Как собрать и настроить радиоприемник на микроконтроллере STM32G4 и простую аналоговую схему

В этой статье вы узнаете, как создать радиоприемник от простейшей аналоговой схемы до цифрового устройства на базе микроконтроллера STM32G4. Мы разберем, как работает сигнал, что такое фильтры и усилители, как использовать контроллер для обработки радиосигналов, и как собрать устройство своими руками. Приготовьтесь к увлекательному путешествию в мир электроники и цифровой обработки сигналов!

Почему радиоприемник — это не просто коробка с динамиком

Только представьте: вокруг нас постоянно летает море радиоволн — сигналы радиостанций, которые можно поймать и превратить в музыку или речь. Но чтобы это сделать, нужен радиоприемник — устройство, которое умеет ловить, усиливать и фильтровать эти сигналы.

Сигнал — это как шепот в шумном зале. Чтобы услышать его, нужно усилить и отделить от шума. Вот тут и появляются усилители, фильтры и контроллеры, которые делают всю магию.

Аналоговый радиоприемник своими руками — просто и понятно

Если вы новичок, начнем с классики — простого радиоприемника с амплитудной модуляцией (АМ). Для него нужны:

• Резистор 1 МОм
• Конденсаторы разной емкости (10 нФ, 22 мкФ, 33 пФ)
• Провода и эмалированная проволока для катушки
• Переменный конденсатор для настройки частоты
• Операционный усилитель (например, 741)
• Динамик
• Макетная плата и инструменты

Как собрать

1. Антенна — длинный изолированный провод (15 метров или больше), свернутый кольцом для компактности и лучшего приема.
2. Катушка индуктивности — обмотайте эмалированную проволоку вокруг непроводящего цилиндра (например, втулки от туалетной бумаги). Чем больше витков, тем ниже частота настройки.
3. Схема — соедините резистор, конденсаторы, усилитель и катушку на макетной плате согласно схеме. Особое внимание уделите правильной полярности операционного усилителя и электролитического конденсатора.
4. Питание — подключите 9-вольтовую батарейку, соблюдая полярность.
5. Настройка — покрутите переменный конденсатор, чтобы найти радиостанцию.

Что происходит?

Катушка и переменный конденсатор образуют колебательный контур, который настраивается на нужную частоту. Усилитель усиливает слабый сигнал, а динамик превращает его в звук.

Цифровой радиоприемник на STM32G4 — шаг в будущее

А теперь представьте, что вместо аналоговой схемы у вас есть мощный микроконтроллер STM32G431KBT6 с тактовой частотой до 170 MHz и встроенным ADC (аналого-цифровым преобразователем). Он может оцифровывать сигнал, фильтровать его и выводить звук через DAC (цифро-аналоговый преобразователь).

Основные компоненты цифрового приемника

Как это работает

1. Сигнал с антенны усиливается и подается на ADC.
2. ADC с частотой дискретизации до 4 MHz оцифровывает сигнал.
3. Цифровой фильтр выделяет нужную частоту.
4. Демодулятор извлекает звуковую информацию.
5. DAC преобразует сигнал обратно в аналоговый.
6. Усилитель низкой частоты подает звук на динамик или наушники.

Практические советы по настройке и программированию

Настройка тактовой частоты

Внутренний RC генератор микроконтроллера нестабилен (~1%), поэтому лучше использовать внешний кварцевый резонатор на 24 MHz. Это повысит стабильность до 0,01% и позволит разогнать процессор до 170 MHz.

Таймеры и прерывания

• Таймер TIM2 используется для генерации тактового сигнала дискретизации ADC.
• Прерывания позволяют обрабатывать сигнал в реальном времени.
• Используйте обработчики прерываний для переключения светодиодов и вывода данных в DAC.

Цифровой фильтр

Простейший цифровой фильтр можно реализовать на основе модели пружинного маятника с потерями. Он позволяет выделять узкополосный сигнал с высокой добротностью.

X += ADC_value - S;
V -= X * R;
X += V - X * L;
DAC_output = X + S;

• R — параметр настройки частоты фильтра
• L — параметр потерь (определяет ширину полосы пропускания)
• S — смещение для корректной работы DAC

Демодулятор и автоматическая регулировка усиления (АРУ)

Для извлечения звука используется детектор, который вычисляет абсолютное значение сигнала и фильтрует его низкой частотой. АРУ автоматически регулирует усиление, чтобы избежать искажений при сильных сигналах.

Пример: генерация синусоидального сигнала на DAC

Для теста можно создать генератор синусоидального сигнала с частотой 10 kHz, используя дискретную модель пружинного маятника:

#define ds 0.000001 // период дискретизации
#define PI 3.1415926
#define PW 0.031415926 // PI*f*ds при f=10kHz

static float R = 4 * PW * PW;
static float V = 0;
static float X = 4096/3.3 * 0.5;
static float S = 1500;

void TIM2_IRQHandler(void) {
    V -= X * R;
    X += V;
    DAC1_DHR12R1 = X + S;
}

Как собрать простой радиоприемник из деталей

Если вы хотите собрать радиоприемник без микроконтроллера, вот краткий план:

Таблица сравнения аналогового и цифрового приемника

Итог

Создание радиоприемника — это как раскрытие тайны невидимых волн вокруг нас. Начать можно с простой аналоговой схемы, чтобы почувствовать магию электроники. А затем перейти к цифровым технологиям с микроконтроллером STM32G4, который превращает радиоприем в настоящее искусство программирования и обработки сигналов.

Не бойтесь экспериментировать! Настройка фильтров, работа с прерываниями, использование DMA и ассемблера — все это открывает двери в мир высокотехнологичных радиоустройств. И помните: каждый сигнал — это история, которую ваш радиоприемник готов рассказать.

Полезные советы

• Используйте внешний кварцевый резонатор для стабильной работы.
• Настраивайте таймеры и прерывания аккуратно, чтобы избежать сбоев.
• Для улучшения фильтрации используйте каскадные фильтры.
• Автоматическая регулировка усиления поможет избежать искажений.
• Для повышения производительности критичные участки кода пишите на ассемблере.
• Используйте OLED-дисплей и энкодер для удобной настройки.

Теперь вы вооружены знаниями и готовы к созданию своего радиоприемника — от простого до продвинутого. Вперед, ловить сигналы и творить чудеса электроники!