Digitaler UKW-Empfänger
Von Hesam Moshiri (Iran)
Auch wenn UKW seit Jahren das Ende prophezeit wird, gehören UKW-Empfänger immer noch zu den beliebtesten Schaltungen eines jeden Elektronik-Enthusiasten. In diesem Artikel stelle ich ein komplettes digitales UKW-Radio mit drei Bedientasten und einem LC-Display vor. Es kann sowohl manuell als auch automatisch im Scan-Modus nach UKW-Signalen im Bereich von 76...108 MHz abgestimmt werden. Die Signalstärke wird als Balkendiagramm auf dem LC-Display angezeigt. Das Audiosignal wird von einem hochwertigen und für unsere Zwecke ausreichend leistungsstarken Class-D-Stereoverstärker mit 2 x 3 W verstärkt. Zur Steuerung des Empfängers kommt das preiswerte und beliebte Arduino-Nano-Board zum Einsatz.
Die Hardware
Bild 1 zeigt die vollständige Schaltung mit den drei Hauptteilen FM-Empfängermodul, Audioverstärker und digitale Steuerabteilung mit dem Arduino Nano. Mit einer Teleskopantenne, einer Stromversorgung und zwei 8-Ω-Lautsprechern wird daraus ein einfaches „digital gesteuertes“ UKW-Radio.
Empfang des Funksignals
Das FM-Empfängermodul basiert auf dem TEA5767. Dabei handelt es sich um ein altbekanntes IC, das über den I2C-Bus gesteuert werden kann. Er deckt (mehr als) den UKW-Frequenzbereich von 76...108 MHz ab und gibt L- und R-Audiosignale aus. Diese Audiosignale müssen verstärkt werden, denn selbst für einen Kopfhörer ist der Audiosignalpegel des TEA5767 zu niedrig. Frequenzabstimmung und Signalstärkemessung werden durch einen Sketch im Arduino Nano vorgenommen.
Ein RC-Tiefpassfilter (R4, C7, C8 und C9) reduziert das Rauschen der Stromversorgung. R5 und R6 sind die obligatorischen Pull-up-Widerstände für den I2C-Bus und CON1 ist ein UFL-Verbinder für den Antennenanschluss. Bild 2 zeigt den TEA5767 mit seiner Peripheriebeschaltung auf dem Breakout-Board.
Der Audio-Verstärker
Der PAM8403 ist ein 2x3-W-Class-D-Verstärker mit HiFi-Qualitäten, der mit nur einer einfachen 5-V-Versorgung betrieben werden kann. Die maximale Ausgangsleistung wird mit 4-Ω-Lautsprechern erreicht, allerdings empfehlen wir für dieses Projekt 8-Ω-Lautsprecher, um die Verlustleistung im Spannungsregler (IC2) zu begrenzen. Im Datenblatt heißt es vielversprechend: „Der PAM8403 ist ein 3-W-Audioverstärker der Klasse D. Er bietet einen niedrigen THD+NWert, wodurch eine hochwertige Klangwiedergabe erreicht wird. Die neue filterlose Architektur ermöglicht es dem Baustein, den Lautsprecher direkt anzusteuern, so dass keine Tiefpass-Ausgangsfilter erforderlich sind und somit Systemkosten und Leiterplattenfläche eingespart werden können.“
C1, C2 und C3 dienen der Rauschentkopplung an den Stromversorgungspins. Das Stereo-Audiosignal gelangt über R2/C4 und R3/C5 zum Verstärker. Die beiden RC-Hochpässe unterdrücken niederfrequentes Rauschen. Bild 3 zeigt die Referenzschaltung des PAM8403, wie sie im Datenblatt angegeben ist. P1 und P2 sind gewinkelte zweipolige JST-XH-Anschlüsse für die Verbindung der Lautsprecher an die Platine. An POT1 wird nicht nur die Lautstärke eingestellt, sondern auch das Gerät ein- und ausgeschaltet (siehe Kasten „Dem Poti auf der Spur“).
Arduino als Steuerzentrale
AR1 ist ein Arduino-Nano-Board (Bild 4), das zur Steuerung des digitalen UKW-Empfängers verwendet wird. Es kümmert sich um die Anzeige (LCD1) im alphanumerischen Standard-LCD mit 8 x 2 Zeichen, liest den Zustand der Drucktasten (SW1, SW2 und SW3), reagiert auf deren Betätigung und sendet/empfängt schließlich die TEA5767-Daten über den I2C-Bus. R1 stellt den Kontrast des LCDs ein, C10, C11 und C13 entprellen die Taster.
Spannungsversorgung
Der Spannungsregler 7805 im D2PAK-Gehäuse ist die Hauptkomponente der Stromversorgung und stellt eine stabile +5-V-Versorgung für die Schaltung bereit. C12, C14 und C15 dienen der Rauschentkopplung und der im Stereo-Lautstärkepotentiometer integrierte Schalter schaltet das Gerät ein und aus.
Platinenlayout und Montage
Bild 5 zeigt das Platinenlayout des digitalen UKW-Empfängers. Sie können die vom Autor erstellten Gerber- und Bohrdateien für die Platine von der Projektseite auf der Elektor Labs Website herunterladen und die Platine selber produzieren oder diese Arbeit Ihrem bevorzugten Platinenlieferanten überlassen
Obwohl die meisten Bauteile auf der Platine SMDs sind, sind sie doch so „groß“, dass Ihnen das Löten mit einem kleinen Lötkolben und dünnem Lötdraht nicht allzu schwer fallen dürfte. Beginnen Sie mit den SMD-Bauteilen, nehmen Sie sich Zeit und prüfen Sie die Lötstellen jedes Bauteils, bevor Sie mit dem nächsten fortfahren. Heben Sie sich die bedrahteten Bauteile bis zum Schluss auf und achten Sie genau darauf, auf welche Seite der Platine sie gelötet werden sollen. Die Arduino-Nano-Platine wird auf der Unterseite montiert, das LCD befindet sich auf der Oberseite der Platine, vorzugsweise in Buchsenleisten gesteckt. Die korrekte Ausrichtung des TEA5767-Empfängers ist mit einem kleinen Rechteck auf der Platine markiert, das den Quarz auf dem Modul darstellt.
Die 3D-Ansichten der Platine in Bild 6 verdeutlichen den Aufbau.
Bild 7 zeigt die hochwertig gefertigten Platinen des digitalen UKW-Empfängers
Bild 8 zeigt die bestückte Platine von oben, Bild 9 von unten.
Sie benötigen außerdem vier 5-mm-Abstandshalter, um das LCD auf der Platine zu befestigen. Sie sollten ein kurzes Adapterkabel UFL-auf-SMA-F-Stecker (Bild 10) verwenden, um Ihre Teleskopantenne (Bild 11) mit der Platine zu verbinden.
Bitte beachten Sie, dass in den Fotos eine frühe Version der Platine gezeigt wird, die aber nur geringfügige Unterschiede zum endgültigen Layout aufweist!
Arduino-Sketch
Der Arduino-Sketch für das UKW-Radio (FM_ receiver.ino) steht auf der Elektor-Labs-Seite dieses Projekts zum Download bereit. Die beiden Bibliotheken für das LCD (LiquidCrystal) und für den I2C-Bus (Wire) sind standardmäßig in der Arduino IDE enthalten, die TEA5767-Bibliothek muss jedoch von GitHub heruntergeladen und manuell installiert werden. Kopieren Sie dazu einfach die Dateien TEA5767.CPP und TEA5767. H in den Ordner in dem der Sketch gespeichert ist, schließen Sie den Arduino Nano an den Computer an, kompilieren Sie den Code und laden Sie ihn hoch. So einfach ist das!
Betrieb des Empfängers
Die untere Frequenzgrenze liegt bei hierzulande ungewöhnlichen 76,0 MHz und die obere Grenze bei 108,0 MHz. Mit den Tasten Up (SW1) und Down (SW2) kann die Frequenz um 0,1 MHz erhöht beziehungsweise verringern werden. Wenn Sie diese Tasten lange drücken, wird die Frequenz kontinuierlich erhöht oder verringert. Es ist also ziemlich einfach, den Empfänger auf die gewünschte Frequenz des UKW-Senders abzustimmen. Außerdem kann der Empfänger mit der Scan-Taste (SW3) automatisch UKW-Sender mit ausreichender Signalstärke finden und den Empfänger auf einer solchen Frequenz fixieren. Um den nächsten Sender zu suchen, drücken Sie dann erneut die Scan-Taste.
Die FM-Signalstärke wird auf dem LC-Display als Balkendiagramm angezeigt. Rechts von diesem Balken ist zu lesen, ob das Audiosig nal des empfangenen Senders in Mono (MN) oder in Stereo (ST) vorliegt. In Bild 12 ist der Empfänger auf einen starken Mono-FM-Sender der Frequenz 100,0 MHz eingestellt.
Dieses Projekt ist auch auf der Elektor Labs-Website zu finden, wo die Software, das Platinenlayout und die Gerber-Dateien zum Download zur Verfügung stehen. Es gibt auch ein Video auf YouTube, das zeigt, wie dieses UKW-Radio funktioniert.
Ein Beitrag von
Idee, Design, Text: Hesam Moshiri
Illustrationen: Hesam Moshiri, Patrick Wielders
Redaktion: Luc Lemmens
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