatori posti tra la tensione dell'integrato e massa (C1-C3) stabilizzano l'alimentazione dell'amplificatore rispetto ai disturbi sia alle alte che alle basse frequenze. Il guadagno di tensione è determinato dalle resistenze della rete di retroazione (R4-R5). Il circuito costituito dalla resistenza R3 e dal condensatore C6 limita il guadagno dell'amplificatore alle frequenze che superarano la banda audio. Il condensatore C5 è inserito per consentire all'amplificatore di lavorare con alimentazione singola. R2 e C7 garantiscono che l'altoparlante rappresenti sempre un carico resistivo per l'amplificatore per evitare danni ai transistor interni all'integrato TDA2003. Calcoli effettuati La potenza dissipata sul carico di 4 Ω, considerando una tensione amplificata con picco di circa 5V è la seguente : P = V2 / 2R = 52 / (2*4) = 3,125W La frequenza di taglio del filtro passa basso formato dal condensatore C6 e la resistenza R3 è la seguente : ft = 1 / (2π * R3 * C6) = 1 / (2π *39 * 47*10-9) = 86 kHz Teoricamente dovrebbe risultare una frequenza di taglio di 15 kHz, ma per sicurezza è stata spostata circa mezza decade sopra. 9 ALIMENTATORE Il circuito dell'alimentatore è il seguente. L'alimentazione di tutto il circuito viene ricavata dalla rete e tramite un trasformatore viene ridotta a 12Vcon una corrente massima di 125mA. E' necessario inserire due diodi per raddrizzare la tensione alternata in uscita dal trasformatore ed eliminare le semionde negative. Per evitare disturbi sono stati inseriti due condensatori C1 e C6 in parallelo ai due diodi. La carica del condensatore C5 permette alla tensione raddrizzata di mantenersi al valore di picco. I 12V uscenti dal trasformatore sono efficaci, equivalenti a circa 17V di picco, per cui è necessario inserire due regolatori: il primo di 5V per l'alimentazione dell'integrato ricevitore (TDA7000), il secondo per ottenere i 12V necessari ad alimentare l'integrato che svolge l'amplificazione di potenza (TDA2003). Sono stati inseriti quattro condensatori (C2,C3 e C4,C7), due per ciascun regolatore, per eliminare eventuale rumore provocato da questi. Si è inserito anche un piccolo circuito dotato di diodo led per l'indicazione luminosa dello stato di accensione del circuito. 10 Calcoli effettuati Calcoli dissipatore La tensione efficace uscente dal trasformatore è di 12V, quindi : Vmax = Veff * √2 = 12 * √2 = 16,97 V La formula per trovare la potenza dissipata dai regolatori è : PD = (Vi – Vo)*Iomax La corrente di uscita massima (Iomax) del 7805 è di 50mA, quella del 7812 è di 125mA quindi : PD[7805] = (16,97 – 5) * 0,05 = 0,6 W La resistenza termica giunzione – ambiente del 7805 vale : Rth-j-a = 50 °C/W La temperatura di giunzione massima invece vale : Tjmax = 125 °C Rth-j-amax = (Tjmax -Ta) / PD = (125 – 50) / 0,6 = 125°C/W Siccome dai calcoli è risultato che la resistenza termica giunzione – ambiente massima (Rth-j-amax) è risultata maggiore della resistenza giunzione – ambiente del 7805 (Rth-j-a), si deduce che non è necessario inserire un dissipatore. PD[7812] = (16,97 – 12) * 0,125 = 0,6 W La resistenza termica giunzione – ambiente del 7812 vale : Rth-j-a = 50 °C/W La temperatura di giunzione massima invece vale : Tjmax = 125°C Rth-j-amax = (Tjmax -Ta) / PD = (125 – 50) / 0,6 = 125°C/W Siccome dai calcoli è risultato che la resistenza termica giunzione – ambiente massima (Rth-j-amax) è risultata maggiore della resistenza giunzione – ambiente del 7812 (Rth-j-a), si deduce che non è necessario inserire un dissipatore. 11 COSTRUZIONE E MONTAGGIO Per prima cosa si sono realizzati i circuiti su orcad. Per il circuiti di alimentazione e ricezione si sono realizzati gli sbrogliati su layout. Dopo aver stampato i circuiti sono stati dati al laboratorio il quale, mediante un procedimento fotografico, ha stampato il circuito su basetta. Una volta ricevuta la basetta, sono stati stampati il DRD e l' AST per vedere i fori di fissaggio e la disposizione componenti. Si è incominciato a forare la basetta, eseguendo tutti i fori con la stessa sezione (0,7mm). Poi si è passati ad ampliare i fori da (1mm) e poi grazie ad un trapano sono stati realizzati i fori di fissaggio (3mm). Una volta forato tutto, si è passati al montaggio, quindi alla saldatura dei componenti. Inserito il componente sulla basetta, veniva posto al di sotto un rialzo per garantire la giusta altezza rispetto alla superficie della basetta. Successivamente il componente veniva saldato sul lato saldature della basetta, facendo molta attenzione all'esecuzione della saldatura. Per il circuito di amplificazione, invece, prima di questo procedimento si è provato il funzionamento su una bredboard. Ricevitore Per la realizzazione della basetta con il circuito di ricezione si è fatta particolare attenzione alla disposizione dei componenti. Nello specifico si sono realizzate piste più corte e sufficientemente spesse per evitare possibili disturbi ed interferenze considerato l'alta frequenza del segnale ricevuto. I condensatori utilizzati per gestire il segnale in alta frequenza sono tutti ceramici perché per caratteristica sono più adatti a lavorare in alta frequenza rispetto a quelli in poliestere. Per la regolazione della sintonia si è scelto un condensatore variabile utilizzato in molte radio di uso comune (25pF). Le bobine di ricezione e di sintonia sono state realizzate utilizzando del filo rigido di spessore 0.7mm con diametro e numero di avvolgimenti opportuni ottenuti ricavati partendo dalle opportune formule progettuali e successivamente modificati in via di sviluppo. L'antenna è stata scelta dopo aver effettuato dei calcoli per determinarne la lunghezza adeguata. 12 Amplificatore di potenza Dopo aver effettuato vari calcoli per la potenza dissipata dal circuito di amplificazione e notando il calore prodotto dall'integrato TDA2003 si è deciso di utilizzare un dissipatore per evitare danni al circuito. Per la regolazione del volume si è usato un potenziometro lineare da 10kΩ. Al momento della saldatura si è fatta particolare attenzione alle polarità dei condensatori elettrolitici presenti, inoltre i componenti sono stati saldati tutti bassi per evitare eventuali disturbi. Alimentatore Come per il circuito di amplificazione si sono effettuati dei calcoli per verificare se fosse necessario inserire un dissipatore, ma così non è stato. E' stato necessario creare una piedinatura apposita al trasformatore con il programma layout. Anche in questo caso si è fatto attenzione alla polarità dei condensatori elettrolitici, dei diodi e diodo led. La cosa più importante è stata isolare le parti del circuito collegate alla tensioni di rete. Per collegare il circuito alla tensione di rete si è utilizzato un connettore a cui è possibile collegare un apposito cavo. 13 TABELLA DI COLLAUDO Fase 1 2 3 Descrizione Controllo visivo Risultato Val.nominale Val.teorico > Controllo Componenti > Controllo visivo della continuità delle piste > Controllo della continuità delle piste con tester 8 Collaudo alimentatore > Collegare alimentatore alla presa di rete tramite apposito cavo > Premere l'interruttore di alimentazione > Verificare che il diodo led rosso si accenda > Collegare l'oscilloscopio ai capi del secondario del trasformatore tra pin 7 e pin 8 e misurare la tensione > Misurare la tensioni sull'uscita dei regolatori pin 3 9 10 > Premere l'interruttore di alimentazione > Staccare l'alimentazione 4 5 6 7 11 12 13 14 15 Collaudo ricevitore > Tarare l'alimentatore 5V e 50mA > Collegare alimentatore > Verificare variando il condensatore variabile C16 varia la frequenza di sintonia > Misurare la banda del ricevitore variando il condensatore C16 > Staccare l'alimentazione Collaudo amplificatore > Tarare l'alimentatore 12V e 125mA > Collegare alimentatore > Tramite un generatore di funzioni immettere un segnale di pochi mV > Agendo sul potenziometro R1 misurare l'amplificazione in uscita dell'integrato TDA2003 pin 4 grazie ad un oscilloscopio >Con un amperometro verificare la corrente massima che assorbe il circuito > Fare una misura di potenza considerando il carico della cassa 4Ω > Staccare l'alimentazione > > > > > > Collaudo totale Collegare insieme i vari circuiti seguendo gli schemi Collegare alimentatore alla presa di rete tramite apposito cavo Premere l'interruttore di alimentazione Verificare variando volume e sintonia il funzionamento della radio Premere l'interruttore di alimentazione Staccare l'alimentazione 14 Vsec Acceso 12V 7805 7812 5V 12V - 125mA 1W Fatto DATA SHEET TDA7000 15 TDA2003 16 LM7805 LM7812 17 Trasformatore 18 RDS Trasmissione segnali stereo A differenza del segnale mono, il segnale stereo si trasmette su due canali : destro (D) e sinistro (S). La trasmissione avviene in questo modo : • Tramite mixer si esegue la somma e la differenza tra il canale destro e il sinistro. Il segnale somma costituisce il segnale mono e occupa i primi 15 kHz dello spettro complessivo; il segnale differenza (stereo) viene modulato in ampiezza con sottoportante a 38 kHz, con modulazione DSB-SC (portante soppressa), generando due bande laterali, una che va da 23 kHz a 38 kHz e un' altra da 38 kHz a 53 kHz. • Il segnale RDS viene modulato anch'esso in ampiezza con modulazione DSB-SC con sottoportante a 57 kHz, generando due bande laterali, una che va da 55 kHz a 57 kHz e un'altra da 57 kHz a 59 kHz. • Viene inserita una portante chiamata frequenza pilota a 19 kHz dalla quale, sia in trasmissione che in ricezione, vengono ricavate le portanti a 38 e 57 kHz utili per modulare e demodulare i segnali stereo ed RDS. • Il segnale totale, chiamato segnale multiplex, viene modulato in frequenza. La banda di frequenza occupata da un canale nelle trasmissioni radio FM è 180 kHz (200 kHz lordi) ed è ricavata mediante la formula di Carson : B = 2 * (Δf + fmmax) . Per una trasmissione mono è ottenuta considerando una fmmax di 15 kHz ed una deviazione di frequenza di 75 kHz . Con la tecnica di trasmissione stereo invece si ha che la frequenza del segnale in banda base si estende fino a 53 kHz (59 kHz considerando anche la RDS). Si deve pertanto contenere la deviazione di frequenza totale. E' necessario quindi realizzare il segnale multiplex con indici di modulazione relativi diversificati e quindi ridotti per il segnale stereo e RDS, come mostrato nello spettro sotto riportato. Spettro segnale multiplex 19 Schema a blocchi trasmettitore stereo 20 Ricezione segnali stereo Il ricevitore ha il compito di effettuare le operazioni inverse rispetto al trasmettitore, quindi : • Demodula il segnale FM, tramite un PLL. • Mediante i filtri mostrati nello schema a blocchi preleva i segnali somma, differenza, RDS e frequenza pilota. • Sommando il segnale somma e il segnale differenza si ottiene il canale destro, eseguendo la differenza di questi segnali invece si ottiene il canale sinistro. ➢ (D+S) + (D-S) = D + S + D – S = 2D ➢ (D+S) - (D-S) = D + S - D + S = 2S Schema a blocchi ricevitore stereo 21 Trasmettitore RDS Schema a blocchi trasmettitore RDS Il segnale RDS viene trasmesso con una codifica bifase differenziale, effettuata tramite una porta EXOR e un flip flop D, più un codificatore NRZ bipolare che elimina la componente continua. Il flip flop è sncronizzato tramite un clock di 1187 Hz, ottenuto dalla divisione per 48 della frequenza portante di 57kHz, ricavata dalla frequenza pilota. 22 Ricevitore RDS Schema a blocchi ricevitore RDS In ricezione vengono effettuate le operazioni inverse rispetto alla trasmissione; in più, tramite un filtro passa basso, con frequenza di taglio di 2,4kHz, viene selezionata la banda corrispondente al segnale RDS. 23
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