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

В этой статье вы узнаете, как построить радиоприемник от простейшей аналоговой схемы до цифровой обработки сигнала на микроконтроллере STM32G4. Мы разберем, как работает сигнал, что такое фильтры и усилители, как настроить контроллер и использовать прерывания, а также как собрать радиоприемник своими руками из доступных компонентов. Приготовьтесь к увлекательному путешествию в мир электроники и программирования!

Почему радиоприемник — это не просто коробка с кнопками

Только представьте: в воздухе вокруг нас постоянно летает море радиосигналов. Они как невидимые волны, несущие музыку, новости и разговоры. Чтобы поймать нужный сигнал, нужен радиоприемник — устройство, которое умеет выделять нужную волну из хаоса.

Но как это сделать? Как заставить электронные компоненты слушать именно ту частоту, которая нам нужна? Вот тут и начинается магия: усилители, фильтры, аналого-цифровые преобразователи (ADC), цифровая обработка сигнала и многое другое.

Аналоговый радиоприемник своими руками — просто и понятно

Если вы новичок и хотите собрать радиоприемник без микроконтроллера, вот что вам понадобится:

Как собрать

1. Сделайте антенну из изолированной проволоки длиной 15 метров — она ловит радиоволны.
2. Намотайте индукционную катушку на непроводящий цилиндр (например, втулку от туалетной бумаги).
3. Соедините компоненты на макетной плате согласно схеме.
4. Подключите питание (9 В батарейка).
5. Настройте переменный конденсатор, чтобы поймать радиостанцию.

Цифровой радиоприемник на STM32G4 — шаг в будущее

Теперь представьте, что вместо простых компонентов у вас есть микроконтроллер STM32G431KBT6 с тактовой частотой до 170 MHz и встроенным 12-битным ADC. Это как иметь супергероя среди электронных компонентов!

Основные блоки цифрового приемника

• Усилитель высокой частоты (УВЧ) — усиливает слабый сигнал с антенны.
• Аналого-цифровой преобразователь (ADC) — переводит аналоговый сигнал в цифровой.
• Цифровой полосовой фильтр — выделяет нужную частоту.
• Демодулятор (детектор) — извлекает звуковой сигнал из модулированной несущей.
• Цифро-аналоговый преобразователь (DAC) — преобразует цифровой сигнал обратно в аналоговый для динамика.
• Усилитель низкой частоты (УНЧ) — усиливает звуковой сигнал для наушников или динамика.

Как работает цифровой фильтр и почему это круто

Фильтр — это как охранник, который пропускает только нужные частоты. В нашем проекте используется цифровой полосовой фильтр, основанный на модели пружинного маятника. Он на лету вычисляет значения сигнала, выделяя нужную частоту.

Формула для настройки фильтра:

R ≈ (2 * sin(π * Wr))^2

где Wr — относительная частота (частота резонанса / частота дискретизации).

Полоса пропускания фильтра примерно равна:

dF ≈ 0.18 * fd * L

где fd — частота дискретизации, L — параметр потерь.

Прерывания и таймеры — как микроконтроллер управляет временем

Чтобы точно обрабатывать сигнал, микроконтроллер использует таймер TIM2, который генерирует прерывания с нужной частотой (например, 1 MHz). При каждом прерывании происходит обработка очередного отсчета ADC и обновление DAC.

Пример настройки таймера для частоты 2 Гц:

TIM2_ARR = 85000000 - 1; // 170 MHz / (85000000) = 2 Гц

Обработчик прерывания переключает светодиоды и обновляет данные.

Пример: генератор синусоидального сигнала на STM32G4

Чтобы понять, как генерировать сигнал, используем модель пружинного маятника и дискретное приближение дифференциального уравнения:

V -= X * R;
X += V;
DAC1_DHR12R1 = X + S; // S — смещение для положительных значений

Это позволяет создавать синусоиду с заданной частотой, которую можно вывести на DAC.

Практический проект: простой радиоприемник на STM32G4

В проекте используется:

• Плата NUCLEO-G431KB с контроллером STM32G431KBT6.
• Внешний кварцевый резонатор 24 MHz для стабильной тактовой частоты.
• Таймер TIM2 для генерации частоты дискретизации ADC.
• Цифровой фильтр и детектор для выделения АМ сигнала.
• Автоматическая регулировка усиления (АРУ) для стабилизации громкости.
• OLED дисплей SSD1306 для отображения частоты и уровня сигнала.
• Инкрементальный энкодер для настройки частоты.

Таблица сравнения аналогового и цифрового приемника

Советы для начинающих

• Не бойтесь экспериментировать с простыми схемами, чтобы понять основы.
• Используйте осциллограф для измерения сигналов и настройки.
• Начинайте с базового проекта на STM32, постепенно добавляя функционал.
• Следите за правильной полярностью конденсаторов и операционных усилителей.
• Для цифровой обработки используйте DMA, чтобы разгрузить процессор.
• Помните про частоту Найквиста: максимальная частота входного сигнала не должна превышать половину частоты дискретизации.

Итог

Создание радиоприемника — это как раскрытие тайны невидимых волн вокруг нас. От простой аналоговой схемы с катушкой и конденсатором до сложного цифрового устройства на STM32G4 с программируемыми фильтрами и дисплеем — каждый шаг открывает новые горизонты.

Используйте знания о сигналах, фильтрах, прерываниях и контроллерах, чтобы построить свой уникальный приемник. Помните, что каждый проект — это маленькое приключение, где вы — главный герой и исследователь.

Готовы поймать волну? Вперёд к экспериментам и новым открытиям!