Радио своими руками конструктор
Обновлено: 24.04.2024
Я долго думал, как сделать так, чтобы начинающий радиолюбитель мог с нуля построить неплохой приемник, а заодно и изучить основы радиотехники и электроники. А приемник, тем более блочный, легко превратить в трансивер. После долгих размышлений я решил предложить начинающим сделать радиоконструктор - набор блоков из которых потом можно бало собрать различные приемники - начиная от приемника прямого усиления и прямого преобразования до супергетеродина. Причем каждый блок я постараюсь сделать в нескольких вариантах элементной базы, как современной, так и проверенной временем. Прошу читателей подсказать, что бы вы хотели сделать.
Теперь о примерном составе радиоконструктора.
1. Усилитель мощности ЗЧ на микросхемах и двухтактный на транзисторах (для него - простейший прибор для подбора пар транзисторов) и простейший генератор НЧ.
2. Предварительный усилитель НЧ на операционных усилителях и на транзисторах.
3. ФНЧ с частотой среза 3 кГц, пассивный и активный (для наладки простой ГНЧ 500 - 5000 Гц).
4. Телеграфный фильтр с резонансной частотой 1 кГц и полосой 100-200 Гц.
5. Апериодический УВЧ на транзисторах и на микросхеме.
6. Приемник прямого усиления и регенеративный приемник.
6. Частотомер до 10 МГц на микросхеме ICM7216 или из набора на Али.
7. Приемник прямого преобразования на 7 или 14 МГц.
9. Кварцевый генератор с перестраиваемой частотой.
8. Лестничный кварцевый фильтр 8 МГц.
9. Смеситель и гетеродин на биполярном, полевом и двухзатворном транзисторе или на SA612.
10. Простой супергетеродин на один диапазон.
11. УПЧ высокой чувствительности по каскодной схеме или на двухзатворных полевиках с АРУ.
12. Лестничный кварцевый фильтр с изменяемой полосой пропускания (как у Элекрафт К2 - смотри статью про него)
13. Цифровая шкала.
14. Синтезатор частоты на Ардуинке и Si580.
15. Вседиапазонный приемник.
16. Приемник по схеме UW3DI с ЭМФ с первым гетеродином с ФАПЧ.
Вот какой план. Не знаю, удастся ли мне воплотить его в жизнь, но я очень постараюсь.
А тем, кто захочет повторить, хотелось бы посоветовать для начала разжиться каким-нибудь авометром или цифровым мультиметром, хотя бы самым простым. Например вот таким.
У нас в магазинах он стоит от 250 руб. до .
Такого мультиметра вполне хватит для всех задумок. А если втянетесь и у вас начнет получаться, то можно и о более сложных приборах подумать.
Меня зовут Михаил Матвеев, и я хотел бы представить Вашему вниманию проект современного «радиоконструктора», основанного на МК Atmega328 и чипе RDA5807M.
Предыстория
Я думаю, многие из вас не только слышали, но и непосредственно сталкивались с такой платформой, как Arduino. И как показывает моя личная статистика, очень немногие заходят дальше, чем поморгать светодиодами. Когда я познакомился с Arduino в первый раз, меня останавливало то, что не было идей, как именно я бы мог использовать все возможности того же UNO на «полную катушку». Хватило только на сборку простенького робота на двух колёсах и сигнализации. Вместе с тем, хотелось сделать что-то более основательное.
Тогда я вспомнил о своем детстве, в котором были так называемые «радиоконструкторы». Суровый советский DIY Kit, который при правильной сборке и грамотной пайке даже начинал работать, и ловил радиостанции в различных диапазонах: Юность, Электрон-М и другие.
Ни один из таких Kit'ов мне не достался, зато достался ЭКОН-1:
Основной «фишкой» этого конструктора было то, что с его помощью можно было быстро и просто собрать большое количество различных устройств, от простых «пищалок» до вполне полноценного радиоприемника.
ЭКОН-1 — одна из многих причин, по которой я вообще оказался в сфере IT. И мне пришло в голову, что было бы неплохо создать современную версию подобного конструктора, чтобы все желающие могли получить удовольствие от только что собранного своими руками девайса.
Прототип на монтажной плате
Мой друг, талантливый инженер Константин Томаревский, поддержал идею, и мы начали думать о том, как сделать первый прототип.
Идея была в том, чтобы создать FM приемник, которым можно было бы управлять через МК.
Первый прототип был собран на монтажке, и стало понятно, что это работает :)
Для самой первой версии были выбраны следующие компоненты:
1. МК Atmega328P-PU
2. RDA5807M
3. Дисплей Nokia 5110
Такой микроконтроллер используется в Arduino UNO, соответственно, наше устройство совместимо с UNO на аппаратном уровне.
RDA5807M — «сердце» нашего конструктора. Этот тюнер имеет следующие возможности:
— Технология КМОП
— Монолитный корпус, не требует внешних компонентов (почти)
— Полоса частот: 50-115 МГц
— Шаг между каналами – от 200 до 25 кГц
— RDS/RBDS
— АЦП и встроенный синтезатор частот
— Адаптивное подавление шума
— Цифровой интерфейс (I2C)
— Уровень сигнала (RSSI)
— Усилитель
— Регулировка громкости звука
Дисплей Nokia — черно-белый, 84х48 пикселей. Он очень прост в подключении и управлении.
После пайки на монтажной плате получилось как-то так:
Было решено использовать Bootloader от Arduino, это позволило сохранить совместимость со всеми многочисленными библиотеками и существенно снизить порог вхождения для тех, кто уже имел какой-либо опыт работы с платформой.
Интерфейс взаимодействия с пользователем реализован следующим образом. Три кнопки, подключенные к аналоговому входу МК через резисторы, используются для переключения режимов и управления приемником. Еще одна кнопка служит для перезагрузки МК. Экран, соответственно, отображает информацию о громкости, станции и т.д.
ЛУТ, фоторезист и отладка
После успешных испытаний на монтажной плате мы решили создать ещё несколько прототипов методом ЛУТ (а в дальнейшем — фоторезистом). Также мы решили усовершенствовать приемник, добавив туда ещё один усилитель звука для подключения не только наушников, но и внешнего динамика. Выбор пал на PAM8403, это простой и недорогой усилитель, который требует питания 5В.
Первый прототип, изготовленный методом ЛУТ, выглядел следующим образом:
ЛУТ — хорошая штука для относительно быстрого прототипирования в домашних условиях, но когда дело доходит до двухсторонних плат, начинаются сложности. Количество компонентов на плате увеличивалось — например, мы решили разместить на плате разъем для программатора, чтобы не было необходимости каждый раз извлекать МК для перепрошивки. Так, последующий прототип стал двухсторонним, был изготовлен методом фоторезиста и стал выглядеть намного приятнее:
Следующим шагом был отказ от «навесных» компонентов, которые мы размещали на плате при помощи однорядных PINов. Так, было принято заменить усилитель на LM386N, установить преобразователь уровней CD4050BE. Всё это усложнило конструкцию, но устройство стало выглядеть намного лучше.
Итоговый прототип, изготовленный нами в домашних условиях, выглядел так:
Заказ печатных плат
В Китае можно заказать печатные платы, выполненные промышленным способом. Стоимость выходит относительно небольшой даже при малых тиражах, а время ожидания (включая доставку) как правило не превышает 2-3 недель.
Первую «партию» плат заказали на PCBWay. Так она выглядела:
Одна из проблем, с которой мы по неопытности столкнулись: металлизация «съедает» значительную часть размера самого отверстия, поэтому некоторые компоненты с трудом «влезали» в нужные отверстия. При проектировании схемы необходимо учитывать этот момент.
По результатам тестирования мы ещё немного доработали конструкцию, добавив несколько конденсаторов для более стабильной работы устройства. Собрали ещё один прототип:
Разъём USB используется для питания приёмника. Питание также подаётся при подключении программатора.
Прошивка
Текущие возможности прошивки включат в себя:
— Ручную и автоматическую настройку станций
— RDS
— Управление громкостью
— Включение режима усиленных басов
— Включение и отключение подсветки дисплея
— Отображение и динамическая визуализация уровня сигнала
В следующей, четвёртой по счёту ревизии, мы сделаем ещё несколько полезных «фишек»: подключим левый и правый каналы к аналоговым входам на МК, что позволить «визуализировать» поступающий аудиосигнал.
Кстати, возможности устройства не ограничиваются радио! Никто не мешает, например, написать какую-нибудь игру (интереса ради я сделал старый добрый Arkanoid) или другую программу, использующую возможности платы.
Production
Разработка устройства от идеи до реализации заняла около 6 месяцев, что, с практически полным отсутствием опыта в данной области, не так уж и плохо.
На данный момент у нас есть около 10 полностью собранных комплектов, которые включают в себя всё необходимое для сборки своего собственного устройства:
— МК Atmega328P-PU
— Преобразователь уровня CD4050BE
— Дисплей Nokia 5110
— Приемник RDA5807M
— Программатор USBasp
— Операционный усилитель LM386N
— Разъемы под МК и программатор
— USB B, Audio Jack 3.5, три кнопки, провода, однорядные коннекторы
— 11 резисторов и 12 конденсаторов, 4 индуктивности, кварц, стабилитрон и светодиод
— Динамик
— Печатная плата
Для сборки понадобится припой, флюс и паяльник, больше ничего не нужно.
Все комплектующие упакованы в небольшую коробку из «крафтового» картона:
Исходники прошивки уже выложены на Github; Gerber-файл, принципиальная схема и инструкция по сборке будут также опубликованы позднее.
У меня есть очень любопытный радиоконструктор. Он был выпущен в 1977 году и стоил в ту пору 10 рублей. Из этого конструктора можно собрать 35 конструкций, причём, без пайки. В качестве элемента питания используется батарейка типа «Крона».
Конструктор c неизменным успехом был испытан на детях поколений X, Y и Z. В причине этого успеха мы попробуем разобраться дальше.
Аппаратная часть
В основе конструкции лежит кассета, куда устанавливаются в определённом порядке «электронные кубики» – модули с четырьмя контактами по сторонам.
В корпусе кассеты находится конденсатор переменной ёмкости, переменный резистор в качестве регулятора громкости и батарейный отсек с подключенным к нему параллельно электролитическим конденсатором. Сразу скажу, что все электролитические конденсаторы в конструкторе я заменил на новые, а регулятор громкости – на менее изношенный.
Модули содержат перемычки или радиодетали: транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы. Есть модуль с ферритовой магнитной антенной, есть модуль с головным телефоном (наушником), и есть модуль с примитивным телеграфным ключом.
Ниже показан вид сверху и вид снизу модулей с транзисторами, диодами, резисторами и конденсаторами.
Транзисторы используются германиевые p-n-p. Тип транзисторов ГТ309. Диоды тоже германиевые — Д9. Резисторы используются МЛТ-0,25. Конденсаторы — К10-7.
Методика
В плане методики конструктор просто идеален. Сначала даётся монтажная схема устройства. Затем идёт описание назначения устройства, и только затем схема электрическая принципиальная.
Подача материала — классическая. Сначала даются схемы усилителей звуковой частоты (ЗЧ). Затем даются схемы радиоприёмников. И только потом — схемы генераторов. Причём даются не только схемы генераторов ЗЧ, но и схемы генераторов радиочастоты (РЧ)
Порог вхождения – минимальный. Собрал устройство по монтажной схеме, оно заработало. Не заработало, проверил правильность сборки. Опять не заработало, заменил батарейку.
Уже потом, если это интересно, можно попробовать разобраться в схеме. Правда, схемы нарисованы немного не по канонам журнала «Радио», но они несложные, на десяток компонентов.
Конструкции усилителей
В качестве первой конструкции усилителя даётся «классическая» схема каскада на одном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Затем идёт схема каскада ОЭ на составном транзисторе (схема Дарлингтона), указывается, что усиление такого каскада выше.
Потом даётся пример усилителя с эмиттерным повторителем (схема ОК). В описании говорится, что у схемы ОК высокое входное сопротивление и коэффициент усиления меньше единицы. Соответственно, схема усилителя с высоким входным сопротивлением даётся двухкаскадной: в качестве первого каскада используется эмиттерный повторитель, а в качестве второго каскада используется схема ОЭ.
Каскад усилителя по схеме с общей базой (ОБ) рассматривается на примере усилителя с низким входным сопротивлением. Интересной особенностью схемы является то, что смещение на базе транзистора задаётся падением напряжения на двух последовательно включенных германиевых диодах.
Среди схем усилителей в описании радиоконструктора моим фаворитом, несомненно, является конструкция усилителя ЗЧ со стабилизацией:
Усилитель двухкаскадный с непосредственной связью между каскадами. За счёт отрицательной обратной связи (ООС) обеспечивается стабилизация режима работы усилителя.
До появления недорогих и качественных операционных усилителей подобные схемы успешно применялись в приёмниках прямого преобразования, т.к. имели коэффициент усиления от 1000 до 3000. Схемы усилителей с непосредственной связью и ООС на трёх транзисторах уже имели коэффициент усиления от 10000 до 30000.
В собранном виде конструкция усилителя выглядит так:
Конструкции радиоприёмников
Самое поразительное, что конструкции классического детекторного приёмника здесь нет. Но не всё так просто: она есть, но в качестве детектора там используется единственный в схеме транзистор.
Всё дело в напряжении смещения на базе транзистора. В приведённой схеме номинал резистора в цепи базы 4,3 МОм. С таким смещением на базе транзистор работает детектором. В усилительных каскадах номинал такого резистора — 1 МОм и меньше.
Ниже приведена схема приёмника «1-V-0», где левый по схеме транзистор работает как усилитель РЧ, а правый — как детектор:
Далее в разделе есть конструкции с разными экзотическими схемами. Например, схема рефлексного приёмника, когда один и тот же каскад используется и для усиления РЧ, и для усиления ЗЧ. Или приёмник с апериодическим входом, когда колебательный контур находится не на входе первого каскада, а на его выходе. Или приёмник с эмиттерным повторителем (ОК) в первом каскаде, что даёт повышение добротности входного колебательного контура.
После экспериментов со схемами приёмников все дети обычно останавливались на схеме «1-V-1». Подобное обозначение имеют схемы радиоприёмников с одним каскадом усилителя РЧ, детектором и одним каскадом усилителя ЗЧ.
«В центре композиции» находится детектор на диодах, собранный по схеме удвоителя напряжения. Величина прямого падения напряжения на германиевых диодах — порядка 0,3 В. Чтобы обеспечить работу детектора, амплитуда сигнала радиостанции должна быть больше этого значения. Для этого сигнал радиостанции, выделенный на настроенном в резонанс входном колебательном контуре усиливается каскадом ОЭ на левом по схеме транзисторе. Выделенный детектором сигнал ЗЧ усиливается каскадом ОЭ на правом по схеме транзисторе.
На внешнюю антенну такой приёмник принимает в диапазоне СВ несколько радиостанций.
Фотография собранной конструкции радиоприёмника по схеме «1-V-1»:
Конструкции генераторов
На долю детей поколения X хватило радиовещания на диапазонах ДВ и СВ. Дети поколения Y радиовещание на ДВ уже не застали. Детям поколения Z не досталось ни одной достаточно мощной для приёма на «детектор» местной радиостанции в диапазоне ДВ или СВ.
Зато дети всех поколений любят «постучать ключом».
На базе конструктора можно собрать генераторы трёх типов. Сначала даётся схема генератора, полученная из усилителя со стабилизацией путем замыкания входа (левый по схеме вывод конденсатора 0,01 мкФ) на выход (коллектор правого по схеме транзистора):
Затем даётся пример со схемой практически симметричного мультивибратора, сделанного, как и положено, на базе двухкаскадного усилителя по схеме ОЭ:
С такими схемами можно потренироваться работать на ключе, тем более, что азбука Морзе есть в приложении.
Третий тип генераторов — генераторы с индуктивной обратной связью на одном транзисторе. Они генерируют на только сигналы ЗЧ, но и сигналы РЧ. А с такой аппаратурой уже можно выйти в эфир.
Морзянка
Самая моя любимая конструкция, как водится, последняя в списке. Это конструкция №35 «Морзянка». Диапазон длинных волн (ДВ) для радиовещания не используется уже давно, но в этом диапазоне радиоприёмник может принять сигнал «Морзянки». Правда, сигнал очень слаб, принять его можно на расстоянии 1-2 метра, но и это вызывает дикий восторг у юных радиолюбителей. Проверено на детях поколений X, Y и Z.
Внешне «Морзянка» выглядит так:
Схема её очень проста, частота генерации задаётся настройками колебательного контура, положительная обратная связь осуществляется через катушку связи магнитной антенны. Телеграфный ключ включен после электролитических конденсаторов в цепи питания для предотвращения эффекта «чириканья» (CHIRP).
Видео работы «Морзянки» в эфире:
Секрет успеха «Электронных кубиков»
Модульный конструктор «Электронные кубики» был разработан и выпускался ВНИИ «Электронстандарт».
Мой конструктор для этого института был не первым. У него был предшественник: в №11 журнала «Радио» за 1969 год была статья о подобном радиоконструкторе, выпущенном в Ленинграде. Хотя конструктор из публикации и был изготовлен в 1977 году, состав комплектующих характерен для конца 60-х.
Через пару лет, в 1979 году, ВНИИ «Электростандарт» выпустит МРК-2: «Электронные кубики» на кремниевых транзисторах. Затем последуют «ЭКОН-1» и «ЭКОН-2». У них уже своя армия поклонников.
Данных о ВНИИ «Электронстандарт» очень мало. Вот что удалось найти в описании здания института:
… в 1966 г. ПКБ-170 было преобразовано в Научно-исследовательский институт нормализации и испытаний электронной техники (НИИНИЭТ), который в 1971 г. получил статус Всесоюзного научно-исследовательского института «Электронстандарт». С 1971 г. институт является головным в Комитете оборонных отраслей промышленности по стандартизации, метрологии, надежности, радиационной стойкости электронных приборов, а также по разработке контрольно-измерительного и испытательного оборудования.
Серьёзные люди, настоящие профессионалы, очень серьёзно отнеслись к разработке детского радиоконструктора. Они подобрали правильные схемы и дали их в правильной последовательности.
Итогом их разработки стало устройство, с помощью которого любой усидчивый ребёнок собирал работающий радиоприёмник за пять минут. Кому-то хватало работающей конструкции, кто-то шёл дальше и пытался собрать из кубиков что-то своё.
Никого из моих знакомых этот радиоконструктор не оставлял равнодушным. Он был сделан увлечёнными людьми для увлечённых людей.
Облачные серверы от Маклауд быстрые и безопасные.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
После серии моих публикаций, мне посыпались вопросы, а что я могу порекомендовать для детей 6-10 лет, которым родители хотели бы показать «основы» радиоэлектроники? Я посмотрел что есть в масс-маркете и составил свой список. Он не окончательный и я надеюсь в комментариях вы выскажете свое мнение о нем и предложите свои варианты.
Начальные условия поставил такие:
- это должна быть игра или конструктор, который позволит ребенку «пощупать» азы электрики и электроники и понять, его ли это;
- все это можно купить в основных интернет-маркетах или оффлайн в неспециализированных магазинах;
- среднестатистический родитель, далекий от электричества, должен в нем разобраться тоже и помочь ребенку;
- ребенок должен разобраться самостоятельно, если у родителей нет много времени помогать.
1. Конструктор Знаток (и клоны Эврики, ND Play, Город Мастеров и др.). Огромное число наборов от самых простых до 999-в-1. Массово применяется в различных кружках, широко разрекламирован и знаком многим родителям. Дает представление об электрической схеме и сопоставляет ее с собранным «изделием», но «прячет» реальные радиодетали в соединяемые блоки, а часть модулей представляет как «черный ящик».
2. Connex
Обучающие научные набор, который помогает ознакомиться с законами физики и проверить теорию на практике. Сборка ведется на специальных макетных платах. Больше физика, чем электроника или электрика.
3. Наборы Bondibon и подобные на пружинках (но мне пружинки не очень нравятся). Очень похожи на Connex, но содержат жестко заданные схемы. Серии Научная Лаборатория, Лаборатория Электроники и т.п.
4. Наборы на макетных платах (Микроник, Позитроник). Небольшая макетная плата, настоящие радиодетали, сборка по инструкции с помощью перемычек. Принципиальных схем нет в Микронике, только визуальная сборка. В Позитронике они с ошибками.
5. Наборы на основе токопроводящего скотча от PinLab. По мне это микс Знатока и того же Микроника. Настоящие радиодетали, но визуально видно как построена электронная схема и для чего она может применяться. Плюс есть интерактивная инструкция в смартфоне.
6. Настольная Игра «Не закороти Цепь!». База для электричества (проводники, полупроводники, источники питания, резисторы, лампочки), логическая игра на 2-4 человека, «визуальная» и «схематическая» части. Прекрасное дополнение к реальным радиодеталям и макетным платам, так как помогает научить «читать» электрическую схему и определять, как течет ток, какие элементы куда подключены.
Предлагаю еще один обзор о увлекательной игрушке для детей. Как вы уже поняли из названия обзора, речь пойдет о электронном конструкторе. Что же это такое и с чем его едят?
В поисках игрушки, которой можно было бы порадовать и удивить ребенка, наткнулась на данный конструктор.
Электронный конструктор “Знаток” представляет собой набор электронных блоков и соединений, позволяющий конструировать электрические цепи без пайки.
Сначала очень возрадовалась, увидев, что производителем значилась Россия, но покопавшись еще, выяснила, что производитель все-таки Китай.
Китайцы в очередной раз удивили находчивостью — соединение происходит обычными одежными кнопками!
Идея мне понравилась и конструктор был приобретен.
Решила взять средний по количеству схем.
Игрушка рекомендуется для детей от 5 и до 99 лет.
Все детали вложены в пластиковую подставку.
Подробнейшая инструкция в деталях рассказывает, как собрать ту или иную схему – ребенку будет интересно узнать, насколько просто и интересно устроены вещи, которыми все мы пользуемся в быту.
Сознательно прячу их под спойлер, так как это не особо важная информация.
Любая схема собирается вот на такой подставке размером 28х22 см.
Детали защелкиваются по принципу одежных клёпок.
Это импровизированные провода.
Конструктор содержит 53 детали, казалось, не так уж и много, но простор для фантазии огромный.
2 батарейных отсека с крышками, батарейки в комплекте не идут.
Детали конструктора
Ну-с-с, приступим. Попробуем чего-нибудь сконструировать. Возьмем для начала простенькую схему лампы, управляемой магнитом.
Отбираем необходимые детали.
Путем легкого нажатия пристегиваем их к основанию.
Готово!
Лампочка загорелась (плохо видно, подсели батарейки).
Попробуем собрать теперь тестер электропроводности.
Здесь все просто.
Проводим эксперимент — прикладываем деревянный предмет и проверяем, является ли он проводником.
Вывод — нет, дерево не проводник.
А теперь проведем тот же эксперимент, только используем на этот раз металлическую ложку.
Лампочка загорелась, значит металл является проводником. Такая игра позволит ответить на вопросы вашего маленького почемучки.
Теперь построим летающий пропеллер. Это у нас любимая схема.
Готовим детали.
Собираем.
Нажимаем кнопку.
Пропеллер начинает вращаться, постепенно разгоняясь.
Пропеллер с пола взлетает до потолка, севшие батарейки помешали насладиться зрелищем вполне.
Теперь соорудим музыкальный дверной звонок, управляемый различными способами.
Готовим детали.
Собираем.
Включаем и слушаем мелодию.
Можно заменить динамик светодиодом.
Или фотоэлементом, тогда музыка будет играть при попадания света на фотоэлемент (по такому принципу собираются датчики рассвета и заката из инструкции).
Теперь соберем схему управления звуками звездных войн
Детали.
Например, управляем магнитом — при поднесении магнита к чувствительной детали из динамика слышатся звуки звездных войн.
И последняя из представленных схем — светодиод, управляемый звуком.
Светодиод загорается от хлопков в ладоши или громкого звука.
По такому же принципу можно сделать звуковую сигнализацию, заменив светодиод динамиком.
Схем еще очень много, можно собрать настоящее радио и детектор лжи, но более не смею вас утомлять.
Спасибо за внимание!
Вывод
С помощью конструктора вам не смоставит труда объяснить ребенку школьного и даже дошкольного возраста как устроено радио, как зажигается лампочки и ответить на трудные вопросы из области электроники.
Читайте также: