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.

detailní schéma vysílače

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:
 

Poznámka: U binárního vyjádření je LSB (nejméně významný bit) vpravo a odpovídá pinu P1.0 mikroprocesoru.

 

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.

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, ....

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.

Seznam součástek

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