Digitale FM-ontvanger met Arduino en TEA5767

Om een FM-ontvanger te bouwen, kunnen ontwerpers gebruik maken van sterk geïntegreerde chips, zoals de TEA5767 van NXP. Hier beschrijven we een FM-ontvanger met een afstembereik van 76 Mhz tot 108 MHz en 2 x 3 W stereo-geluidsweergave. Een Arduino Nano leest drie drukknoppen voor het afstemmen en toont de FMzendergegevens op een LCD.

FM-ontvangers behoren tot de meest populaire schakelingen van elektronicaliefhebbers. In dit artikel beschrijf ik een compleet ontwerp voor een digitale FM-ontvanger, die is uitgerust met een LC-display en drie druktoetsen. Hij kan zoeken naar FM-signalen in het bereik van 76...108 MHz en kan met de hand worden afgestemd maar ook automatisch afstemmen (scan-modus). De signaalsterkte wordt ook als staafdiagram op het LC-display getoond. Het audiosignaal wordt versterkt door een hoogwaardige, krachtige 3 W + 3 W klasse-D stereoversterker. Voor de aansturing van de ontvanger gebruik ik de goedkope en populaire Arduino Nano.

Hardware

Figuur 1 toont het schema van de ontvanger. De schakeling bestaat uit drie delen: de FM-ontvangermodule, de audioversterker en het digitale gedeelte met de Arduino Nano om de ontvanger te bedienen. Daarnaast hebt u nog een telescoopantenne, een voeding en twee 8Ω-luidsprekers nodig om deze eenvoudige digitale FM-ontvanger te completeren.

200633 fig 1.jpg — Figuur 1. Het schema van de FM-ontvanger.

Ontvangst van het radiosignaal

De FM-ontvangermodule is gebaseerd op de TEA5767; dit is een bekend IC dat via een I2C-bus wordt aangestuurd. Hij bestrijkt het FM-frequentiebereik van 76 MHz tot 108 MHz en levert een stereo-audiosignaal (L en R) dat moet worden versterkt. Zelfs voor een oortelefoon is het audio-signaalniveau van de TEA5767 te gering. Frequentie-afstemming en signaalsterkte-meting worden uitgevoerd door de Arduino Nano-code.

Een RC-laagdoorlaatfilter (R4, C7, C8, en C9) reduceert ruis op de voedingsspanning. R5 en R6 zijn verplichte pull-up weerstanden voor de I2C-bus. CON1 is een UFL-connector voor de aansluiting van een antenne. Figuur 2 toont de TEA5767-module.

200633 fig 12.jpg — Figuur 2. De FM-ontvangermodule TEA5767

De audioversterker

De PAM8403 is een 3 W + 3 W klasse-D hifi-versterker die slechts een enkele 5V-voeding nodig heeft. Het maximale uitgangsvermogen wordt bereikt met 4Ω-luidsprekers; voor dit project worden echter 8Ω-luidsprekers aanbevolen om de dissipatie in de spanningsregelaar (IC2) te beperken. Volgens de datasheet “is de PAM8403 een 3-W klasse-D audioversterker. Hij biedt een lage THD+N, waardoor een geluidsweergave van hoge kwaliteit kan worden bereikt. Dankzij de nieuwe filterloze architectuur kan het IC de luidspreker rechtstreeks aansturen, zodat geen laagdoorlaat-uitgangsfilters nodig zijn en dus systeemkosten en printruimte worden bespaard.”

C1, C2, en C3 worden gebruikt voor ruisontkoppeling bij de voedingsaansluitingen, R2, R3, C4, en C5 worden gebruikt om het audiosignaal naar de versterker te leiden. Ook vormen ze RC-hoogdoorlaatfilters om laagfrequente ruis te verwijderen. Figuur 3 toont het referentie-ontwerp van het PAM8403-IC. P1 en P2 zijn haakse tweepolige XH-connectoren om de luidsprekers op de print aan te sluiten. POT1 is de volumeregelaar

200633 fig 3.jpg — Figuur 3. Referentie-ontwerp voor de PAM8403- stereoversterker (bron: Diodes Incorporated).

Arduino regelt het

AR1, een Arduino Nano-board (zie figuur 4), wordt gebruikt om de digitale FM-ontvanger aan te sturen, alsmede een standaard 8 x 2-karakter alfanumeriek LCD (LCD1). Het leest drukknoppen SW1, SW2 en SW3 in en reageert daarop, en zendt data naar en ontvangt data van de TEA5767 via de I2C-bus. R1 stelt het contrast van het LC-display in en C10, C11, en C13 worden gebruikt voor het ontdenderen van de drukknoppen.

200633 fig 4.jpg — Figuur 4. De Arduino Nano-module.

Voeding

De 7805-spanningsregelaar in D2PAKbehuizing is de belangrijkste component van de voeding, en zorgt voor een stabiele +5V-voeding voor de schakeling. C12, C14 en C15 worden gebruikt voor ontkoppeling, en de in POT1 geïntegreerde schakelaar (de stereo-volumeregelaar) is de aan/ uit-schakelaar.

6 .png

Print-layout en bouw

Figuur 5 toont de print-layout van de digitale FM-ontvanger.

200633 fig 5.jpg — Figuur 5. PCB-layout van de ontvanger.

Hoewel de meeste onderdelen op de print SMD’tjes zijn, is het solderen niet al te moeilijk met een kleine soldeerbout en dun soldeertin. Begin met de SMD-onderdelen, neem de tijd en controleer de soldeerverbindingen van elk onderdeel voordat u verder gaat met het volgende. Bewaar de through-hole onderdelen tot het laatst en let goed op aan welke kant van de print ze gesoldeerd moeten worden. De Arduino Nano-print wordt aan de onderzijde gemonteerd, en het LCD komt aan de bovenzijde van de print, bij voorkeur op busstrips. De juiste oriëntatie van de TEA5767-ontvanger is aangegeven met een kleine rechthoek op de print, die het kristal op de module symboliseert.

In figuur 6 ziet u de 3D-weergaven van de print, waaruit de opbouw van de ontvanger duidelijk wordt.

200633 fig 6.jpg — Figuur 6. 3D-weergaves van de print.

Figuur 7 toont de hoogwaardige printen van de digitale FM-ontvanger.

200633 fig 7.jpg — Figuur 7. Bovenaanzicht gemonteerde print, plus 3 ‘kale’ printjes.

Voor de duidelijkheid is in figuur 8 de opgebouwde print van boven en in figuur 9 van onder te zien.

200633 fig 8.jpg — Figuur 8. Gemonteerde ontvanger, bovenaanzicht

200633 fig 9.jpg — Figuur 9. Gemonteerde ontvanger, onderaanzicht.

U hebt vier afstandsbusjes van 5 mm nodig om het LCD op de print te bevestigen. Voor de aansluiting van de antenne op de print gebruikt u een UFL-naarSMA F-connector (zie figuur 10).

Figuur 10. Antennekabels met kleine UFL- en grotere SMA-connectoren.

Figuur 11 toont een bruikbare telescoopantenne.

In figuren 6 tot en met 9 is een eerdere versie van de print afgebeeld; de verschillen met de definitieve layout zijn echter minimaal!

Bediening van de ontvanger

De laagste te ontvangen frequentie is 76,0 MHz en de hoogste is 108,0 MHz. U kunt de frequentie in stapjes van 0,1 MHz verhogen of verlagen door op de knoppen Up (SW1) resp. Down (SW2) te drukken. Als u deze knoppen langer ingedrukt houdt, wordt de frequentie continu verhoogd of verlaagd. Het is dus vrij eenvoudig om de ontvanger af te stemmen op de door u gewenste frequentie (FM-zender). Bovendien kan de ontvanger met de Scan-knop (SW3) automatisch FM-zenders met voldoende signaalsterkte opsporen en de ontvanger op die frequenties vergrendelen. Om het volgende station te zoeken, drukt u opnieuw op Scan.

De FM-signaalsterkte wordt op het LC-display weergegeven in de vorm van een staafdiagram. Rechts van deze balk wordt aangegeven of het ontvangen signaal mono (“MN”) of stereo (“ST”) is. In figuur 12 is de ontvanger afgestemd op een krachtige mono FM-zender op 100,0 MHz.