Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Nadajnik AM zbudowany wyłącznie na układach 74xx

Kubald 24 Maj 2013 18:52 18516 1
  • Nadajnik AM zbudowany wyłącznie na układach 74xx

    W niniejszym opisie przedstawiono projekt nadajnika AM opartego na układach z serii 74xx. Autor już na wstępie przestrzega, że przedstawione rozwiązanie nie jest ani najprostszym, ani najtańszym ani najbardziej efektywnym sposobem realizacji takiego urządzenia, ale celem autora było pokazanie, że da się to zrobić z wykorzystaniem szeroko dostępnych i popularnych układów logicznych.

    Celem projektu było więc stworzenie relatywnie prostego do zbudowania modulatora AM, który wykorzystywałby tak wiele układów z serii 74xx, jak to tylko możliwe. Poza układami logicznymi i elementami biernymi, niezbędny jest jedynie dodatkowy tranzystor (pracujący jako wzmacniacz na wyjściu RF) i wzmacniacz operacyjny buforujący sygnał audio podawany z zewnętrznego źródła.

    Poniżej można zobaczyć film prezentujący działanie urządzenia. Należy zwrócić uwagę, że w modelu dołączone są diody LED pokazujące stan wyjściowy liczników. Nie zostały one jednak ujęte na schematach, ale sposób ich przyłączenia jest prosty: wyjścia liczników są buforowane, a wyjścia buforów przyłączone do diod LED poprzez rezystory ograniczające prąd.


    Link


    UWAGA: Niniejszy układ powstał jedynie w celach edukacyjnych i nie jest zgodny z przepisami prawa obowiązującego w większości państw. Powinien być budowany i obsługiwany jedynie przez osoby posiadające odpowiednie doświadczenie i licencję, po uprzednim upewnieniu się, że dokonano zmian niezbędnych, aby pozostawać w zgodzie z przepisami prawa. Odpowiedzialność za budowę tego lub jakiegokolwiek bazującego na takim rozwiązaniu układu ponosi konstruktor.

    Teoria działania
    Autor po pierwszym zapoznaniu się z takim rozwiązaniem był nieco zdezorientowany. Jest to jednak dość popularna technika (o której więcej można przeczytać tutaj). Ideą działania jest kluczowanie szerokopasmowego (lub o ograniczonym pasmie) sygnału z częstotliwością równą pożądanej częstotliwości nośnej. Przy dobraniu odpowiedniego offsetu DC i po odpowiednim filtrowaniu, na wyjściu uzyskuje się sygnał z modulacją amplitudy (bez dobrania offsetu uzyskuje się modulację dwuwstęgową z wytłumioną nośną – DSB-SC). Aby zrozumieć zasadę działania takiej techniki, rozważmy sygnał prostokątny o wypełnieniu 50%. Podstawą takiego sygnału są impulsy prostokątne o czasie trwania T/2, gdzie T jest okresem fali prostokątnej. Transformata Fouriera takiej funkcji jest następująca:

    $$\mathfrak{F}\{rect(\frac{2t}{T})\} = \frac{T}{2} sinc \left( \frac{Tf}{2} \right)$$,

    gdzie: $$sinc (x) = \frac{\sin(\pi x)}{\pi x}$$

    Oczywiście sygnał nie jest jedynie pojedynczym impulsem, ale zbiorem takowych. Ponieważ takie przebiegi kwantowane (w domenie czasu) są okresowe w domenie częstotliwości, przez podobieństwo, sygnały okresowe (w domenie czasu) będą skwantowane w domenie częstotliwości. Reprezentacja w domenie częstotliwości przebiegu prostokątnego o wypełnieniu 50% jest dyskretną wersją poniższego równania:

    $$\mathfrak{F} \{ \sum_{i=-\infty}^{\infty} rect \left( \frac{2(t - iT)}{T} \right) \} = \sum_{i=-\infty}^{\infty} \frac{T}{2} sinc \left( \frac{Tf}{2} \right) \rfloor_{f=i/T}$$

    Ponieważ sinc(0) = 1, sinc(1/2) = 2/π i sinc(1) = 0 itd. pojawia się niepomijalna składowa częstotliwości dla f = 0, 1/T, 3/T, 5/T itd. Jeśli zostanie użyty filtr pasmowoprzepustowy, który będzie przepuszczał sygnały jedynie o częstotliwości f = 1/T, po takim zabiegu uzyska się przebieg sinusoidalny o częstotliwości 1/T.

    Następnie, mnoży się okresową (w domenie czasu) falę sinusoidalną przez ograniczony pasmowo sygnał audio. Wynikiem, w domenie częstotliwości, jest odpowiedź częstotliwościowa sygnału audio spleciona z odpowiedzią częstotliwościową sygnału prostokątnego. Po filtracji tak modulowany sygnał, wyśrodkowany na częstotliwość f = 1/T, może zostać wyizolowany. Jeśli sygnał audio ma polaryzację stałoprądową, pojawi się niepomijalna składowa f = 1/T, będąca nośną o danej częstotliwości.

    Powyższe operacje zostały zilustrowane poniższymi oscylogramami.

    Sygnał dyskretny przed filtrowaniem (fala prostokątna o częstotliwości 930 kHz przemnożona przez sygnał audio o częstotliwości 1 kHz):
    Nadajnik AM zbudowany wyłącznie na układach 74xx

    Dyskretny sygnał po przejściu przez filtr pasmowoprzepustowy (izolujący składową f = 1/T):
    Nadajnik AM zbudowany wyłącznie na układach 74xx

    Należy pamiętać, że ten typ modulacji nie jest wysoce wydajny, ponieważ duża ilość energii marnowana jest na harmoniczne. Ponieważ autor wykorzystuje także pasywny filtr pasmowoprzepustowy RC, tłumienie wtrącenia jest dość znaczne.

    Układ podstawowy
    W omawianym układzie dodano kilka układów odpowiadających za wybór częstotliwości. Jednakże, serce w tej technice stanowi oscylator, bufor trójstanowy i para rezystorów.

    Jako oscylator pracuje oscylator pierścieniowy zbudowany na inwerterze 74HC04N, który zachowuje się jako oscylator przestrajany napięciem. Generowana fala prostokątna podawana jest na wejście „output enable” buforu trójstanowego 74HC241N. Kiedy na wyjściu oscylatora pojawia się stan niski, wyjście buforu przechodzi w stan nieokreślony, a sygnał analogowy przechodzi przez układ dwóch rezystorów. Kiedy na wyjściu oscylatora pojawia się stan wysoki, wyjście buforu jest zwierane do masy. Skutkuje to próbkowaniem sygnału z częstotliwością odpowiadającą połowie częstotliwości pracy oscylatora VCO. Jak wykazano powyżej, taki sygnał po filtracji stanowi sygnał z modulacją amplitudową. Teraz na wyjściu wystarczy dodać jedynie tranzystor i kilka elementów pasywnych, ale co to za frajda?

    W oscylatorze pracuje kilka osobnych kondensatorów, które zapewniają obniżenie częstotliwości do pożądanego zakresu. Częstotliwość oscylacji jest zależna od wartości napięcia zasilającego inwertery. Nie wszystkie kondensatory mają taką samą wartość i zostały zgrubnie dobrane tak, aby generowana częstotliwość była odpowiednia. W przypadku urządzenia zbudowanego przez autora zasilanie napięciami z zakresu 2,5 – 5,5 V odpowiadało częstotliwościom z zakresu (w przybliżeniu) od 520 kHz do 1,61 MHz. Oscylator jest zasilany z obwodów do wybierania częstotliwości, opisanych poniżej. Pozostałe układy logiczne zasilane są stałym napięciem, wynoszącym 5 V.

    Układ oscylatora przedstawiono na obrazku tytułowym.

    Wybieranie częstotliwości
    Aby umożliwić wybieranie częstotliwości, inwerter zasilany jest napięciami z zakresu 2,5 – 5,5 V. Obwód, który to realizuje, podzielono na dwie sekcje – analogową i cyfrową.

    Sekcja cyfrowa

    Nadajnik AM zbudowany wyłącznie na układach 74xx

    Sekcja cyfrowa składa się z dwóch przycisków, zatrzasku RS (zbudowanego na układzie trójwejściowej bramki NAND 74HC10N), multiwibratora monostabilnego (znów, zbudowanego w oparciu o bramki NAND) i dwóch 4-bitowych liczników (74HC191N). Początkowo autor chciał mieć możliwość wyboru jednego ze 110 różnych, 10-kHz kanałów w pasmie AM. Jednak kilka czynników przyczyniło się do zmiany parametrów tego rozwiązania: nieliniowość, niedokładność wartości elementów biernych, prądy polaryzacyjne itd. Mimo to, obwód sekcji cyfrowej pracuje „z przybliżeniem”, pozwalając stroić na całym pasmie. Jeśli potrzeba dostroić się do konkretnego kanału, przyda się kilka potencjometrów. Zastosowanie pętli synchronizacji fazy zbudowanej na układach logicznych skutkowałoby o wiele większą stabilnością częstotliwości (tak, autor zdaje sobie sprawę, że wśród serii 74xx jest układ PLL, ale jego zdaniem wybór takiego to „oszustwo”).

    Licznik zlicza od 0 do 127, w górę lub w dół, w zależności od przyciśniętego przycisku. Drgania styków są eliminowane za pomocą multiwibratora monostabilnego. Oczywiście w książkach można znaleźć definicję takiego multiwibratora, ale nie będzie tam nic na temat tego, że jeśli budujemy go w oparciu o układy CMOS, powoli rozładowujące się kondensatory będą powodowały oscylacje w pobliżu napięcia progowego. Autor wprowadził więc, za pomocą kondensatorów przepustowych, dodatnie sprzężenie zwrotne. Poza opóźnieniami cyklu zegarowego wynikającymi z zastosowanych inwerterów, nie wprowadzano dodatkowego opóźnienia. Oczywiście w przypadku takiego rozwiązania może dojść do naruszania czasów podtrzymania, kiedy zmienia się kierunek zliczania. Jednakowoż, autor nie zauważył żadnych problemów w czasie użytkowania takiego układu.

    Sekcja analogowa

    Nadajnik AM zbudowany wyłącznie na układach 74xx

    Obwód sekcji analogowej to prosty przetwornik cyfrowo-analogowy - drabinka R-2R, którą połączono z wejściem służącym do regulacji napięcia układu LM317. Dwójkowy sygnał podawany na drabinkę zmienia napięcie na niej generowane.

    Bufor analogowy

    Nadajnik AM zbudowany wyłącznie na układach 74xx

    Jest to prosta aplikacja nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego zasilanego napięciem pojedynczym, która cechuje się niewielkim wzmocnieniem napięciowym sygnału podawanego na wejście modulatora. Ponieważ wyjście wzmacniacza operacyjnego połączone jest bezpośrednio do wejścia modulatora, indeks modulacji jest ograniczony najniższym napięciem, jakie jest w stanie generować wzmacniacz operacyjny. Jako takowy wybrano układ LM741.

    Wyjście RF

    Nadajnik AM zbudowany wyłącznie na układach 74xx

    W tym obwodzie znajduje się dwustopniowy, pasywny filtr pasmowoprzepustowy RC i tranzystor FET wzmacniający sygnał. Wyjście tranzystora połączone jest z wyjątkowo kiepsko dopasowanym obwodem rezonansowym z „małą” (w odniesieniu do długości fali, relatywnie dużą w odniesieniu do reszty układu) anteną zrobioną ze zwoju drutu. Taka antena jest bardzo kierunkowa i wystarcza jedynie do nadawania sygnałów, które mogą być odebrane w obrębie jednego pomieszczenia. Stały kondensator 10 nF jest dostrojony z pojemnością anteny dla całego pasma AM. Autor wybrał kondensator stały, aby ograniczyć do minimum konieczność strojenia urządzenia. Jako wzmacniacz pracuje tranzystor NMOS 2N7000.

    Źródło


    Fajne!
  • #2 29 Maj 2013 23:36
    PPK
    Poziom 26  

    Ciekawe rozwiązanie. Ja swego czasu, używałem inwerterów Schmitta CMOS 106 i kluczy CMOS 66. Niestety, problemy z wypełnieniem - 1/3.