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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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Schema a blocchi trasmettitore stereo
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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
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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.
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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.
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