С днем варения! Так держать!

 Этот проект направлен в первую очередь на исследовательские цели, он позволит понять кое какие принципы передачи аналогового сигнала с помощью широтно-импульсной модуляции.

Технические характеристики.В дежурном режиме "Комар" периодически, примерно раз в  две-три минуты включается на время менее 1 с. для контроля функционирования. При превышении звуком определенного уровня "Комар" включается и остается включенным ещё около 8 с. после падения уровня звука ниже установленного уровня.Частота передачи – 416 MHz, мощность до 10 mW, модуляция – OOK. Ток потребления в дежурном режиме – 60 mkA, при передаче – 4...5 mA. Питание от батареи  CR2032, для уменьшения габаритов можно использовать CR1632. Работает при снижении напряжения до 2 V.Габаритные размеры без антенны – 70*20(16)*5 мм.

 Описание работы.

Схема и временной график работы "Комара" в ключевых точках показаны на рис.1.

Рис.1 Схема и временной график работы "Комара" в ключевых точках

 Микрофон применен марки М3-Б2 "Сосна", он потребляет всего 40-60 mkA. R1 – подстройка напряжения питания микрофона. Микрофонный усилитель выполнен на VT1, VT2, потребляет ток около 15 mkA, его АЧХ показана на рис.2 (симуляция в программе Multisim10, R1=3.5 kOm – выходное сопротивление микрофона).Логическая микросхема DD1 – 74HC132, представляет собой четыре триггера Шмитта с функцией 2И-НЕ и практически нулевым  энергопотреблением в статическом режиме.  DD2 – MAX1472 микросхема передатчик для использования в полосе частот 300...450 MHz, рабочая частота получается умножением на 32 частоты кварца Z1. На VT3 и DD1.4 собран VOX – активация “Комара” по звуку (зелёная линия на графике). Поскольку VT1-VT3 имеют непосредственную связь по постоянному току, уровень срабатывания VOX-а  достаточно стабилен и слабо зависит от температуры, напряжения батареи. Порог срабатывания регулируется изменением смещения на базе VT3 с помощью R5, время удержания определяется постоянной времени цепи R7C6 и составляет около 8 с. Также на DD1.4 собран генератор коротких импульсов для периодического включения устройства в дежурном режиме.На DD1.1 построен управляемый VOX-ом генератор меандра с частотой около 16 kHz – красная линия на графике. При отсутствии полезного сигнала период повторения импульсов определяется постоянной времени цепи R10C9. Ситуация несколько изменится, если на вход 1 DD1.1 подать сигнал звуковой частоты (синяя линия на графике). При его положительной полярности зарядка C9 будет происходить быстрее, а при отрицательной – медленнее, то есть произойдет модуляция ширины импульсов – ШИМ. В результате на выходе DD1.1 имеем ШИМ, скважность которой пропорциональна амплитуде аналогового речевого сигнала. Модулированный сигнал снимается с инвертора DD1.3, который был добавлен для экономии энергии. В дежурном режиме он устанавливает на 6-ом выводе MAX1472 "ноль", т.к. оказалось, что выключенный  MAX1472 ("ноль" на 5-ом выводе) при "единице" на 6-ом выводе продолжает потреблять ток около 15 mkA. R8 определяет уровень модуляции. Преобразование речевого сигнала в последовательность импульсов позволяет использовать МАХ1472 в наиболее экономичном ключевом режиме OOK модуляции  (On/Off Key modulation) и установить в тракте приёма небольшой пороговый уровень для подавления шумов. OOK модуляция имеет преимущество в своей простой реализации, а также в том плане, что при передаче "нуля" нет излучения. Фактически передатчик излучает лишь половину времени передачи, по сравнению, например, с частотно-модулированным сигналом передатчика. Этим вдвое понижается энергопотребление при передаче и соответственно вдвое увеличивается ресурс батареи. Высокочастотная  "обвязка" МАХ1472 согласно application note 1954 от Maxim.

 Как принять сигнал c OOK модуляцией?

При демодуляции звуковой сигнал содержится в среднем значении импульсов с ШИМ, которое можно выделить, пропустив импульсы через фильтр нижних частот. Фильтр пропускает частоты звукового диапазона, но "срезает" колебания более высоких частот, в том числе и частоту модулирования. Вообще, все вышеописанное происходит в любом приёмнике АМ сигналов. Таким образом, включаем приёмник АМ на частоте передачи "Комара" и слушаем. Приёмник можно собрать на MAX1473, U3741B, UAA3220TS – супергетеродины для приёма АМ сигналов либо собрать конвертер для переноса частоты вниз и дальнейшего приёма на обычный коротковолновый АМ приёмник. Однако эти варианты мною не проверялись. Для проверки работоспособности "Комара" подойдёт простой сверхрегенеративный приёмник по схеме рис.3 (сделан из того, что было под рукой), правда качественный приём он не обеспечит.

Результаты испытаний

"Комар" сравнивался с NFM радиомикрофоном (стабилизация частоты на ПАВ-резонаторе, один вч-транзистор). Качество звука "Комара" оказалось выше, больше высоких частот за счет чего разборчивее речь. Впрочем, объяснить это можно множеством причин поэтому особо расхваливать не буду. Кроме того, у "Комара" оказался меньший уровень фоновых шумов, тихие звуки не теряются на фоне шипения. При сравнимом энергопотреблении NFM радиомикрофон уверенно принимался на расстоянии 200 м.,  "Комар" на 400 м. (по прямой видимости). Контрольный приемник – сканер Icom IC-P7A, шумоподавитель был отключен, в отсутствии сигнала демодулятор АМ практически не шумит, в отличие от демодулятора FM. Этим реализуется максимальная чувствительность приемника при приёме сигнала. Итог: как ни странно, но все это работает.J

Конструкция

Форм-фактор конструкции был выбран неслучайно, исходя из следующих соображений:– "Комар" должен иметь минимальную толщину и ширину,  для возможности незаметной установки сверху "обналички" деревянных дверей, в щели между "обналичкой" дверей и стеной, сверху карнизов, под подоконником, за плинтусом и т.д. Третий линейный размер (длина) в подобных случаях особого значения не имеет и может быть значительным. При установке может пригодиться  двухсторонняя липкая лента или нитка – для случая подвешивания "Комара" в щелях между шкафами;
– при такой конструкции обратная сторона платы "Комара" неплохо играет роль противовеса для антенны, что повышает мощность излучения.
Схема собрана на двухстороннем фольгированном стеклотекстолите толщиной 0.8 мм. (рис.5, 6). При сборке использованы SMD-компоненты типоразмера 0805. D1– любой диод с малым обратным током. L1 – 4 витка эмалированного провода диаметром 0.4 мм навитого на оправке диаметром 1,4 мм., роль L2 играет печатная дорожка с обратной стороны платы. С11 устанавливаем при необходимости подстройки частоты передачи под сетку частот приемника. Кварц на 13 MHz взят с мобильного телефона. На плате предусмотрено место для разъема зарядки батареи на случай, если применять для питания аккумулятор LIR2032. Остальное ясно по рис.5-7. В качестве антенны припаян многожильный провод длиной 18 см. С19 подбирается по максимуму уровня излучения, удобно при настройке поставить вначале вместо него подстроечник. Также при настройке "Комара" можно ориентироваться по его току потребления, минимум будет наблюдаться при резонансе, зависящем от импеданса нагрузки передатчика. Этот факт полезен для проверки того, что антенная цепь MAX1472 оптимизирована под конкретную рабочую частоту и нагрузку. Готовое устройство обтянуто термоусадочной трубкой белого цвета (рис.7). MAX1472 можно заменить на МАХ7044 – слегка упростится схема и увеличится выходная мощность или на транзисторы и резонатор на ПАВ (рис. 4). LM4876 можно заменить на более доступные MC34119 или TDA7050. 

Источники

Нелицензируемые модемы и радиостанции с радиусом действия до 200 метров. С.Орлов. Chip news №6 2003

P.S. Ложка дегдя в бочку с медом. Сначала не обратил внимания, но позже выяснилось, что средний ток потребления в дежурном режиме больше заявленных 60 mkA и составляет около 0.5 mA (через некоторое время начинает расти от 60 до 900 mkA  в каждом 2-3 минутном цикле). Связано это с тем, что по мере заряда конденсатора С8  логический элемент DD1.4 переходит в линейный режим и начинает потреблять дополнительный ток.
Если контроль функционирования не нужен, вместо С8 можна поставить перемичку D1, R9, R11, R12 убрать, тогда ток потребления в дежурном режиме будет на уровне заявленного.

Рис.2 Симуляция работы микрофонного усилителя в программе Multisim10

Рис.3 Схема приёмника для проверки работоспособности

Рис.4 Варианты высокочастотной части

Рис.5 Вид "Комара" и приёмника со стороны монтажа

Рис.6, 7. Вид "Комара" и приёмника с обратной стороны и общий вид

Видеоролик работы здесь: 
https://dl.dropbox.com/u/32823203/%D0%97%D0%B0%D0%BF%D0%B8%D1%81%D1%8C%20%D0%BD%D0%BE%D1%83%D1%82%D0%B1%D1%83%D0%BA%D0%B0.zip

Удачи в повторении! 

Файлы:
01.gif
02.png
03.png
04.png
05.jpg
06.jpg
07.jpg

Все вопросы в Форум.