Úvod
Když si vzpomenu na svá první vysokofrekvenční zapojení, určitě je mezi nimi i
„VKV štěnice“. Tvořil ji jednoduchý oscilátor v pásmu VKV modulovaný
signálem z elektretového mikrofonu. Napájen byl z 9V destičkové baterie a jeho dosah byl
několik desítek metrů. Signál se dal přijímat na bežném VKV přijímači a dalo se s
ním užít mnoho legrace. Je ovšem nutné zdůraznit, že používání
takového zařízení není u nás naštěstí povoleno. Říkám
naštěstí, protože je nutné kmitočtové spektrum chránit. Kdyby si každý
mohl vysílat kde se mu zlíbí, mohlo by dojít i k ohrožení lidských životů.
Stačí si uvědomit, že kousek od VKV rozhlasu jsou kmitočty používané v letectví pro
blízkou navigaci. Pásmo velmi krátkých vln je také používáno pro
spojení lékařské záchranné služby, hasičů, policie, horské služby. Jak by
to asi vypadalo, kdyby na takovém kmitočtu provozoval pirát svůj vysílač, si každý snad
dovede představit.
Není možné provozovat takové zařízení ani na kmitočtech uvedených v
generálním povolení Českého telekomunikačního úřadu (ČTÚ). Tam se
navíc praví, že zařízení musí splňovat základní technické
parametry a musí být homologováno.
Popsané zapojení vzniklo modifikací malého vysílače pro
radioamatérské pásmo 145MHz. Původně používalo úzkopásmovou modulaci.
Změnou programu v mikroprocesoru a obvodu oscilátoru se dá snadno modifikovat pro jiný
kmitočet. Použitý syntezátor pracuje v rozsahu 50 až 1100 MHz. Zapojení je tedy
použitelné jako základní či směšovací oscilátor transceiveru.
Celé zařízení je složitější než původní „štěnice“, ale
má základní výhodu – stabilitu. Každý kdo si původní
„štěnici“ postavil si asi pamatuje na problém s rozlaďováním. Stačilo
přiblížit ruku k cívce a oscilátor změnil kmitočet. Starší přijímače s AFC
(automatické dolaďovaní kmitočtu) tuto nevýhodu částečně eliminovaly. Dnes v době
digitálně laděných tunerů nezbývá než „přecvakat“ na správný
kmitočet.
Vysílač
Původně jsem se snažil zapojení navrhnout s jednočipovým vysílačem MC13176, ale nebyl jsem
úspěšný. Obvod je určen pro aplikace od 220MHz, na 100MHz přestával oscilátor
kmitat a rozladění bylo malé. Pro změnu kmitočtu bylo potřeba vyměnit referenční krystal.
Nové zapojení je univerzální a i přes větší složitost poskytuje
větší univerzálnost.
Vysílač se skládá z několika funkčních bloků, viz. obrázek níže.
Popis zapojení
Základem je napětím řízený oscilátor (VCO) s T1 (BF199). Oscilační
kmitočet je dán L1 a kombinací kapacit kondenzátorů C9-C12 a kapacity varikapu D2.
Signál je veden přes oddělovací kondenzátor C14 do zesilovače s T2 (PA). Z něj je potom
signál odebírán k dalšímu zpracování. Část signálu je
vedena přes C15 do syntezátoru IC1 (PLL, UMA1014).
Cívku L1 tvoří asi 6 závitů na kostřičce o průměru 5mm, která je stíněna. To je
sice více náročné při výrobě, nicméně to zvyšuje odolnost
zařízení proti rušení či proti případnému rozladění.
Syntezátor je tvořen obvodem Philips UMA1014, který pracuje v rozsahu 50-1100MHz s krokem až 5kHz.
Volil jsem jej pro jeho dostupnost a nízkou cenu. Existuje mnoho podobných syntezátorů
například od firmy Motorola, ale často jsou u nás nedostupné. Jeho cena se pohybuje něco přes
100Kč, což je velmi solidní. Syntezátor je zapojen dle doporučení výrobce.
Napájecí napětí je odděleno přes R8, R14 a blokováno C19, C20. Referenční krystal
má hodnotu 6MHz a z něj se odvozuje krok syntezátoru. Ten je sice 25kHz, ale pro pásmo VKV se
využívá 100kHz. Výstup z fázového detektoru je filtrován ve filtru smyčky
(LP) tvořeném C1, C2, R4, R5. Přes R11 a D2 ladí napětím řízený oscilátor.
Kmitočet může být jemně měněn ladicím kondenzátorem paralelně připojeným k X1. Na
výstupu FX8 obvodu UMA1014 je kmitočet referenčního oscilátoru podělený 8mi. Pro
náš případ je to 750kHz a používá se pro taktování mikroprocesoru.
Velkou pomocí při nastavování je LED dioda D1. Ta zhasne pokud se fázový
závěs zavěsí na správném kmitočtu. Je-li mimo rozsah zachycení, dioda
svítí.
Nevýhodou syntezátoru je (někdy) nutnost nahrání dat po sériové lince z
mikroprocesoru. Na místě syntezátoru by se dal použít i typ s paralelním
nastavením kmitočtu, ale paradoxně je dražší (vyrábí se jich méně).
Řešení mikroprocesor + sériový PLL vyjde cenově levněji. Použitý mikroprocesor
(uP) je typu AT89C2051. Jeho jedinou funkcí je po zapnutí nahrát data do syntezátoru a
přepnout se do režimu se sníženou spotřebou (program pro mikroprocesor : IntelHEX, ASM).
Celé zapojení se dá přelaďovat v 205ti krocích od 87.5MHz do 108 MHz po 100kHz
zkratováním pinů P1.0 až P1.7 mikroprocesoru. Procesor po zapnutí zařízení přečte
stav portu P1, vypočítá data pro syntezátor a pošle je po sběrnici IIC. 6 pinů
brány P1 je připojeno na 5V interně v mikroprocesoru, piny P1.0 a P1.1 jsou připojeny na 5V vodičem na
plošném spoji. Pokud není žádný pin připojen na 0V, procesor načte hodnotu,
kterou program invertuje a výsledkem je 00. Tomuto „nultému kanálu“
odpovídá kmitočet 87.5MHz. 8 bitů mikroprocesoru umožňuje nastavit 255 různých kmitočtů s
krokem 100kHz. Pokud například zkratujeme piny P1.0 a P1.1 na 0V (nezapomeneme přeškrábnout
spojku na 5V), procesor si to vyhodnotí jako kanál číslo 3 a nastaví syntezátor
na 87.5+3*0.1=87.8MHz. Pro obrácený postup, kdy známe kmitočet a chceme zjistit číslo
kanálu platí:
To vyjde dekadicky a po převedení do binárního tvaru (umí kalkulačka např. ve Windows) dostaneme přímo polohu zkratovacích spojek. Číslici 1 odpovídá spojka na 0V, číslici 0 potom nezapojený pin (pro P1.0 a P1.1 spojka na 5V).
R1 a C8 zajišťují pomalejší reset mikroprocesoru, aby byla zaručena spolehlivá funkce a náběh taktovacího signálu ze syntezátoru.
Posledním funkčním blokem je mikrofonní zesilovač (AMP) s IC3 (TL072) od firmy ON Semiconductor. Obvod je zapojen jako klasický invertující zesilovač, jehož zesílení je dáno poměrem R15/R16. R17 a R18 vytváří umělou zem (polovina napájecího napětí). C21 a C3 oddělují stejnosměrnou složku a R19 napájí použitý elektretový mikrofon. Výsledné modulační napětí je zavedeno přes R20 do smyčky PLL. Druhý operační zesilovač v pouzdře může sloužit jako kompresor dynamiky apod.
Binární vyjádření jednotlivých
kanálů
V tabulce níže je hodnota bitů pro některé kmitočty.
Binární vyjádření pro jednotlivé kanály:
Kmitočet [MHz] | Číslo kanálu | Binární vyjádření |
87.5 | 0 | 00000000 |
87.7 | 2 | 00000010 |
90.0 | 25 | 00011001 |
100.0 | 125 | 01111101 |
105.0 | 175 | 10101111 |
107.9 | 204 | 11001100 |
Napájení FM vysílače
Celé zařízení je určeno k napájení z baterií či akumulátorů.
Jediným omezením je IC1, který pracuje od 4.5 do 5.5V. Tlumivka TL1 odděluje
napájení oscilátoru a fázového závěsu. V úvahu
napájení připadají i 3 alkalické články (4.5V), čtyři články NiCd či NiMH
(4.8V), případně měnič napětí z 2.4V na 5V (viz. dále). Záleží na možnostech
každého. Odběr proudu je kolem 20mA.
Stavba a oživení
Výkresy plošného spoje a osazovací výkres :
Při použití kvalitních předepsaných součástek neskrývá stavba žádné záludnosti i když se zdá složitá.
Nejprve si připravíme cívku L1, na ladění se hodí jádra feritové N01 či mosazné. Mosazné snižuje indukčnost cívky a tím zvyšuje kmitočet, feritové naopak. Cívka se dá také ladit roztahováním či stlačováním závitů. Pokud někdo nemá k dispozici ladicí jádra, kmitočet se dá měnit také přidáním kapacity (trimru) k C12 či D2.
Cívka se dá provozovat i bez krytu, jako samonosná, ale je potřeba vyzkoušet, zda nebudou ve výsledném signálu žádné brumy apod. Ladění je pak velmi jednoduché již zmíněným roztahováním závitů.
Do plošného spoje můžeme zapájet všechny součástky. IC1 je umístěn ze strany spojů. Pokud si nejsme jisti s hodnotou cívky L1, připájíme kryt pouze lehce ve dvou bodech. Pro mikroprocesor použijeme objímku a zatím jej do ní nezapojíme. Připojíme napájecí napětí, zkontrolujeme +5V a odběr zařízení. Poté vložíme mikroprocesor.
Dioda D1 signalizuje zavěšení smyčky PLL. Pokud svítí, kmitočet oscilátoru je mimo rozsah zachycení. Pokud jsme měli trochu štěstí, smyčka se zavěsí na první pokus. Není-li tomu tak, změříme napětí na R11. Pokud je napětí na horním konci rozsahu (kolem 5V) znamená to, že kmitočet oscilátoru je příliš nízký a fázový závěs se jej snaží zvýšit (vyšší ladicí napětí). Můžeme jej zvýšit použitím mosazného jádra pro L1 nebo roztažením závitů.
Pokud je ladicí napětí blízké nule, je nutné snížit kmitočet oscilátoru použitím feritového jádra či stlačením závitů.
Při dosažení správného kmitočtu se smyčka zavěsí na správný kmitočet a D1 zhasne. Pak nastavíme ladicí napětí na polovinu, tedy na 2.5V. Nyní můžeme připojit kus drátu jako anténu a naladit VKV přijímač na správný kmitočet. Zachycený signál by měl být čistý, bez brumů či šumu.
Úroveň modulace je nutné nastavit experimentálně dle použitého mikrofonu. Zesílení měníme hodnotou R15 tak aby byla hlasitost demodulovaného signálu v přijímači srovnatelná s hlasitostí ostatních rozhlasových stanic. Ideální je tuto činnost provádět se zkušebním nízkofrekvenčním generátorem. Pokud je nastaven velký zdvih, smyčka se rozpadá a LED začíná blikat.
Tím je nastavení ukončeno. Pokud se objeví problémy, je nutné nejprve zkontrolovat funkci oscilátoru pomocí vf milivoltmetru, čítače či analyzátoru.
Měnič napětí
Efektním řešením je využití tzv. DC-DC měničů, které se velmi
rozšířily s rozvojem přenosných aplikací jako jsou mobilní telefony, pagery apod.
Jejich hlavním úkolem je převádět nízké napětí akumulátoru
(například 1.2V) na napětí provozní. To bude v našem případě 5V.
Efektním řešením je využití tzv. DC-DC měničů, které se velmi
rozšířily s rozvojem přenosných aplikací jako jsou mobilní telefony, pagery apod.
Jejich hlavním úkolem je převádět nízké napětí akumulátoru
(například 1.2V) na napětí provozní. To bude v našem případě 5V.
Vnitřní blokové schéma je nakresleno ZDE. Základem je oscilátor 100kHz, napěťová reference, komparátor, napěťový dělič, budič a řidicí obvod (VFM). Obvod MC33463 existuje ve dvou dalších provedeních, pro použití s externím spínačem indukčnosti (suffix LT1) a se spínačem integrovaným uvnitř (suffix KT1). Ten samozřejmě dodá menší proud (až 80mA v závislosti na vstupním napětí), ale celý DC DC měnič pak tvoří pouze 4 součástky.
Obvod pracuje v režimu, kdy je doba sepnutí pevně daná oscilátorem (fixed on-time) a doba
rozepnutí (variable off-time) závisí na napětí na zátěži. To se
snímá pinem OUTPUT, který zároveň slouží jako napájecí.
Mezi základní přednosti tohoto obvodu patří:
- nízký klidový proud 4uA
- přesnost výstupního napětí +-2.5%
- minimální startovací napětí 0.9V
- vysoká účinnost, typicky 80%
Obvod je dodáván v miniaturním pouzdře SOT 89 s rozměry 4.5x4.25 mm.
V katalogových listech si můžete přečíst řadu dalších zajímavých
podrobností včetně několika grafů. Na obrázcích níže jsou zobrazeny dva, které
Vám napomohou při plánování napájení Vašeho zařízení.
Je na nich zobrazen průběh výstupního napětí v závislosti na záteži a
vstupním napětí. Lze si z nich utvořit představu, kdy použít k napájení jeden
(1.2V), kdy dva články (2.4V) a kdy použít verzi s interním budičem. Pro náš
případ, kdy je odběr proudu cca 20mA a používáme interní budič měniče, je vhodné
použít k napájení 2 tužkové akumulátory (2.4V).
Příkon FM vysílače je P=5x0.02=0.1W, účinnost měniče je 80%, takže celkový odběr ze dvou
NiCd akumulátorů bude I=0.12/2.4=0.05A. Z běžného akumulátoru o kapacitě 1.2Ah je tedy
možné provozovat vysílač 24 hodin.
Pokud se někdo rozhodne použít zapojení měniče s externím budičem, obrázek níže,
mohl by k napájení použít pouze 1 NiCd článek. Měnič je potřeba ale předem
odzkoušet a také je potřeba počítat s menší účinností.
závislost výstupního napětí na odběru proudu a vstupním napětí.
zapojení měniče s externím budičem.
Vlastní oživení neskrývá žádné záludnosti. Stačí
zapájet všechny součástky, připojit napájení a voltmetrem zkontrolovat
výstupní napětí. Pokud měnič nepracuje, zřejmě je někde fatální chyba –
vadná součástka, chybějící kontakt, ....
příklad plošného spoje měniče.
Závěr
Použití tohoto malého vysílače je různorodé. Jeho primární určení
je jako základní oscilátor pro FM radiostanice či vysílače. Tam kde je dovoleno
používat jej v pásmu VKV, může sloužit jako bezšňůrový mikrofon, monitor dětského
pokoje, hračka či přípravek na seznámení se s vlastnostmi smyčky PLL. U nás není
použití vysílače v pásmu VKV dovoleno.
Zapojení se dá snadno modifikovat i na vyšší kmitočty. Stačí změnit
parametry oscilátoru a případně také použité tranzistory. Místo zesilovače s T2
lze využít monolitických zesilovačů MAR či INA apod.
Samostatnou kapitolu tvoří měnič napětí z 2V na 5V. Díky minimálnímu počtu
externích součástek a nulovému nastavování může sloužit v různých
přístrojích napájených z akumulátorů. Autor nedodává
součástky, plošné spoje či naprogramovaný mikroprocesor. Ty si můžete objednat
například u firmy EMGO.
Literatura
[1] Internetová stránka firmy ON Semicondructor http://www.onsemi.com
[2] Katalogové listy obvodu UMA1014
[3] Aplikační zpráva pro obvod UMA1014
Obsah:
- Úvod
- Vysílač
- Popis zapojení
- Binární vyjádření jednotlivých kanálů
- Napájení FM vysílače
- Stavba a oživení
- Měnič napětí
- Závěr
- Seznam součástek
- Literatura