V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Экспериментальное подтверждение работы FM радиоприёмника
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение Нашу жизнь не возможно представить без радио и радио содержащей аппаратуры. А началось это с того как в 1887 г. своими экспериментами немецкий физик Г.Р. Герц (1857 - 1894) доказал справедливость гипотезы Дж.К. Максвелла (1831 - 1879) о существовании электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света (называемых теперь радиоволнами), многие изобретатели в разных странах занялись вопросом использования этих волн для беспроволочной передачи сигналов. Немалый вклад внесли в это французский физик Э. Бранли (1844 - 1940), а также английский ученый О. Дж. Лодж (1851 - 1940). Первая в мире радиопередача была осуществлена в России знаменитым изобретателем и ученым А.С. Поповым (1859 -1906). В 1888 г. В 1889 г. в одной из своих лекций, Попов впервые указал на возможность использования электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние без проводов. Огромное значение для дальнейшего развития электросвязи имело появление на рубеже ХIХ и ХХ вв. электронных ламп. В 1883 г. Эдисон обнаружил, что стеклянная колба вакуумной лампочки накаливания темнеет из-за распыления материала нити. Впоследствии было установлено, что причиной этого "эффекта Эдисона" является испускание электронов раскаленной нитью лампочки (явление термоэлектронной эмиссии). В 1904 г. английский ученый Дж. Э.Флеминг (1849 -1945) изобрел вакуумный диод (двух электродную лампу) и применил его в качестве детектора (преобразователя частот электромагнитных колебаний) в радиотелеграфных приемниках. В 1906 г. американский конструктор Ли де Форест (1873 - 1961) создал трехэлектродную вакуумную лампу - триод (аудион Фореста), которую можно было использовать не только в качестве детектора, но и усилителя слабых электрических колебаний. Спустя 4 года инженеры Либен, Рейкс и Штраус в Германии сконструировали триод с сеткой в виде перфорированного листа алюминия, помещенной в центре баллона. Необходимы были дополнительные изыскания, чтобы превратить триод в настоящий усилитель. [1]
Глава I. История и развитие радио
1.1 История радио Сегодня радио не кажется каким-то необычным и уникальным приспособлением, которое способно осуществлять беспроводную связь. Однако было время, когда радио стало настоящим прорывом в развитии новых технологий. История радио уходит своими корнями в далекое прошлое, разбираться в котором и будет данная статья. Во все времена двигателем процесса была связь. Еще в 1864 г. существование электромагнитных волн теоретически предсказал Дж. Максвелл. Менее чем через 25 лет созданием подобных волн занялся Г. Герц. В процессе ряда экспериментов он подтвердил теорию Максвелла и продолжил работу, которую начал его предшественник. Результатом этого стало создание устройства, которое было способно передавать и принимать те самые электромагнитные волны. Такой приемник был малочувствительным и работал только на расстоянии пары метров. Это было начало прогресса, но для реальной связи требовалось нечто другое – более совершенный, мощный передатчик. К сожалению, Герц скончался от сильного заражения крови, но история радио на этом не заканчивается.
1.2 Предпосылки возникновения и изобретение радио Первые предпосылки относительно существования электромагнитных волн возникли еще в конце 1600-х годов. Спустя два столетия были официально открыты ультрафиолетовое и инфракрасное излучения. В 30-х годах XIX столетия ученый из Англии Майкл Фарадей с большой уверенностью заявил о существовании электромагнитных волн. Спустя еще 30 лет другой ученый из Великобритании Джеймс Максвелл закончил построение теории электромагнитного поля, которая нашла свое применение в физике. В 1880-1890-х гг. произошли еще некоторые открытия, которые позволили приблизить то время, когда будет создано полноценное радио. В последующие годы сразу несколько ученых повторяли данный эксперимент, при этом используя более усовершенствованные элементы для обнаружения электромагнитных волн. Ученая мировая общественность была заинтересована в опытах Герца.
Занялись этим англичанин О. Лодж и француз Э.Бранли. Они обнаружили, что наполненная неким металлическим порошком трубка хорошо реагирует на волны. Когда на передатчике проскакивала первая искра, она принимала конкретный сигнал и проводила ток.[1]
1.3 Спорные моменты в истории радио В истории радио не обошлось и без казусов. В настоящее время сразу несколько стран претендуют на то, что именно их ученый изобрел радио. В Германии говорят о том, что заслуга принадлежит исключительно Генриху Герцу, в США вам скажут, что радио изобрел Томас Эдисон и т.д. Как бы там ни было, в 1872 году первый в истории патент на беспроводную связь получил Малон Лумис.
1.4 Современное радиовещание В 1906 году канадец Реджинальд Фессенден осуществил первую трансляцию радиопрограммы, в которой лично играл на скрипке и прочел небольшой текст из Библии. С того времени голосовое радиовещание стало развиваться с каждым годом все больше и больше. В 1918 году Эдвин Армстронг представил супергетеродин, способствующий улучшению чувствительности радиоприемных устройств в широком диапазоне частот. Спустя более 15 лет тот же американский ученый запатентовал FM-радио, которое использует частотную модуляцию, позволяющую уменьшить помехи в эфире.В самом начале 80-х годов XX столетия начали проводиться работы в сфере создания цифрового радиовещания, что сделало очередной переворот в истории радио. В настоящее время трудно найти человека, который никогда не слушал радио. В то же время мало кто задумывается над тем, кто его изобрел, чего это стоило тем людям, которые потратили многие годы своей жизни ради технического прогресса. Сегодня радио остается одним из наиболее распространенных средств вещания, несмотря на развитие телевизионных технологий, компьютерной техники и т.п. Радиоэфир по-прежнему заполнен звуками, которые, как кажется, никогда не закончатся.
Глава II. Типы радиоприёмников, их проблемы и недостатки
2.1Супергетеродинный радиоприёмник (супергетеродин) — один из типов радиоприёмников, основанный на принципе преобразования принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ) с последующим её усилением. Основное преимущество супергетеродина перед радиоприемником прямого усиления в том, что наиболее критичные для качества приема части приемного тракта (узкополосный фильтр, усилитель ПЧ и демодулятор) не должны перестраиваться под разные частоты, что позволяет выполнить их со значительно лучшими характеристиками.Супергетеродинный приёмник изобрёл американец Эдвин Армстронг в 1918 году. Упрощённая структурная схема супергетеродина показана на рисунке. Радиосигнал из антенны подаётся на вход усилителя высокой частоты (в упрощённом варианте он может и отсутствовать), а затем на вход смесителя — специального элемента с двумя входами и одним выходом, осуществляющего операцию преобразования сигнала по частоте. На второй вход смесителя подаётся сигнал с локального маломощного генератора высокой частоты — гетеродина. Колебательный контур гетеродина перестраивается одновременно с входным контуром смесителя (и контурами усилителя ВЧ) — обычно конденсатором переменной ёмкости (КПЁ), реже катушкой переменной индуктивности. (вариометром, ферро вариометром). Таким образом, на выходе смесителя образуются сигналы с частотой, равной сумме и разности частот гетеродина и принимаемой радиостанции. Разностный сигнал постоянной промежуточной частоты (ПЧ) выделяется с помощью фильтра сосредоточенной селекции (ФСС) и усиливается одним или несколькими каскадами, после чего поступает на демодулятор, восстанавливающий сигнал низкой (звуковой) частоты. Обычно фильтр ПЧ рассосредоточен по всем каскадам усилителя промежуточной частоты, поскольку ФСС сильно ослабляет сигнал и приближает его к уровню шумов. А в приёмниках с фильтром с рассредоточенной селекцией в каждом каскаде сигнал лишь немного ослабляется фильтром, а затем усиливается, что позволяет улучшить отношение сигнал/шум. В настоящее время фильтр сосредоточенной селекции применяется лишь в относительно недорогих приемниках, выполненных на интегральных микросхемах (например, К174ХА10), а также в телевизорах.В обычных приёмниках длинных, средних и коротких волн промежуточная частота, как правило, равна 465 или 455 кГц, в ультракоротковолновых — 6,5 или 10,7 МГц. В телевизорах используется промежуточная частота 38 МГц. Так как супергетеродинный приёмник хорошо настроен на сигнал с промежуточной частотой, то даже слабый сигнал на этой частоте принимается. Поэтому промежуточная частота применяется для передачи сигналов SOS. На указанных частотах запрещена работа любых радиостанций мира.
Преимущества и недостатки наличие малого количества перестраиваемых контуров;возможность получения большего усиления по сравнению с приёмником прямого усиления за счёт дополнительного усиления на промежуточной частоте, не приводящего к паразитной генерации: положительная обратная связь не возникает из-за того, что в каскадах ВЧ и ПЧ усиливаются разные частоты. Высокая избирательность, обусловленная наличием фильтра сосредоточенной селекции (полосового фильтра) в канале ПЧ. Так как частота ПЧ ниже частоты входного сигнала,такой фильтр можно изготовить со значительно более высокими параметрами. Кроме того, на частоты 465 кГц и др. выпускаются стандартные монолитные фильтры. Наиболее значительным недостатком является наличие так называемого зеркального канала приёма — второй входной частоты, дающей такую же разность с частотой гетеродина, что и рабочая частота. Сигнал, передаваемый на этой частоте, может проходить через фильтры ПЧ вместе с рабочим сигналом.
2.2 Регенеративный радиоприёмник (регенератор) - радиоприёмник с положительной обратной связью в одном из каскадов усиления радиочастоты. Обычно прямого усиления, но известны и супергетеродины с регенерацией как в УРЧ, так и в УПЧ. Отличается от приёмников прямого усиления более высокой чувствительностью (ограничена шумами) и избирательностью (ограниченностью устойчивостью параметров), пониженной устойчивостью работы.
Достоинства и недостатки Высокие чувствительность и избирательность по сравнению с приёмниками прямого усиления и простыми супергетеродинами.Простота и дешевизна Низкое потребление энергии Отсутствие побочных каналов приёма и само порожденных частот
2.3 Радиоприёмник прямого усиления — один из самых простых типов радиоприёмников. Радиоприёмник прямого усиления (герадеаус) состоит из колебательного контура, нескольких каскадов усиления высокой частоты, квадратичного амплитудного детектора, а также нескольких каскадов усиления низкой частоты. Колебательный контур служит для выделения сигнала требуемой радиостанции. Как правило, частоту настройки колебательного контура изменяют конденсатором переменной ёмкости. К колебательному контуру подключают антенну, иногда и заземление. Сигнал, выделенный колебательным контуром, поступает на усилитель высокой частоты. Усилитель высокой частоты (УВЧ), как правило, представляет собой несколько каскадов избирательного транзисторного усилителя. С УВЧ сигнал подаётся на диодный детектор, с детектора снимается сигнал звуковой частоты, который усиливается ещё несколькими каскадами усилителя низкой частоты (УНЧ), откуда поступает на динамик или наушники. В литературе приёмники прямого усиления классифицируют по числу каскадов усилителей низкой и высокой частоты. Приёмник с n-каскадами усиления высокой и m-каскадами усиления низкой частоты обозначают n-V-m, где V обозначает детектор. Например, приёмник с одним каскадом УВЧ и одним каскадом УНЧ обозначается 1-V-1. Детекторный приёмник, который можно рассматривать как частный случай приёмника прямого усиления, обозначается 0-V-0.
Преимущества и недостаткиГлавное преимущество приёмника прямого усиления — простота конструкции, в результате чего его может собрать даже начинающий радиолюбитель. В СССР в 1970-80 гг. продавались, а в других странах продаются и ныне, радио конструкторы. Основной недостаток приёмника прямого усиления — малая селективность (избирательность), то есть малое ослабление сигналов соседних радиостанций по сравнению с сигналом станции, на которую настроен приёмник (к регенеративному приемнику, являющемуся разновидностью приемника прямого усиления, это не относится). Поэтому этот тип приёмников удобно использовать только для приема мощных радиостанций.
Глава III. Теоретические основы, принцип работы FM приёмника
3.1 Закон электромагнитной индукции Опытами с электричеством занимался не один Фарадей. Если магнитное поле, пронизывающее какой-либо контур (проволочный виток, рамку, катушку) изменяется, то в этом контуре возникает ЭДС, а, следовательно, и электрический ток. Закон электромагнитной индукции позволил создать динамо-машину-генератор электрического тока. Конструкция динамо-машины мало изменилась до наших дней, увеличились лишь ее размеры и мощность. Тем, что теперь в каждой квартире пользуются электроэнергией, что улицы больших и малых городов ярко залиты электрическим светом, ходят электропоезда, трамваи и троллейбусы, - почти всей современной энергетикой мы обязаны Фарадею и многочисленным физикам, и электротехникам, работавшим после него. [5]
3.2 Принцип передачи сигнала Весь современный мир зиждиться на электронном оборудовании, управление которым осуществляется за счет сил радиосигналов. И чтобы понять, что собой представляет радио, необходимо разобраться в принципах работы устройства. На передающей стороне формируется высокочастотный несущий сигнал определенной частоты, на который затем накладывается информационный поток. Происходит модуляция. Объединенные таким образом потоки радиоволн излучаются передающей антенной в пространство. [2]
3.3 Восприятие сигнала устройством В отдаленном от источника месте отправленный сигнал улавливается приемной антенной радио. Это знаменует этап обработки радиочастотного сигнала, что происходит поэтапно: Колебания электромагнитных полей порождает в приемнике электрические токи. Электроток малой мощности фильтруется для устранения помех и выявления полезной информации. «Очищенные» сигналы расшифровываются, детектируются, выделяется полезная информация. Происходит преобразование набора радиочастот в понятный для устройства вид: звук, изображение, видео. В большинстве случаев перед расшифровкой сигнал проходит через большое количество приборов – усилителей, преобразователей частот – а также подвергается оцифровке и программной обработке. И только затем мы сможем понять сведения, полученные радио. Это же одновременно улучшает качество и восприятие информации. [3]
3.4 Радио в современном мире В современном мире радио утратило свою популярность – для прослушивания музыки, общения с родственниками из дальних краев, получения новостей используются технологичные гаджеты. Но еще 40 лет назад это устройство было основным источником развлечений, информирования. Первая радиостанция появилась в далеком 1907 году в Нью-Йорке. Ли Де Форест создал вещательную вышку. Однако постоянно менялось местоположение этого радио. Это замедлило рост популярности нового средства развлечения. Десять лет спустя радиостанции стали появляться и в Европейских странах . А после 20-х годов они получили повсеместное распространение. Сейчас большой популярностью пользуется интернет-радио.
3.5 Современные радиоприёмники.Хотя современные радиоприемники очень мало напоминают приемник Попова, основные принципы их действия те же, что и в его приборе. Современный приемник также имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые электромагнитные колебания. Как и в приемнике А. С. Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приема. Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.Современные радиоприёмники обнаруживают и извлекают передаваемую информацию. Достигая антенны приёмника, радиоволны пересекают её провод и возбуждают в ней очень слабые частоты. В антенне одновременно находятся высокочастотные колебания от многих радиопередатчиков. Поэтому один из важнейших элементов радиоприёмника – избирательное устройство, которое из всех принятых сигналов может отображать нужный. Таким устройством является колебательный контур. Контур воспринимает сигналы того радиопередатчика, высокочастотные колебания которого совпадают с собственной частотой колебаний контура приёмника. Назначение других элементов радиоприёмника заключается в том, чтобы усилить принятые колебания, выделить из их колебания звуковой частоты, усилить их и преобразовать в сигналы информации
Глава IV. FM радиоприёмник в нашем случае.
4.1 Схема радиоприёмника
4.2 Описание схемы радиоприёмника
Кроме TDA7000(в нашем случае её аналог:KC1066XA1) в схеме используются еще 2 микросхемы - LM386 и 7805. На первой собран усилитель низкой частоты. Вторая микросхема представляет собой стабилизатор напряжения. Без стабилизатора приемник может возбуждаться (треск, шум).
При работе в диапазоне 65,8 – 74 МГц катушка L1 должна содержать 5,5 витка провода ПЭВ-2 0,5 при диаметре обмотки 4 мм, а при работе в диапазоне 100 – 108 МГц – соответственно 4 и 5 витков.
4.3 Приборы и радиокомпоненты, для сборкиFM радиоприёмника
Приборы: паяльная станция, пинцет, нож для резки пластика.
Радиокомпоненты: Резисторы: 20 кОм (1 шт.), 100 кОм (1 шт.), 100 кОм (переменный) (1 шт.), Конденсаторы: 150 пФ (1 шт.), 180 пФ (1 шт.), 220 пФ (5 шт.), 330 пФ (2 шт.), 3300 пФ (2 шт.), 0.01 мкФ (2 шт.), 0.015 мкФ (1 шт.), 0.33 мкФ (1 шт.), 0.1 мкФ (3 шт.). Варикап: КВ121А (MV209)(1 шт.). Микросхемы: LM7805 (1 шт.), TDA7000 или аналог KC1066XA1 (1 шт.). Медная проволока, Разъем для подключения батареи (9В) (1 шт.). Монтажная плата (1 шт.). Разъём для батареи (1 шт.).
4.4 Изготовление печатной платы
На сайте EasyEDA были созданы и разведены дорожки будущей печатной платы. Потом рисунок платы был распечатан на фотобумаге и перенесён на фольгированный текстолит с помощью нагрева. Травление было произведено в растворе перекиси водорода и лимонной кислоты, для ускорения реакции была добавлена поваренная соль в качестве катализатора. Реакция: Cu+ H3Cit +H2O2→ H[CuCit] +2H2O
4.5 Установка радиокомпонентов и сборка корпуса
Для установки радиокомпонентов были просверлены отверстия в необходимых местах. Потом все радиокомпоненты устанавливаются на свои места и припаиваются. [4]
В качестве материалы для корпуса - ОРГ стекло. Для начала стекло было размечено и нарезано на необходимые части, далее просверлены отверстия для крепления динамика. Окончательная сборка производилась с помощью дихлорэтана - растворитель. Далее для придания матовости были затёрты все видимые части корпуса мелким абразивом.
Окончательный вид
4.6 Заключение
Создана экспериментальная модель FM радиоприёмника, с помощью которой проведена серия экспериментов.
FM радиоприёмник станет удобным и надежным источником информации для слушателей.
4.6 Список литературы
1. Зубков Б. В., Чумаков С. В. "Энциклопедический словарь юного техника", Москва, "Педагогика", 1988.
2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б. "Физика 11", Москва, "Просвещение", 1993.
3. Основы радио и электроники. Автор: Эверитт В.Л.(ред.) Издательство: Профтехиздат. Год: 1962.
4. Основы электроники. Автор: А.А. Соколов. Издательство: Профтехиздат. Год: 1962.
5. Орехов В. П. "Колебания и волны в курсе физики средней школы, Москва, "Просвещение", 1977.