BK1198 RECEPTOR SINGLE-CHIP AM / FM / SW SUPERHETERODINO
- SSOP de 22 pinos com saídas estéreo FM completas e um barramento de dados digital para sistemas estéreo de tamanho normal;
- SOIC de 16 pinos com saída mono apenas, projetada para aplicações portáteis de baixo custo. Este artigo se referirá a ela.
Observe que não existe uma versão DIP de 16 pinos de tamanho padrão deste chip. Se não estiver usando uma placa de circuito projetada especificamente para o BK1198 SOIC-16, recomendamos o uso de uma placa adaptadora de SOIC para DIP, que está prontamente disponível. Embora o fabricante recomende o uso de circuitos sintonizados nas entradas AM e FM, em áreas de recepção razoáveis, resultados bastante bons podem ser obtidos com apenas um simples pedaço de fio conectado às entradas AM e FM. Em geral, entretanto, os melhores resultados em AM são obtidos com uma haste de ferrite convencional com uma bobina enrolada. Além dessas duas bobinas e do oscilador de referência de cristal, o resto do receptor é inteiramente implementado em silício; não há bobinas externas, filtros de cerâmica ou outros componentes de modelagem de banda. À primeira vista, pode parecer um sistema sintonizado por tensão semelhante a projetos anteriores usando diodos varicap, mas na verdade o único propósito da tensão de sintonia é informar o processador de controle da posição angular do potenciômetro de sintonia. Uma vez que isso seja estabelecido, o sistema de sintetizador/decodificador de frequência funciona de forma idêntica a um modelo selecionado por botão. Um cristal de relógio barato de 32,768 KHz é usado como uma referência de frequência para estabilizar o VCO interno. A seleção da banda é alcançada de forma semelhante.
FORMA DE SELEÇÃO DAS FAIXAS
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Dezoito (18) bandas diferentes podem ser selecionadas conectando o pino 15 a uma das 18 derivações na cadeia divisora de tensão conectada à mesma tensão regulada que o potenciômetro de seleção da estação. O fabricante sugere resistores de 18 x 20K com 10K na parte superior e inferior da corrente, mas isso não é crítico.
Os valores de 10K e 20K são escolhidos simplesmente porque 20K é exatamente o dobro do valor de 10K. Também não é necessário usar todos os 20 resistores. No circuito de exemplo mostrado abaixo, apenas quatro bandas são usadas e os valores do resistor foram calculados pela adição de todos os resistores que foram pulados. Além disso, ao tornar “2R” igual a 22K, todos os valores de resistor agrupados - 33K, 22K, 220K, 56K, 68K - funcionam muito próximos aos valores preferidos de E12. A cobertura de frequência de cada banda é controlada por valores configurados na memória flash.
O chip vem pré-programado com um bom conjunto de faixas, mas podem ser reprogramadas via interface serial. FM3 foi escolhido porque cobre todas as frequências FM usadas em todo o mundo, e você pode pegar algo interessante em países que não usam parte da banda.
Da mesma forma, AM3 foi escolhido porque cobre a faixa de frequência mais ampla e funciona em passos de 1kHz. SW 10 e SW 11 cobrem quase toda a banda de ondas curtas até cerca de 22 MHz e são rotulados como SW1 e SW2 no que diz respeito ao receptor. Não há nada que o impeça de construir uma rede de resistor R-2R completa e conectar uma chave para selecionar a faixa de frequência que melhor se adapta às suas preferências.
Uma vez que o circuito foi construído, não é necessário alinhamento (calibração) ou outra configuração; ele deve funcionar com desempenho total automaticamente. O pino de entrada AM possui um diodo interno varicap que atinge automaticamente a bobina da antena AM cada vez que uma estação é selecionada.
OSCILADOR DE CRISTAL
A referência de frequência mestre é um cristal padrão de 34,768kHz, do tipo comum usado em relógios. Isso é usado como referência para o “sub-mestre” interno, do qual todos os outros sinais de processamento são derivados. O receptor ainda funcionará sem o cristal, embora haja algum desvio e a escala do dial possa não rastrear. Outro problema é que o receptor nem sempre pode retornar à frequência em que estava sintonizado quando foi desligado.
PROJETO DO RECEPTOR
O projeto do receptor é super-heteródino, mas com uma frequência intermediária (IF) incomumente baixa de cerca de 70kHz (o número exato não é fornecido no datasheet original). Um FI tão baixo permite que a modelagem passa-banda seja realizada por filtros digitais de precisão; não há nenhum componente de modelagem de passa-banda IF externo. Embora essa abordagem de projeto tenha se tornado comum com receptores VHF e UHF (rádio FM, TV digital, etc.), ela não foi vista anteriormente em receptores AM, devido aos desafios de se obter uma relação sinal-ruído adequada. No entanto, tem havido uma pressão considerável sobre os fabricantes (principalmente de varejistas dos EUA), para que tratem a recepção de AM com mais "respeito", como em grandes áreas do país, AM é basicamente "o único jogo na cidade ..." Leitores experientes saberão que um FI tão baixo normalmente causaria problemas de “Interferência de imagem”. Esse problema é superado pelo uso de uma técnica de circuito mais complexa conhecida como "mixer (misturador) balanceado de quadratura dupla".
Embora essa técnica seja agora quase universalmente usada em sintonizadores VHF e UHF “todo de silício” (sintonizadores de rádio e TV digitais, rádios FM e transceptores), até recentemente não era empregada para AM e ondas curtas, porque o circuito de processamento digital necessário não era suficiente silencioso. Avanços recentes no design de chips de “sinais mistos” (fabricando circuitos analógicos e digitais no mesmo chip) tornaram possível o AM de chip único de alto desempenho.
100 ANOS DA “SUPERHET” (1918 - 2018), O SUPERHETERODYNE
O termo super-heteródino é uma contração de heteródino supersônico e foi originalmente concebido pelo Major Edwin Armstrong do Corpo de Sinais do Exército dos EUA durante a Primeira Guerra Mundial, para resolver um problema inerente às primeiras válvulas triodo usadas na época.
(Nota: existem muitos outros requerentes para este título e na verdade, a patente de Armstrong foi posteriormente anulada com base em um deles, mas Armstrong foi a única pessoa que demonstrou ter realmente construído tal receptor na época. Muitas dessas reivindicações de "A prioridade histórica" acabou por ter se originado com tentativas de advogados de empresas rivais de invalidar patentes lucrativas. As patentes eventualmente expiram e são esquecidas, mas infelizmente os contos "Eu fui o primeiro" não têm datas de validade ... Além disso, o potencial comercial de muitos grandes invenções não eram nada óbvias na época em que foram patenteadas, sendo o gramofone e o filme cinematográfico apenas mais dois exemplos).
Em 1914, a Inteligência Britânica descobriu que a Marinha Alemã estava usando os chamados transmissores de faísca de Ondas Curtas para comunicações dentro da frota. Naquela época, ondas curtas significava basicamente qualquer coisa acima de 500 kHz, e os sinais detectados estavam em torno de 1 MHz, que é o meio do que hoje chamamos de banda de rádio AM atual. (a transmissão de rádio AM como a conhecemos não começou até 1920).
Os alemães presumiram que tais sinais não poderiam ser detectados muito além do horizonte, de modo que poderiam ser usados como um meio razoavelmente seguro para o tráfego de comunicações cotidianas. Completamente sem o conhecimento deles, a inteligência britânica logo descobriu que os sinais poderiam de fato ser interceptados do Reino Unido com um receptor sensível o suficiente e, usando antenas de localização, eles puderam determinar com precisão tanto o posição e velocidade das frotas alemãs, que eram de enorme importância estratégica.
No entanto, as válvulas de rádio de alto vácuo pliotron de última geração que eles estavam usando datam de cerca de 1912-13, e entender sua operação real ainda era um trabalho em andamento. Eles funcionaram bem como amplificadores de radiofrequência até cerca de 100 kHz, mas acima disso, eles só podiam fornecer uma pequena quantidade de amplificação (“ganho”) antes de entrar em oscilação incontrolável. Sob pressão de emergência de tempo de guerra, para amplificação das ondas curtas, a Inteligência Britânica adotou a abordagem de força bruta de simplesmente amarrar um grande número de estágios de baixo ganho juntos, (cada um com um ganho típico de 5-10%) para produzir um alto estável - mais um amplificador razoavelmente confiável. Isso custava muito dinheiro, consumia uma grande quantidade de energia elétrica e ocupava a maior parte de um cômodo. No entanto, os resultados foram tão bem-sucedidos que o Almirantado achou que era dinheiro bem gasto.
Em 1918, Armstrong recebeu permissão para visitar uma dessas instalações ultrassecretas e imediatamente apreciou o valor do sistema, mas também percebeu que seria totalmente impraticável para uma instalação móvel, como em um navio. Então, de repente, ele teve uma ideia; talvez o problema pudesse ser resolvido em um único golpe usando um dispositivo “Heterodyne” (heteródino) para converter os sinais de ondas curtas para uma frequência mais baixa que poderia ser amplificada com mais eficiência pelos tríodos primitivos do dia. O processo heteródino, onde duas frequências são misturadas em conjunto para produzir outras frequências já era bem conhecido, mas era principalmente usado para tornar audíveis os sinais de código Morse (CW). Os transmissores de faísca produziram um zumbido claro e agradável nos fones de ouvido, mas com as ondas portadoras de onda senoidal pura (CW) dos mais novos (e muito mais eficientes) tipos de transmissores usando alternadores de alta frequência, o código Morse seria ouviu uma série de cliques ou pancadas. Com transmissores do tipo alternador, uma solução elegante para o problema era realmente ter dois alternadores no mesmo eixo, produzindo frequências de 3 kHz ou mais afastadas, o que resultaria nos pontos e traços de Morse sendo ouvidos como uma nota de batida de 3 kHz nos fones de ouvido.
Isso foi chamado de heteródino (em grego: “gerado por uma diferença" (na frequência). Quando os receptores de válvula se tornaram disponíveis, era mais prático usar uma única frequência portadora e ter um oscilador local baseado em válvula para fornecer o sinal heteródino no receptor. Isso também permitiu que os operadores ajustassem o tom de acordo com suas próprias preferências (hoje em dia isso é conhecido como Oscilador de frequência de batida ou BFO). Os operadores notaram que se a frequência do oscilador local fosse movida para muito longe da frequência da portadora, os sinais recebidos aumentariam em tom até que não fossem mais audíveis. Eles haviam se tornado supersônicos (o que na época significava: “acima do alcance da audição humana” e não “viajando mais rápido que o som” como agora).
Até a invenção de Armstrong, não havia nenhuma aplicação prática para esse fenômeno, mas ele logo foi capaz de verificar se os sinais de entrada tinham de fato sido deslocados para uma frequência supersônica diferente e não eram alterados. Por exemplo, para receber um sinal de 1 MHz em um receptor de 60 kHz existente, ele só precisava conectar a entrada da antena do receptor de 60 kHz à tomada de fone de ouvido do receptor heteródino e definir o oscilador para 1,06 MHz. Uma nova versão do sinal original de 1 MHz seria então exibida em 60 kHz, (1,06 MHz - 1 MHz) onde poderia ser amplificado de forma eficiente por um receptor de válvula de Tuned Radio Frequency (TRF) existente de 60 kHz separado. Na época, esses receptores estavam prontamente disponíveis, já que até a década de 1920, a maioria das comunicações era realizada em frequências bem abaixo de 100 kHz.
Na verdade, a mixagem de dois sinais diferentes como esse, produz as chamadas frequências de soma e diferença, portanto, no exemplo acima, haveria sinais em 60 kHz e 2,06 MHz (1,06 MHz + 1 MHz). Normalmente, isso não é um problema em si, pois os filtros de 60kHz rejeitam completamente o sinal de 2.06MHz. O problema é, neste caso, onde pode haver outra estação transmitindo em 1,12 MHz (ou seja; 1MHz + 60kHz + 60kHz). Nessa situação, ambas as frequências produzirão um heteródino de 60kHz: 1,06MHz - 1MHz = 60kHz e 1,12Mhz - 1,06Mhz = 60kHz. O sinal indesejado é conhecido como frequência de imagem.
Nos primeiros super-heteródinos, nesse caso particular, esse problema poderia ser reduzido configurando o oscilador local para 60kHz abaixo da frequência de entrada em vez de acima dela (ou seja, 940kHz). Isso ainda daria a IF (frequência intermediária) de 60kHz, já que 1MHz - 940kHz = 60kHz, mas desta vez a ofensiva frequência de imagem produziria 1,12MHz-940kHz = 180kHz, que seria rejeitada pelos filtros de 60kHz. No entanto, se houvesse outro sinal em 880kHz, isso também atuaria como uma frequência de imagem, pois 940-880 também é igual a 60! Na prática, o operador simplesmente “navegaria” entre as duas configurações para obter o sinal mais claro.
Outra abordagem é pré-filtrar pesadamente os sinais de entrada para que apenas a frequência desejada chegue ao mixer, usando um circuito sintonizado separado para o Ajuste da Antena. Embora isso ajude, com IFs baixos, como 60 kHz, as frequências da imagem estão muito próximas para serem filtradas com eficácia pelo circuito de filtragem. No entanto, para a aplicação original de Armstrong, não havia muitas frequências de imagem com que se preocupar; só quando a transmissão de rádio começou é que isso se tornou um problema. No início da década de 1920, os engenheiros descobriram o que tornava os amplificadores triodos instáveis, e Louis Hazeltine geralmente recebe o crédito por desenvolver a técnica de neutralização, que tornou os receptores de rádio TRF domésticos razoavelmente práticos e acessíveis pela primeira vez. Os super-heteródinos certamente deram melhores resultados, mas com maior custo e complexidade operacional e, portanto, foram usados principalmente pelos militares e em locais remotos. Para rádios domésticos, a abordagem TRF foi adequada e foi mais barata e fácil de usar. Qualquer pessoa familiarizada apenas com receptores super-heteródinos modernos (ou mesmo não tão modernos) iria mal reconhecia uma versão dos anos 1920. Eles normalmente não usavam bobinas com núcleo de ar para o circuito do amplificador IF, a maioria dos superhets da década de 1920 usava transformadores com núcleo de ferro especialmente enrolados com uma frequência de ressonância natural de cerca de 60 kHz. Esta é a razão pela qual ainda são frequentemente chamados de transformadores de IF.
No entanto, na década de 1930, tipos totalmente novos de válvulas foram desenvolvidos, o que reduziu enormemente o custo e a complexidade dos super-heteródinos. O problema de interferência de imagem foi quase completamente eliminado mudando a frequência intermediária para cerca de 450 kHz. Isso tornava a frequência desejada e a frequência indesejada da imagem em torno de 900 kHz, significando que um único circuito de antena sintonizado era mais do que suficiente para suprimir as frequências indesejadas. (Ironicamente, as novas frequências intermediárias "altas" de aproximadamente 450 kHz estavam na faixa de onda curta original com a qual os primeiros projetos de triodo tinham problemas e para a qual o circuito do super-heteródino foi projetado para resolver!).
Eventualmente, por acordo internacional (1947), o receptor AM padrão IF na maioria dos países tornou-se 455kHz ou muito próximo disso. Na década de 1970, os fabricantes começaram a usar ressonadores de cerâmica não ajustáveis de 455 kHz, o que acabou tornando exatamente 455 kHz o padrão de fato em todos os lugares. Quando a transmissão FM começou na banda VHF de 88-108 MHz, um IF de 455 kHz não era viável devido ao amplo desvio de FM e à incapacidade dos circuitos sintonizados de VHF práticos de rejeitar as frequências de imagem de + 910 kHz. Para FM, uma frequência IF padrão de 10,7 MHz foi eventualmente escolhida. Para atender ao requisito de sintonizadores operados por controle remoto em sistemas HiFi e rádios de automóveis, os capacitores de sintonia mecânica foram substituídos por diodos varicap (varactor), onde as mudanças de capacitância foram efetuadas alterando a polarização reversa nos diodos, em vez de simplesmente girando os capacitores. Fora isso, os receptores eram geralmente semelhantes aos projetos que usam capacitores de sintonia mecânica.
No entanto, a necessidade de receptores mais compactos em aparelhos de som pessoais levou ao desenvolvimento de projetos de receptores “sem bobina”, onde todo o processamento e filtragem do sinal é realizado por circuitos gravados em chips de silício em vez de usar componentes externos. Embora isso fosse relativamente fácil de fazer com VHF FM e receptores de TV, continuou sendo um grande desafio para a recepção de AM. Onde a recepção AM era necessária, esses receptores tendiam a reverter para o design sintonizado varicap tradicional com componentes de sintonia externos, tanto para AM quanto para FM.
O ancestral do sintonizador de silício foi o integrado Philips TDA7000, lançado na década de 1970. Ele ainda tinha antena externa e ajuste do oscilador, mas quase todo o resto foi implementado em silício analógico. Ele usava um IF muito baixo de cerca de 70 kHz, já que isso era tudo o que poderia ser obtido usando filtros RC ativos na época. Claro que o desvio FM de +/- 75kHz é muito maior do que isso, mas o TDA7000 contornou isso com um circuito engenhoso que usava feedback negativo da saída de áudio para "cancelar" parte do desvio, modulando a frequência do oscilador local . Seria de se esperar que um IF tão baixo criasse grandes problemas com a interferência de imagem, particularmente porque nenhuma sintonia de antena foi usada, no entanto, a modulação da frequência do oscilador local tem o efeito fortuito de espalhar frequências potencialmente interferentes, de modo que aparecem como ruído de baixo nível que é ignorado . Praticamente o mesmo circuito ainda é usado nos receptores em miniatura incorporados a telefones celulares e similares, só que agora eles são verdadeiramente sem bobina. O oscilador local é, na verdade, um tipo especial de multivibrador travado a cristal que pode ter uma faixa de 30 MHz a 1 GHz! Embora a técnica de “espalhamento de frequência de imagem” funcione bem para FM, ela não se aplica a receptores AM, portanto, técnicas mais complexas são necessárias para evitar a interferência de imagem. Esse é particularmente o caso de sintonizadores de TV totalmente de silício, que podem operar em ambientes lotados de TV a cabo com centenas de canais. Isso é mais comumente obtido usando um circuito conhecido como Dual Quadrature Balanced Mixer.
Um misturador superheteródino comum era geralmente apenas uma válvula ou transistor que estava basicamente ligado e desligado pelo sinal do oscilador local. A saída desse tipo normalmente contém uma mistura dos sinais de entrada desejados e interferentes, o sinal do oscilador, as bandas laterais superior e inferior, além de quantidades variáveis de harmônicos de todos eles. Geralmente, a maior parte disso é filtrada pelos circuitos sintonizados de IF, deixando apenas a banda lateral inferior, que forma o sinal de IF. Com um mixer (misturador) balanceado operando corretamente, tudo o que aparece na saída são as bandas laterais superior e inferior, todo o resto é suprimido. Mas se configurarmos um segundo mixer balanceado, onde os sinais de entrada e o sinal do oscilador foram deslocados em 90 graus, e então combinar os dois conjuntos de bandas laterais de saída, uma coisa notável acontece: apenas uma banda lateral é produzida. Pode ser a banda lateral superior ou inferior, dependendo de como o sistema está configurado. (os radioamadores podem reconhecer que este é o coração de muitos projetos de transmissores de banda única - SSB - de baixo custo). Novamente, vamos supor que se deseja receber uma estação AM em 1 MHz. Com um IF de 70kHz, isso significa configurar o oscilador local para 1,07MHz. Com um mixer convencional, isso significa que se também houver um sinal em 1 + 0,07 + 0,07 = 1,14Mhz, isso também produzirá uma banda lateral inferior indesejada de 70kHz.
Com um misturador de quadratura dupla, ele pode ser configurado de forma que a única frequência do sinal de saída seja a frequência do sinal de entrada subtraída da frequência do oscilador. Então 1,07 MHz - 1,0 MHz = 0,07 MHz (70 kHz), que é o que queremos, mas quanto à frequência da imagem, temos 1,07 MHz - 1,14 MHz, que sai como menos 70 kHz! Então, o que “menos 70kHz” significa? Bem, nada de importante para o filtro IF de 70kHz! Como os sinais de frequência dispersa no receptor FM sem bobina, o sinal de imagem indesejado aparece como ruído de baixo nível espalhado pelo espectro AM. Quão eficaz é isso? No caso do BK1198, extremamente eficaz. Você realmente nem precisa de um circuito sintonizado com antena AM; em áreas de recepção razoáveis, um pequeno comprimento de fio soldado diretamente ao pino de entrada AM funcionará muito bem. A antena de ferrite tem menor captação de ruído, por isso é recomendada (além de ser boa e compacta). Não é tão eficaz em ondas curtas, mas você ainda precisa procurar por interferência de imagem para encontrá-lo.
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