Проектирование радиотехнического устройства (приемник)

Рис. 6 Принципиальная схема гетеродинного приемника на микросхеме К174ХА2

Принципиальная схема гетеродинного приемника на микросхеме К174ХА2 показана на рис. 6. Сигнал от антенны через катушку связи L1 поступает на входной контур L2C1, настроенный на среднюю частоту 160-метрового диапазона (полоса частот 1830....1930 кГц). Этот контур нужен для ослаблений помех от мощных средневолновых радиовещательных станций, расположенных ниже по частоте. И мощных коротковолновых связных радиостанций, расположенных на более высоких частотах. Выделенный этим контуром сигнал подается через конденсатор связи С2 на вход УРЧ микросхемы. Другой вход УРЧ "заземлен" (т.е. соединен с общим проводом) через конденсатор С3. Через эти конденсаторы протекают только переменные токи радиочастоты, а режим микросхемы по постоянному току не нарушается. Переменным резистором R1 регулируют усиление УРЧ. Когда его движок наводится в левом по схемe положении, усиление максимально. Подбором резистора R2 можно при необходимости изменить пределы регулировки усиления.

      Гетеродин приемника содержит всего лишь несколько навесных элементов. Контур гетеродина образован катушкой L3 и конденсаторами С6, С7 и С8. Большую часть емкости контура обеспечивает конденсатор С6. Для увеличения плавности настройки ("растяжки" любительского диапазона на всю шкалу) максимальная емкость переменного конденсатора С8 должна составлять всего 12...15% обшей емкости контура. Если емкость переменного конденсатора больше приведенной на схеме, то следует соответственно уменьшить ёмкость "растягивающего" конденсатора С7. В данном приемнике вместо рекомендуемой в справочниках для этой микросхемы схемы гетеродина с индуктивной обратной связью использован гетеродин с ёмкостной обратной связью, что позволило значительно упростить навесную часть схемы и облегчить изготовление катушки. Сигнал обратной связи заводится с контура гетеродина через конденсатор небольшой ёмкости С5 на неинвертирующий вход дифференциального усилительного каскада гетеродина микросхемы. Другой, инвертирующий вход этого каскада "заземлен" по высокой частоте через конденсатор С4. Стабильность частоты гетеродина определяется качеством входящие в него деталей, но на относительно низких частотах 160 метрового диапазона проблем со стабильностью обычно не возникает. 
       УРЧ и гетеродин внутри микросхемы соединены со входами кольцевого балансного смесители, выполненного из четырех транзисторах. В коллекторную цепь одной пары транзисторов включен резистор нагрузки R4, на которой и выделяется звуковая частота (биения), равная разности частот сигнала и гетеродина. Резистор нагрузки зашунтирован конденсатором С12, выполняющий роль простейшего фильтра нижних частот и ослабляющим звуковые частоты выше 2,5...3 кГц. Отфильтрованный сигнал звуковой частоты через разделительный конденсатор С13 подается на вход УПЧ микросхемы, используемый в этом приемнике как УЗЧ. Другой вход усилителя соединен с общим проводом (по переменному току) конденсатором С15, а конденсатор С14 устраняет обратную связь по звуковым частотам во внутренней цепочке, стабилизирующей режим усилителя по постоянному току. Ввиду того, что усиливаются относительно низкие частоты, названные конденсаторы должны иметь значительную ёмкость. 
     Выходной каскад усилителя выполнен в микросхеме на р-n-р транзисторе с открытым коллектором (вывод 7). Экспериментально установлено, что если коллектор соединить с общим проводом через резистор сопротивлением около 1,5 кОм, то получается симметричное ограничение больших выходных сигналов начиная с амплитуды примерно 1 В. В данном приемнике необходимое сопротивление нагрузки получается при параллельном соединении резистора нагрузки R3 и высокоомных телефонов. Это позволило обойтись без разделительного конденсатора на выходе, но при подключении телефонов желательно соблюдать полярность, указанную на вилке телефонов и выходном разъёме XS2. При соблюдении полярности магнитный поток в телефонах, создаваемый постоянной составляющей коллекторного тока выходного транзистора, будет складываться с потоком постоянных магнитов, отчего работа телефонов только улучшится. 
      Как уже упоминалось, система регулировки усиления УПЧ не задействована, поэтому вывод 9 (вход АРУ) соединен с общим проводом. При желании можно ввести в приемник электронный регулятор усиления и по низкой частоте. Схема его совершенно аналогична схеме регулятора усиления по радиочастоте (резисторы R1 и R2), за исключением того, что движок потенциометра соединяется с выводом 9. Moжнo пойти и дальше по пути усовершенствования приемника, введя в него систему АРУ по низкой частоте. Для этого надо продетектировать выходной звуковой сигнал и подать выпрямленное и сглаженное напряжение на вывод 9. Тогда между выводом 10 и общим проводом можно будет включить стрелочный измерительный прибор, который послужит измерителем силы сигнала - S-метром. Однако подобными усовершенствованиями рекомендуется заняться уже после того, как приемник будет изготовлен и настроен. 
      Контурные катушки приемника L2 и L3 намотаны на стандартных четырехсекционных каркасах, используемых в подавляющем большинстве отечественных портативных приемников. Они содержат по 60 витков провода ПЭЛ 0,1...0,15, по 15 витков в каждой секции каркаса. Диаметр намотки получается около 5 мм, общая длина - 6 мм. Катушки подстраиваются ферритовыми стержневыми сердечниками диаметром 2,7 мм. Катушка связи L1 наматывается поверх контурной катушки L2, на том же каркасе в той его секции, которая ближе к "заземленному" выводу контурной катушки. Катушка связи может содержать от 3 до 10 витков любого изолированного провода. Меньшее число витков используется при более длинных наружных антеннах, чтобы приемник не перегружался по входу. Можно сразу намотать катушку связи с двумя-тремя отводами и подобрать оптимальную связь с антенной при налаживании приемника. Катушки желательно поместить в экраны любой конструкции. В этом приемнике важно обеспечить минимальную связь между входной и гетеродинной катушками, поэтому, если экраны не используются, катушки следует разместить на плате подальше друг от друга. 
    Конденсаторы С1...С7 использованы керамические, особое внимание следует обратить на температурный коэффициент ёмкости конденсатора С6 он должен быть близким к нулевому или небольшим отрицательным, что обеспечит хорошую температурную стабильность частоты гетеродина. Конденсатор настройки С8 может быть любого типа, с воздушным диэлектриком, главное, чтобы он был оснащен удобной ручкой, желательно большого диаметра, и обеспечивал лёгкое и плавное вращение ротора. Для облегчения настройки на SSB станции желательно использовать верньер с замедлением в 5...10 раз. При использовании КПЕ от радиовещательных приемников с максимальной ёмкостью 240...510 пФ ёмкость "растягивающего" конденсатора С7 следует уменьшить до 100...50 пФ соответственно. Остальные детали приемника могут быть любых типов.

     Далее я хочу рассказать о конкретно моей схеме, на которой будет строиться приёмник. Мой приёмник будет работать с частотой 2,4 ГГц в   ISM диапазоне. Об этом подробнее.

     Очень часто при разработке устройств и систем самого различного назначения возникает задача беспроводной передачи данных на расстояния от десятков метров до нескольких километров. Частотный диапазон ISM является той частью радиочастотного спектра общего назначения, которая может быть использована без лицензирования. Единственное требование для разрабатываемых продуктов в ISM-диапазоне — это соответствие нормам, которые устанавливаются регулирующими органами для данной части частотного спектра. Эти правила различаются в разных странах. В США нормы устанавливает Федеральная комиссия по связи (Federal Communication Commission, FCC), а в Европе — Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (European Telecommunication Standards Institute, ETSI). Системы, спроектированные для работы в ISM-диапазоне, характеризуются малым энергопотреблением и низкой скоростью передачи данных. Однако в последнее время скорость передачи новых версий стандартов этого диапазона имеет тенденцию к увеличению. Наиболее часто используемыми частотными ISM-диапазонами являются 2,4-ГГц и субгигагерцовые частоты. Из-за довольно сильной перегрузки в 2,4-ГГц полосе частот в последнее время происходит освоение 5-ГГц диапазона. В то время как 2,4-ГГц является универсальной полосой частот, субгигагерцовые диапазоны, предназначенные для беспроводных приложений с малой потребляемой мощностью, в разных странах отличаются друг от друга. В США наиболее популярным диапазоном остается полоса частот 902…928 МГц, а в Европе наибольшая активность наблюдается в диапазоне 868 МГц. При разработке продуктов для ISM-диапазона важное значение имеет учет фундаментальных отличий между 2,4-ГГц и субгигагерцовыми диапазонами частот.

    2,4-ГГц полосу частот рекомендуется использовать в случае, когда требуется обеспечить функциональную совместимость с другими системами, а также если основной целью является работа в разных географических областях. При проектировании устройств в 2,4-ГГц диапазоне возникают две главные проблемы.

     1. В этой полосе частот функционируют различные беспроводные системы, такие как Bluetooth, Wi-Fi, 802.15.4, Zigbee, а также микроволновые печи. Поэтому большую проблему представляет собой высокий уровень помех. Наличие интенсивных помех требует использования устройств с высокой избирательностью. Другим эффективным способом противодействия помехам является использование таких методов как расширение спектра сигнала путем скачкообразной перестройки частоты (frequency hopping spread spectrum, FHSS) и расширение спектра с применением кода прямой последовательности (direct sequence spread spectrum, DSSS).

     2. Радиоизлучение на частоте 2,4 ГГц более легко поглощается в среде и окружающих объектах, что ограничивает этот диапазон. Эмпирическое правило состоит в том, что удвоение рабочей частоты вполовину уменьшает ширину полосы. Следует отметить, что такое ограничение частотного диапазона можно преодолеть с помощью внешнего усилителя мощности.

Выбор субгигагерцового диапазона позволяет разрешить некоторые проблемы 2,4-ГГц диапазона. Однако этот диапазон имеет свои недостатки:

– рабочий цикл в этой полосе частот ограничен;

– невозможно обеспечить функциональную совместимость с другими системами;

– ограничения, связанные с географическим положением стран применения этого диапазона. Так, например, беспроводной счетчик, спроектированный для американского диапазона частот 902…928 МГц, не будет работать в Европе.

     Стандарты ISM-диапазона

     За последние несколько лет появилось несколько беспроводных стандартов, работающих в ISM-диапазоне. Эти стандарты вместе с патентованными решениями компаний обеспечивают широкие возможности для разработки разнообразных беспроводных продуктов. Стандарты ISM-диапазона отличаются скоростью передачи данных, дальностью связи, областью применения, а также используемым способом модуляции. На рисунке 1 представлены некоторые беспроводные стандарты ISM-диапазона в зависимости от дальности действия и скорости передачи.

Среди беспроводных стандартов, приведенных на рисунке 1, Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee и IEEE 802.15.4 можно рассматривать как наиболее широко распространенные сегодня. Большинство этих стандартов работает в 2,4-ГГц диапазоне.

 

 

 

Рис. 6 Радио модуль на микросхеме

 На рисунке 6 приведена принципиальная схема радиоприёмника с частотой 2.4 ГГц. Это именно та схема на которой построен приёмник.   Выводы RXD, TXD, CONFIG, RESET, ON/OFF могут подключаться к внешнему микроконтроллеру для реализации протоколов верхнего уровня и более сложных сценариев работы, например поиска устройств в сети или выключения модуля для снижения энергопотребления, ведь в состоянии IDLE (Покоя) потребляемый ток такой же, как и в режиме приема примерно 20 мА. Для сопряжения с ПК необходимо использовать микросхемы преобразователей уровня RS-232 — TTL. Возможно использование внешних усилителя мощности и малошумящего усилителя (МШУ) в приемном тракте, которые управляются выводами PA_EN и LNA_EN соответственно.

Описание радиомодуля

    Модуль RC1290 являются компактным, поверхностно-монтируемым, высокоэффективным, широкополосным модулем (2.4ГГц) использующие во внутреннем протоколе принцип кодирования со сдвигом частот (FSK). Модули полностью экранированы и сертифицированы для работы на территории Европы без использования специальной лицензии.

Применение:

• OEM оборудование
• Радио-модемы
• Охрана и системы безопасности
• Терминалы продаж
• Устройства чтения штрих-кода
• Станции телеметрии
• Быстрое управление

Особенности:

• Самый маленький в мире размер (12.7 x 16.5 x 3.5 мм)
• Широкополосный, многоканальный режим работы
• Низкое энергопотребление, 3 мА в выключенном состоянии
• Встроенный протокол RC232
• Проверка адресации и ошибок
• 128-байтовый буфер данных
• Простой интерфейс
• Компактный экранированный модуль для SMD установки
• Отсутствие внешних компонентов
• Отсутствие конфигурации, необходимой для использования одного канала
• Широкий диапазон напряжения питания, 2.8 - 5.5 В

 

 

 

 

 

Таблица 1 «Ознакомительные справочные данные»

Параметры	RC1290	Единицы
Рабочая частота	2.4	ГГц
Число каналов	51
Пропускная способность канала	25-100	кГц
Скорость передачи данных	1.2-19.2	кбит/с
Максимальная выходная мощность	2	дБм
Чувствительность	-110	дБм
Напряжение питания	2.8-5.5	В
Потребление тока в режиме - Рабочий	20.7	мА
Потребление тока в режиме - Сон	0.9	мА
Потребление тока в режиме - Выключен	0,003	мкА

 

 

 

 

 

 

 

 

Типовая схема включения

 

Краткое описание

Чтобы передать сигнал надо послать данные на контакт RXD. Использовав при этом тумблер на радио передатчике. Максимально в передатчике могут быть буферизированы 128 байт. Модуль передает данные, когда:

• достигнута максимальная длина пакета
• послан символ конца передачи

Антенна. В большинстве случаев простого провода длины 1/4 от длины волны или печатной антенны достаточно. Подключите конец провода с длиной, соответствующей четверти длины волны, к выходу RF. Как я могу

Для изменения конфигурируемых параметров, используйте контакт CONFIG и пошлите в модуль строку команд, используя любой, поддерживаемый модулем последовательный интерфейс. Параметры могут быть изменены на постоянное время и сохранены в энергонезависимой памяти, непосредственно в модуле.

 

 

Расположение контактов моду

 

 

 

Таблица 2 «Описание контактов»

№ контакта	Имя контакта	Описание
1	GND	Земля
2	CTS/RXTX/RXEN	UART. очистка передачи данных (CTS), UART RXTX, разрешение режима передачи или активация SLEEP. Соединить с VDD, если не используется. Внутренний последовательный резистор 100 кОм.
3	RTS/TXEN	UART. запрос на передачу, разрешение режима передачи или активация режима SLEEP. Соединить с VDD если не используется. Внутренний последовательный резистор 100 кОм.
4	CONFIG	Активация режима конфигурирования. Активный уровень - ноль. Если не используется, должен быть установлен в высокий уровень соединением с VDD. Внутренний последовательный резистор 100 кОм.
5	TXD/SCL	Данные последовательной передачи данных. Внутренний последовательный резистор 100 кОм.
6	RXD/SDA	Данные или вход/выход последовательно передаваемых данных. Внутренний последовательный резистор 100 кОм.
7	GND	Земля
8	GND	Земля
9	RF	RF вход/выход к антенне.
10	GND	Земля
11	VDD	Стабилизированный выход внутреннего напряжения питания. Обычно оставляют неподключённым.
12	ON/OFF	Включение/выключение модуля.
13	VCC	Вход напряжения питания.
14	GND	Земля
15-21	RESERVED	Тестовые выходы или выходы для использования в будущем.
22	RESET	Основной сброс (активный уровень low). Обычно оставляют неподключённым. Внутренний подтягивающий резистор 100 кОм, последовательного резистора НЕТ.
23	PA EN	Выход активации внешнего PA (активный high).
24	LNA EN	Выход активации внешнего LNA (активный high).
25-30	RESERVED	Тестовые выходы или выходы для использования в будущем.