Projeto - Versao Final - Engenharia Eletrica - UFPR

BRUNO WIEZEL LOPES DA SILVA
MARTIN ROBERT HORST
TRANSMISSOR DE ÁUDIO ESTÉREO EM FM COM FREQÜÊNCIA
SELECIONÁVEL
CURITIBA
2006
2
BRUNO WIEZEL LOPES DA SILVA
MARTIN ROBERT HORST
TRANSMISSOR DE ÁUDIO ESTÉREO EM FM COM FREQÜÊNCIA
SELECIONÁVEL
Trabalho
de
Conclusão
de
Curso
apresentado ao Curso de Engenharia
Elétrica - Ênfase em Eletrônica /
Telecomunicações da Universidade Federal
do Paraná, como requisito para aprovação
na Disciplina de Projeto Final de
Graduação. Professor Orientador: Márlio
José do Couto Bonfim.
CURITIBA
2006
3
Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer ao professor Márlio José do Couto Bonfim, por
sua solicitude com relação às nossas dúvidas e dificuldades.
4
"A satisfação reside no esforço, não no resultado obtido. O esforço total é
a plena vitória."
Mohandas Gandhi
5
Resumo
Este trabalho apresenta a teoria da codificação estéreo, da modulação FM e
de sistemas de controle por PLL, bem como os procedimentos práticos para a
implementação de um transmissor de áudio em FM estéreo microcontrolado, com
freqüência selecionável e exibição da freqüência de operação em um display de
LCD.
Palavras-chave: Transmissor FM, Estéreo, PLL, microcontrolador, LCD.
6
Lista de Ilustrações
Figura 1 – Diagrama Simplificado de funcionamento. ............................................... 12
Figura 2 – Circuito Estereofônico ............................................................................... 14
Figura 3 – Gráfico Ganho x Freqüência - Pré-Ênfase................................................ 15
Figura 4 – Circuito Pré-Ênfase ................................................................................... 15
Figura 5 – Espectro dos sinais modulantes estereofônicos....................................... 16
Figura 6 – Representação blocos internos CI1 BA1404 ............................................ 18
Figura 7 – Indicação ponto de teste da Codificação Estéreo .................................... 19
Figura 8 – Sinal Modulado em freqüência.................................................................. 20
Figura 9 – Espectro sinal FM...................................................................................... 22
Figura 10 – Gráfico dos coeficientes da Função de Bessel....................................... 23
Figura 11 – Tabela dos coeficientes da Função de Bessel ....................................... 23
Figura 12 – Faixa de ocupação de emissoras FM Comercial.................................... 25
Figura 13 – Esquemática do Circuito de Modulação FM ........................................... 25
Figura 14 – Esquemática do Circuito de Modulação FM NO SIMULADOR PSPICE 27
Figura 15 – ESPECTRO DO SINAL DE SAÍDA DO MODULADOR.......................... 27
Figura 16 – análise da onda portadora em osciloscópio, nos domínios do tempo e
freqüência, para tensão de entrada igual a 0 V. ........................................................ 28
Figura 17 – análise da onda portadora em osciloscópio, nos domínios do tempo e
freqüência, para tensão de entrada igual a 1,6 V. ..................................................... 28
Figura 18 – Estrutura Básica de um Elo de TRAVAMENTO DE Fase (PLL) ............ 29
Figura 19 – Pinagem do Circuito Integrado MC145170-2 ......................................... 30
Figura 20 – Estrutura Interna do CI3 – MC145170-2................................................. 31
Figura 21 – Resposta do MC145170-2 ...................................................................... 32
Figura 22 – Esquema do Circuito do PLL .................................................................. 32
Figura 23 – Análise dinâmica da resposta ao degrau unitário de um sistema de 2ª
ordem. ................................................................................................................. 33
Figura 24 – Filtro passa-baixas genérico ................................................................... 34
Figura 25 – Esquema de um microcontrolador com os seus elementos básicos. .... 36
Figura 26 – Modelo simplificado Unidade de Memória .............................................. 37
Figura 27 – Esquema da unidade central de processamento – CPU........................ 38
Figura 28 – Unidade Lógica Aritmética ...................................................................... 39
Figura 29 – Arquitetura RISC do Microcontrolador PIC16F84................................... 40
Figura 30 – Diagrama simplificado do microcontrolador PIC16F84 .......................... 40
Figura 31 – Estruturas de pinos do PIC16F84........................................................... 40
Figura 32 – Acesso ao registro C............................................................................... 42
Figura 33 – Esquema de Interface com o PIC e Pinagem do display LCD ............... 43
Figura 34 – Inicialização do display LCD ................................................................... 44
Figura 35 – Interface de comunicação 4 bits ............................................................. 44
Figura 36 – Conjunto de Instruções para Operação do Display LCD........................ 45
Figura 37 – Fluxograma do Firmware Implementado ................................................ 47
7
Lista de Fórmulas
Fórmula 1 – Cálculo do Ganho do circuito de pré-ênfase ......................................... 15
Fórmula 2 – Expressão do Sinal Modulado em FM ................................................... 21
Fórmula 3 – Índice de Modulação .............................................................................. 21
Fórmula 4 – Coeficientes da Função Bessel ............................................................. 22
Fórmula 5 – Cálculo da Largura de banda................................................................. 24
Fórmula 6 – Regra de Carson para cálculo da Largura de banda............................. 24
Fórmula 7 – Freqüência de oscilação da resposta ao degrau................................... 34
8
Lista de Abreviaturas
RF – Rádio-freqüência
MP3 – MPEG Áudio Layer 3
fm – Maior freqüência do sinal f(t)
B – Largura de banda em Hz
CI – Circuito Integrado
ß – Índice de Modulação
– Máximo desvio de freqüência
m
c
– Freqüência Máxima da informação
– Freqüência da portadora
fFM(t) – Sinal Modulado em FM
f(t) – Informação Sinal Modulante
FM – Modulação em freqüência
FCC – Federal Communication Comission
l(t) – canal esquerdo
r(t) – Canal direito
AM-DSB/SC – Amplitude Modulation with Double Side-Band with suppressed carrier)
W – Largura de Banda em rad/s
nmax – número máximo de raias no espectro
PLL – Phase-Locked Loop
F – Faraday
O – Ohm
RISC – Reduced Instruction Set Computer
LCD – Liquid Crystal Display
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 10
1.1 MOTIVAÇÃO .................................................................................................... 10
1.2 OBJETIVOS ...................................................................................................... 10
1.3 METODOLOGIA ............................................................................................... 11
2 IMPLEMENTAÇÃO DO CIRCUITO ELETRÔNICO ............................................... 12
2.1 SINAL ESTÉREO ............................................................................................. 13
2.1.1 Breve Histórico da Radiodifusão em FM Estéreo...................................... 13
2.1.2 Conceitos de Sinal Estéreo........................................................................ 14
2.1.3 Implementação da Codificação Estéreo no Circuito Transmissor............. 17
2.1.4 Montagem e Teste Circuito de Codificação Estéreo ................................. 18
2.2 MODULAÇÃO EM FREQÜÊNCIA.................................................................... 20
2.2.1 Conceitos da Modulação em Freqüência .................................................. 20
2.2.1.1 FM de Faixa Estreita ............................................................................. 21
2.2.1.2 FM de Faixa Larga ................................................................................ 22
2.2.1.3 Largura de Banda do Sinal FM ............................................................. 24
2.2.1.4 FM Comercial no Brasil......................................................................... 24
2.2.2 Implementação do Circuito de Modulação e Transmissão........................ 25
2.3 ELO DE FASE TRAVADA OU PLL (PHASE LOCKED LOOP) ....................... 29
2.3.1 A Implementação no Circuito - O PLL MC145170-2 ................................. 30
2.3.2 Diagrama Esquemático do Bloco PLL ....................................................... 32
2.4 DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO..................................................................... 35
2.5 MICROCONTROLADOR .................................................................................. 35
2.5.1 Introdução e Definições do Microcontrolador ............................................ 35
2.5.2 Microprocessador X Microcontrolador ....................................................... 36
2.5.3 Componentes do Microcontrolador............................................................ 36
2.5.3.1 Unidade de Memória............................................................................. 37
2.5.3.2 Unidade Central de Processamento (CPU).......................................... 38
2.5.3.3 Unidade Lógica Aritmética .................................................................... 39
2.5.4 Microcontrolador PIC16F84 ....................................................................... 39
2.5.4.1 Interface com o PLL MC145170-2........................................................ 42
2.5.4.2 Interface com o Display LCD ................................................................ 43
2.5.4.3 Interface de Controle – Botões de Sintonia .......................................... 45
2.5.5 O Firmware................................................................................................. 46
3 ANÁLISE DOS RESULTADOS .............................................................................. 48
4 CONCLUSÕES ....................................................................................................... 50
5 REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 51
ANEXOS..................................................................................................................... 52
ANEXO A – Folha de especificações do CI1: BA1404....................................... 52
ANEXO B – Folha de especificações do diodo varicap D1 ................................ 53
ANEXO C - Folha de especificações do transistor BF199 ................................. 54
ANEXO D - Folha de especificações do display de LCD ................................... 55
ANEXO E – Folha de especificações do CI2: PIC14F84A ................................. 56
ANEXO F – Folha de especificações do CI3: MC145170-2 ............................... 57
ANEXO G – Código fonte do firmware implementado........................................ 58
ANEXO H – Layout da placa de circuito impresso do protótipo ......................... 66
ANEXO I – Esquemática do circuito eletrônico................................................... 67
10
1. INTRODUÇÃO
1.1 MOTIVAÇÃO
Receptores de rádio em FM são amplamente utilizados nos dias de hoje,
sendo, inclusive, o rádio o meio de comunicação mais popular no globo. Além disso,
existe uma crescente difusão e popularização dos reprodutores de música, IPOD’s e
MP3 players, que possibilitam aos seus usuários portar uma imensa quantidade de
músicas em um dispositivo de tamanho reduzido.
A idéia do projeto consiste em oferecer um produto que represente uma
comodidade para esse crescente mercado de usuários. Essa comodidade consiste
em, por exemplo, ouvir as músicas que estão em seu dispositivo durante uma
viagem ou um passeio de carro, no aparelho de som do automóvel, ou em casa,
transmitindo músicas de um PC para qualquer aparelho de som que possua um
receptor de FM. Para isso, será implementado um transmissor com freqüência
sintonizável, que recebe o sinal de áudio de qualquer fonte sonora e o transmite na
faixa de FM Comercial.
A freqüência de operação do transmissor poderá ser convenientemente
sintonizada dentro de uma banda livre do espectro de FM comercial e visualizada
num display LCD.
1.2 OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho é projetar e implementar um circuito transmissor de
áudio estéreo com modulação FM e freqüência de operação sintonizável dentro da
11
faixa de FM comercial, com o uso de um microcontrolador e uma saída para um
display LCD com informações, como a freqüência sintonizada.
Para tanto, será necessária a escolha e especificação de componentes
adequados para executar cada função do circuito transmissor, conhecimentos em
radiofreqüência para operação em altas freqüências 88 MHz a 108 MHz,
programação de microcontroladores, softwares para design de layout e esquemático
de circuitos e conhecimentos práticos para a simulação do funcionamento em
laboratório, utilizando equipamentos de testes como geradores de freqüência para
simular um sinal de áudio na entrada, osciloscópio para analisar e medir sinais em
diversos pontos do circuito e um analisador de espectro para medição e verificação
do nível do sinal no domínio da freqüência.
No final do projeto, esperamos obter um circuito transmissor de operação
com alta estabilidade, boa qualidade de áudio, baixo custo, baixo consumo e um raio
de alcance de aproximadamente 100 m.
1.3 METODOLOGIA
Definimos algumas metodologias para execução do projeto. Este foi
estruturado para a montagem de um circuito transmissor em partes e dentro do
prazo estipulado.
Para facilitar os testes e garantir o funcionamento na montagem final, o
circuito transmissor foi subdividido em 4 partes, sendo elas:
1) Codificador Estéreo;
2) Modulador FM;
3) Realimentação por Elo de Travamento de Fase (PLL);
12
4) Microcontrolador e display de LCD.
As partes serão implementadas e testadas individualmente. Garantindo o
funcionamento das partes, elas finalmente podem ser integradas e validadas em um
protótipo final.
2 IMPLEMENTAÇÃO DO CIRCUITO ELETRÔNICO
A proposta do projeto é a montagem de um transmissor de áudio estéreo com
modulação FM e freqüência de operação sintonizável exibida em um display LCD.
À saída de áudio (direito + esquerdo) de qualquer reprodutor portátil de MP3,
será conectado o transmissor e nele é
feito o ajuste da freqüência que será
sintonizada no receptor para receber as informações transmitidas, conforme a
ilustração a seguir:
FIGURA 1 – DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE FUNCIONAMENTO.
O desafio do projeto é a montagem de um circuito transmissor completo, que
irá receber o sinal de áudio na faixa de 0 a 20 kHz, provenientes dos canais direito e
esquerdo do reprodutor portátil de MP3, tratar e multiplexar em estéreo e em
seguida, modular em freqüência dentro da faixa de FM comercial.
13
2.1 SINAL ESTÉREO
2.1.1 Breve Histórico da Radiodifusão em FM Estéreo
A demonstração teórica da existência de ondas eletromagnéticas por James
Maxwell, em 1863 e a apresentação do princípio da propagação eletromagnética por
Heinrich Hertz (cujo sobrenome batizou a unidade de freqüência, ciclos/segundo),
em 1887, abriu-se um amplo espaço para o desenvolvimento das telecomunicações
através do espaço livre.
Guglielmo Marconi, que ampliou as distâncias de transmissão de ondas
eletromagnéticas, percebeu a importância comercial e apresentou o telégrafo sem
fio, em 1896. No Brasil, o pioneirismo das telecomunicações é atribuído ao padrecientista Landell de Moura, cujos inventos foram patenteados em 1901.
Com o advento das técnicas de modulação, tornou-se possível fazer com que
as ondas eletromagnéticas carregassem informações de áudio. A primeira estaçãoestúdio de radiodifusão é inaugurada em 1916, nos EUA. Em 1922, é realizada no
Brasil a primeira transmissão radiofônica oficial, no centenário da Independência.
A técnica de modulação em freqüência (FM) é apresentada pela primeira vez
em 1933 por Edwin Armstrong e em 1942 são produzidos os primeiros aparelhos
comerciais de FM, que permitem uma transmissão de áudio com maior fidelidade.
Atualmente, o rádio ainda é o meio de comunicação mais popular no mundo,
apesar da forte concorrência com os televisores. No Brasil, de acordo com o Censo
de 2000 do IBGE, 87,4% dos domicílios possuem pelo menos um aparelho de rádio
(a televisão está presente em 87% dos domicílios).
14
2.1.2 Conceitos de Sinal Estéreo
Ate 1961, toda a transmissão FM era monofônica, a partir dessa época,
passaram a ser autorizada a transmissão FM comercial.
O principal problema em introduzir transmissões estereofônicas era a
compatibilidade com os receptores monofônicos.
Partindo do princípio que os sinais l(t) (left = esquerdo) e r(t) (right = direito),
que são as informações de estéreo, devem ser codificadas de tal forma que os
receptores estéreos possam decodificá-las e os receptores monofônicos possam
receber os dois canais misturados ou somados.
FIGURA 2 – CIRCUITO ESTEREOFÔNICO
Com o intuito de manter uma boa relação sinal/ruído ao longo de toda a faixa
audível, é utilizada a técnica da Pré-ênfase que, sendo usada na transmissão do
sinal, consiste em reforçar o sinal modulante na região de mais alta freqüência.
15
FIGURA 3 – GRÁFICO GANHO X FREQÜÊNCIA - PRÉ-ÊNFASE
FIGURA 4 – CIRCUITO PRÉ-ÊNFASE
Para cada faixa de freqüência pode-se calcular o ganho em decibel inserido
pelo circuito de pré-ênfase, através da Fórmula:
GV = 20 log [ 1 + (2 .p. f. R1. C)2 ] -1
FÓRMULA 1 – CÁLCULO DO GANHO DO CIRCUITO DE PRÉ-ÊNFASE
Da mesma forma, na recepção do sinal será necessário desfazer esta
enfatização que foi dada à informação, mediante o processo chamado de-ênfase.
Sendo a curva de resposta da de-ênfase contrária à estipulada para a pré-ênfase.
16
O canal esquerdo l(t) e direito r(t) são pré-enfatizados e codificados
matricialmente, gerando os sinais de soma l(t)+ r(t) e diferença l(t)- r(t).
O sinal soma l(t)+ r(t) e diferença l(t)- r(t) ocupam o mesmo lugar no espectro.
Desloca-se o espectro da diferença usando modulação DSB-SC para a
freqüência de 38kHz.
A F.C.C (Federal Communication Comission) padronizou a codificação de um
sinal estereofônico segundo o espectro da figura a seguir:
FIGURA 5 – ESPECTRO DOS SINAIS MODULANTES ESTEREOFÔNICOS
A porção do espectro que vai de 0 a 15kHz é a soma l(t) + r(t) dos dois
canais e a porção de 23kHz a 53kHz é a diferença l(t) – r(t) dos dois canais
modulados, com um tom cossenoidal de 19kHz, chamado de “sinal piloto”, a partir do
qual dobrando sua freqüência, recupera a portadora da modulação l(t) – r(t) em AMDSB/SC.
17
2.1.3 Implementação da Codificação Estéreo no Circuito Transmissor
O primeiro passo realizado pelo circuito transmissor é o tratamento do sinal de
áudio enviado pelo reprodutor portátil de MP3.
Na implementação usada para o transmissor, foi utilizado o circuito integrado
BA1404, que é um codificador matricial estéreo e modulador FM.
O CI1 BA1404 recebe separadamente o sinal de áudio dos canais direito (R)
e esquerdo (L), após passarem pelo circuito de pré-ênfase (constante RC adotada
segundo a norma FCC, e igual a 50 µs) realizado por R10 e C11 para o canal direito
e R12 e C16 para o canal esquerdo, nos pinos “1” e “18” respectivamente. As
resistências R9 e R11 apresentam uma baixa impedância de entrada para o sinal de
áudio, como se simulassem a impedância de um fone de ouvido. Os capacitores C12
e C17 servem para bloquear o nível DC dos sinais de áudio.
Para a geração das sub-portadoras, um cristal com freqüência de oscilação
de 38 kHz, é conectado nas portas “5” e “6”, e será dividida internamente por dois
pelo CI para gerar o sinal piloto de 19 kHz no pino “13” que será somado com o sinal
multiplexado da soma e diferença dos canais.
O CI conta ainda com um modulador FM interno, que não foi utilizado devido
sua baixa estabilidade.
O CI é alimentado com a tensão de 1,5 V que é obtida através de uma pilha
AAA. Os pinos não utilizados “7”, “10” e “12”, são ligados a tensão de alimentação
positiva, os pinos “11” e “09” não são conectados e o pino “8” é ligado ao terra.
18
FIGURA 6 – REPRESENTAÇÃO BLOCOS INTERNOS CI1 BA1404
2.1.4 Montagem e Teste Circuito de Codificação Estéreo
Para o teste do circuito de codificação estéreo foi utilizada uma placa para
montagens de protótipo (ProtoBoard), na qual foi montada a configuração de acordo
com a folha de especificações do CI1 BA1404.
Para a simulação dos sinais de áudio (esquerdo e direito) foram utilizados
dois sinais senoidais de 400 Hz e 2,1 kHz obtidos através de um gerador de sinais.
A certificação do funcionamento do circuito montado foi feita utilizando-se um
osciloscópio para análise do espectro do sinal de saída.
FIGURA 6 – SINAL ESTÉREO NO DOMÍNIO DO TEMPO (CIMA) E NO DOMÍNIO DA FREQÜÊNCIA
19
FIGURA 7 – INDICAÇÃO PONTO DE TESTE DA CODIFICAÇÃO ESTÉREO
O oscilador do CI1 BA1404 produz uma onda quadrada, a qual é utilizada
para a geração do tom piloto. Esta onda possui componentes harmônicas ímpares,
além da harmônica fundamental, e que adicionam distorção ao sinal estéreo
multiplexado. Para contornar este problema, o sinal é passado por um filtro passabaixas, representado no esquema pelos componentes R17 e C20. O resistor R18
condiciona o nível de corrente para a entrada do modulador FM e também define o
índice de modulação ß do modulador. Os indutores L5 e L6 atuarão como choque de
RF para o sinal modulado, o acoplamento do sinal de RF com volta para a entrada
de áudio será comentado oportunamente.
20
2.2 MODULAÇÃO EM FREQÜÊNCIA
2.2.1 Conceitos da Modulação em Freqüência
A modulação em freqüência é uma forma de modulação na qual uma
informação é representada através de variações na freqüência instantânea de uma
onda eletromagnética portadora.
Em aplicações analógicas, a freqüência da portadora é variada em proporção
direta a mudanças na amplitude de um sinal de entrada. Em aplicações digitais,
dados binários podem ser representados deslocando-se a freqüência da portadora
por um conjunto de valores discretos, numa técnica denominada FSK (Frequency
Shift Keying).
A FM é utilizada em transmissões de áudio em alta-fidelidade e comunicações
por voz. É também empregada para gravação de luminância (preto e branco) em
sistemas de VHS, visto que apresenta alta imunidade ao ruído (em FM, a amplitude
é constante) em uma ampla faixa de freqüências.
Assumindo o conceito de modulação, que define como alterar a portadora
proporcionalmente
ao
sinal
modulante,
teremos
a
freqüência
linearmente proporcional à variação do sinal da informação.
FIGURA 8 – SINAL MODULADO EM FREQÜÊNCIA
instantânea
21
Observa-se que quando o valor instantâneo do sinal modulante é máximo
positivo, a freqüência da onda FM também é máxima. Quando o valor instantâneo do
sinal modulante é máximo negativo, a freqüência da onda FM é mínima.
A expressão que define o sinal modulado em FM:
f
FM(t)
= A.cos ( ct + kF f(t) dt)
FÓRMULA 2 – EXPRESSÃO DO SINAL MODULADO EM FM
KF : Constante que converte variações de volts do sinal do sinal f(t) em
variações de velocidade angular (rad/s) da freqüência instantânea. Unidade =
rad
.
V .s
O sinal modulado em FM pode ser classificado em :
- FM de Faixa Estreita
- FM de Faixa Larga
2.2.1.1 FM DE FAIXA ESTREITA
A classificação pode ser obtida com o cálculo de ß, que é o índice de
modulação e representa o máximo deslocamento de fase do sinal em relação à
portadora, é definido:
ß=
m
FÓRMULA 3 – ÍNDICE DE MODULAÇÃO
– Máximo desvio de freqüência
m
– Freqüência máxima da informação
O sinal modulado em FM Faixa Estreita ocupa uma faixa restrita de freqüência
e tem seu índice de modulação ß restringido. Na prática um sinal é definido como de
faixa estreita usando o critério de ß<<1.
22
Devido à característica de banda limitada, que implica na perda de qualidade,
este tipo de modulação não é utilizado em FM Comercial, porém, possui várias
aplicações como: comunicação rádio policial, rádio amador, transmissão de dados,
etc.
2.2.1.2 FM DE FAIXA LARGA
No espectro FM, há infinitas raias laterais, cujo espaçamento entre si é igual à
m,
como mostra o exemplo da figura a seguir:
FIGURA 9 – ESPECTRO SINAL FM
Para definir cada coeficiente do espectro FM em relação ao parâmetro ß são
usadas as “Funções de Bessel”, podendo ser escrita sob a forma:
f FM(t) = A.
Jn(ß).cos[(
c
+
m)t]
n
FÓRMULA 4 – COEFICIENTES DA FUNÇÃO BESSEL
23
Os coeficientes que aparecem na equação podem ser obtidos através de uma
tabela na figura 12 ou ainda por meio de um gráfico na figura 11, permitindo a
procura dos coeficientes Jn(ß) para qualquer valor real positivo de ß.
FIGURA 10 – GRÁFICO DOS COEFICIENTES DA FUNÇÃO DE BESSEL
FIGURA 11 – TABELA DOS COEFICIENTES DA FUNÇÃO DE BESSEL
24
2.2.1.3 LARGURA DE BANDA DO SINAL FM
Teoricamente a largura de banda ocupada pelo espectro de um sinal
modulado em FM figura 8, tende ao infinito, pois é o resultado de uma série
composta por infinitos termos. Uma possível aproximação seria usar a definição de
que a largura de banda de um sinal é tal que contenha 98% da Energia / Potência do
sinal.
A modulação FM não altera a energia total do sinal da portadora, apenas sua
distribuição espectral.
Cálculo da largura de banda:
B = 2.nmax.fm
W = 2. nmax.
m
FÓRMULA 5 – CÁLCULO DA LARGURA DE BANDA
Na prática, é utilizada uma aproximação que visa desprezar menos raiais
espectrais, conhecida como Regra de Carson:
nmax = ß + 2
W=2
+4
m
FÓRMULA 6 – REGRA DE CARSON PARA CÁLCULO DA LARGURA DE BANDA
2.2.1.4 FM COMERCIAL NO BRASIL
Foi definido por norma internacional (FCC – Federal Communication
Comission):
- Faixa de freqüências alocadas no Brasil: 88 MHz a 108 MHz
- Banda de freqüência do sinal de áudio: 50Hz a 15Khz
- Desvio de freqüência: f = 75KHz
-ß=5
25
A faixa de 88 a 108MHz é dividida em porções de 200KHz, idealmente esta
faixa permitirá um total de 100 estações de rádio:
Na prática, são utilizadas no máximo 50 estações de rádio numa mesma
região, pois não é permitido que duas emissoras ocupem faixas vizinhas, para
prevenir interferências de uma estação na outra e para permitir transmissão de
sinais de áudio estéreo.
FIGURA 12 – FAIXA DE OCUPAÇÃO DE EMISSORAS FM COMERCIAL
2.2.2 Implementação do Circuito de Modulação e Transmissão
FIGURA 13 – ESQUEMÁTICA DO CIRCUITO DE MODULAÇÃO FM
O sinal de áudio modulante entra através catodo de D1, polarizando-o
reversamente e variando sua capacitância. Essa capacitância, somada em série com
a de C4 irá carregar-se e descarregar-se através da bobina L1, formando um
26
elemento de ressonância que irá definir a freqüência de oscilação do circuito. A
bobina L1 possui uma derivação central para introduzir uma realimentação positiva
do emissor para a base de Q2 (através de C6), tornando o circuito instável e
fazendo-o oscilar. O resistor R6 fornece a corrente de polarização de base do
transistor Q2.
O sinal do modulador é então amplificado de modo a obter-se níveis
suficientes para a transmissão e acionamento do PLL. Na bobina L2 é induzida uma
tensão pelo campo magnético gerado por L1, que já é o sinal FM modulado. Esse
sinal, após bloqueio DC por C5, será amplificado por Q1. L4 e CV1 irão compor um
filtro passa-faixas com sintonizado no centro da banda de FM comercial (98 MHz).
Do emissor de Q1, o sinal vai para a antena, que é o próprio cabo que conectará o
dispositivo de som ao transmissor sintonizável. Os sinais de entrada de áudio, e
saída FM não irão interferir entre si, pois possuem freqüências completamente
distintas.
Os capacitores C23 e C24 provêem uma maior estabilidade na alimentação
dos transistores.
A bobina L3 irá amostrar o sinal de FM modulado e, após ter seu nível DC
bloqueado por C10, servirá de referência para a realimentação do PLL (circuito
integrado MC145170-2), que irá proporcionar a seleção da freqüência de
transmissão com alta estabilidade. Antes da implementação, verificamos seu
funcionamento através do programa de simulação PSpice.
27
FIGURA 14 – ESQUEMÁTICA DO CIRCUITO DE MODULAÇÃO FM NO SIMULADOR PSPICE
A fonte V1 é designada como uma fonte do tipo degrau, para permitir o
início da oscilação através uma variação brusca do sinal. A resistência R3 serve
para permitir a avaliação da freqüência de saída pela variação que C1 (Cbreak), que
neste circuito representa a capacitância reversa do varicap. Quando a tensão
reversa é 0 (nível mínimo, primeiro pico) e quando é 1,6V.
FIGURA 15 – ESPECTRO DO SINAL DE SAÍDA DO MODULADOR
28
Pode-se observar, através da simulação, que poderemos obter um sinal de
saída que excursiona de cerca de 87 a 109 MHz, através da variação da
capacitância reversa do varicap, o que é suficiente para a cobertura de toda a banda
de FM comercial. Na prática, obtivemos os seguintes gráficos (imagens de
osciloscópio):
FIGURA 16 – ANÁLISE DA ONDA PORTADORA EM OSCILOSCÓPIO, NOS DOMÍNIOS DO TEMPO E
FREQÜÊNCIA, PARA TENSÃO DE ENTRADA IGUAL A 0 V.
FIGURA 17 – ANÁLISE DA ONDA PORTADORA EM OSCILOSCÓPIO, NOS DOMÍNIOS DO TEMPO E
FREQÜÊNCIA, PARA TENSÃO DE ENTRADA IGUAL A 1,6 V.
29
O que se observa é que há uma variação de cerca de 3 vezes da amplitude
do sinal no fim da faixa em relação ao início. Para tanto, viu-se necessário a
implementação de um controle automático de ganho, através do resistor R7, diodo
D2 e C26. Quando o nível do sinal modulado em FM estiver muito alto, o diodo D2
realimenta o sinal para a base de Q1, de modo a diminuir o ganho do amplificador
de RF.
2.3 ELO DE TRAVAMENTO DE FASE OU PLL (PHASE LOCKED LOOP)
A técnica PLL (do inglês Phase Locked Loop, ou Elo da Fase Travada, em
uma tradução livre) foi desenvolvida por volta dos anos 30 como uma alternativa aos
receptores super-heteródinos, os quais precisavam de muitos circuitos sintonizados.
Esta técnica se popularizou com os avanços da microeletrônica, que tornaram
estes circuitos integrados e baratos. Hoje em dia, são amplamente utilizados em
telecomunicações, como por exemplo, em moduladores e demoduladores de FM,
sintetizadores de freqüência, regeneradores de portadora e circuitos de sincronismo.
O PLL nada mais é do que uma estrutura realimentada com três blocos,
demonstrada no esquema abaixo.
FIGURA 18 – ESTRUTURA BÁSICA DE UM ELO DE TRAVAMENTO DE FASE (PLL)
O PLL consiste em um sistema de controle que gera um sinal de saída
proporcional à diferença de fase entre o sinal de um oscilador controlado por tensão
30
e um sinal de referência fixa. O comparador de fase pode ser baseado em uma porta
lógica XOR ou circuitos mais complexos envolvendo lógica combinacional.
Filtrando-se as componentes de alta freqüência do sinal do comparador de
fase, obtemos um nível médio VO, que é proporcional à diferença de fase entre os
sinais de entrada Vi e o sinal do oscilador controlado por tensão (VCO). Esse nível
DC é realimentado negativamente para o VCO, o que proporciona uma correção da
sua freqüência fosc, até que essa seja idêntica à freqüência do sinal de entrada, fi (ou
freqüência de referência).
Estando as freqüências idênticas, pode-se dizer que há uma diferença de fase
constante, ou um travamento de fase. Daí o nome PLL.
2.3.1 A Implementação no Circuito - O PLL MC145170-2
O circuito integrado MC145170-2 é um sintetizador de freqüências com
interface serial. A freqüência de referência para comparação de fase provém de um
oscilador a cristal de quartzo associado a divisores de freqüência programáveis
(registradores C, R e N).
FIGURA 19 – PINAGEM DO CIRCUITO INTEGRADO MC145170-2
31
FIGURA 20 – ESTRUTURA INTERNA DO CI3 – MC145170-2
Através de uma interface serial, seus registradores internos C, R e N podem
ser convenientemente configurados.
O registrador R defiine o valor pelo qual será dividida a referência, e
determinará passo da sintonia da freqüência da operação do transmissor. Utilizandose um cristal de 4MHz, devemos ter um valor de R=40 para se obter uma resolução
de 100 kHz.
O registrador N define o valor pelo qual será dividida a freqüência de uma
amostra do sinal do oscilador. Alterando o valor de N, podemos fazer com que o
MC145170-2 gere um sinal de erro de modo a definir a freqüência de operação do
transmissor. Para valores de freqüência da faixa de FM comercial, ou seja, de 88.1 a
108.9 MHz, os valores do registrador N devem variar de 881 a 1089.
O MC145170-2 irá, portanto, dividir a freqüência de operação do transmissor
por N, o valor da freqüência de referência por R e irá comparar esses dois sinais,
gerando no pino PDout um sinal de saída proporcional à diferença de fase entre eles,
32
como mostrado na figura 22. Esse sinal é filtrado e realimentado ao varicap do
modulador FM, de modo a manter as duas freqüências idênticas.
FIGURA 21 – RESPOSTA DO MC145170-2
2.3.2 Diagrama Esquemático do Bloco PLL
FIGURA 22 – ESQUEMA DO CIRCUITO DO PLL
O CI é operado pelo oscilador constituído pelo cristal X2, os capacitores C1 e
C2 e o resistor R1. O capacitor C8 serve para desviar as altas freqüências
indesejáveis e prover ao CI uma alimentação estável.
33
Um sinal de referência (4 MHz) é enviado para a operação do
microcontrolador, através do pino REFout. A configuração da operação do circuito
integrado é feita através das linhas digitais DIN, ENB e CLK, provenientes do
microcontrolador. O sinal amostrado entra no pino FIN passando por um capacitor
de acoplamento e o sinal de erro é tomado em PDout após seu devido
condicionamento por um filtro passa-baixas.
Os valores dos componentes desse filtro (R2, R3 e C3) são determinados, de
acordo com a resposta ao degrau desejada. O resistor R4 adapta o nível do sinal
para o modulador. O capacitor C3 é dimensionado de modo a se obter uma resposta
lenta para o sinal modulante proveniente do bloco de multiplexação estéreo. Dessa
forma, variações na freqüência da portadora causadas pelo sinal modulante não
serão interpretadas como erros de freqüência pelo laço PLL. Da análise dinâmica de
um sistema de controle de segunda ordem, sabemos que:
FIGURA 23 – ANÁLISE DINÂMICA DA RESPOSTA AO DEGRAU UNITÁRIO DE UM SISTEMA DE 2ª ORDEM.
Assim, para a determinação dos componentes de um filtro passa-baixas
genérico, temos:
34
FIGURA 24 – FILTRO PASSA-BAIXAS GENÉRICO
K KVCO
n
NC ( R1 R2 )
e
0 .5
n
( R2C
N
) , onde:
K KVCO
FÓRMULA 7 – FREQÜÊNCIA DE OSCILAÇÃO E FATOR DE AMORTECIMENTO DA RESPOSTA AO DEGRAU
DE UM SISTEMA DE 2ª ORDEM
n
como
é a freqüência de oscilação da resposta ao degrau do sistema e escolhida
2 fR
;
50
é o fator de amortecimento da resposta ao degrau do sistema e escolhido
como 0.7.
K é o ganho do comparador de fase e igual a
VDD
(em V/rad);
4
KVCO é a constante de modulação do oscilador controlado por tensão e dada
por
2
fVCO
VVCO
(em V/rad/s);
N é o valor médio do divisor N utilizado.
35
2.4 DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO
O usuário poderá visualizar a freqüência de operação em um display de LCD.
O display de cristal líquido (LCD) é um importante dispositivo em projetos de de
eletrônica, pois permite visualizar diferentes tipos de caracteres.
Em um LCD, a visualização ocorre pelo controle da reflexão da luz em cada
um dos pontos (pixels) que formam o display. O LCD é composto por uma matriz de
pontos, que devem ser combinados a fim de formar os caracteres. Como trabalham
com a reflexão da luz, os displays necessitam de luz para que os caracteres possam
ser visualizados, podendo esta luz ser ambiente ou proveniente de uma fonte
colocada por trás do display (backlight).
O controle dos pixels que devem ser visíveis para cada caracter é
relativamente complexo, por isto, os displays possuem microcontroladores
incorporados, que são responsáveis por este trabalho em linguagem de baixo nível
junto ao display. Ao usuário, cabe a tarefa de comandar este microcontrolador.
2.5 MICROCONTROLADOR
2.5.1 Introdução e Definições do Microcontrolador
Os microcontrolador teve seu desenvolvimento em paralelo com a tecnologia
do circuito integrado, tornando-se possível armazenar centenas de milhares de
transistores em um único chip. Isso constituiu um pré-requisito para a produção de
microprocessadores e, os primeiros computadores foram construídos adicionando
periféricos externos tais como memória, linhas de entrada e saída, temporizadores e
outros. Um crescente aumento do nível de integração permitiu o aparecimento de
36
circuitos integrados contendo simultaneamente processador e periféricos. Foi assim
que surgiu o conceito do microcontrolador..
2.5.2 Microprocessador X Microcontrolador
Um microcontrolador difere de um microprocessador em vários aspectos.
Primeiro
e
o
mais
importante,
é
a
sua
funcionalidade.
Para
que
um
microprocessador possa ser usado, outros componentes devem-lhe ser adicionados,
tais como memória e componentes para receber e enviar dados. Em resumo, isso
significa que o microprocessador é o verdadeiro coração do computador. Por outro
lado, o microcontrolador foi projetado para ter tudo em um só. Nenhum outro
componente externo é necessário nas aplicações, uma vez que todos os periféricos
necessários já estão contidos nele.
2.5.3 Componentes do Microcontrolador
FIGURA 25 – ESQUEMA DE UM MICROCONTROLADOR COM OS SEUS ELEMENTOS BÁSICOS.
37
2.5.3.1 UNIDADE DE MEMÓRIA
A memória é a parte do microcontrolador cuja função é guardar dados. Como
a memória fabricada com tecnologia FLASH pode ser programada e limpa mais que
uma vez ela torna-se adequada para o desenvolvimento de dispositivos.
Para cada local de memória é associado um endereço físico, conhecido por
endereçamento, que aponta para o conteúdo selecionado pelo endereço desejado.
Além de ler um local de memória, ainda temos uma linha de controle (R/W =
Read/Write) que permite selecionar a operação de escrita, usando a seguinte lógica:
para R/W=1 é executado a operação de leitura, caso contrário uma operação de
escrita é executada no endereço de memória.
FIGURA 26 – MODELO SIMPLIFICADO UNIDADE DE MEMÓRIA
38
2.5.3.2 UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO (CPU)
A unidade central de processamento (CPU) é o cérebro de um
microcontrolador. Essa parte é responsável por extrair a instrução, decodificar a
instrução e, finalmente, executá-la.
FIGURA 27 – ESQUEMA DA UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO – CPU
A unidade central de processamento interliga todas as partes do
microcontrolador de modo que este se comporte como um todo. Uma das funções
mais importante é decodificar as instruções do programa. Quando o programador
escreve um programa, as instruções assumem um claro significado, para que um
microcontrolador possa entendê-las esta forma escrita de uma instrução tem que ser
traduzida numa série de zeros e uns que é o ‘opcode’ (código da operação). Esta
passagem de uma palavra escrita para a forma binária é executada por tradutores
assembler. O código da instrução extraído da memória de programa, tem que ser
decodificado pela unidade central de processamento (CPU).
39
2.5.3.3 UNIDADE LÓGICA ARITMÉTICA
A unidade lógica aritmética (ALU – Arithmetic Logic Unit) é responsável pela
execução de operações de adição, subtração, deslocamento (para a esquerda ou
para a direita dentro de um registro) e operações lógicas. O PIC16F84 contém uma
unidade lógica aritmética de 8 bits e registros de uso genérico também de 8 bits.
FIGURA 28 – UNIDADE LÓGICA ARITMÉTICA
2.5.4 Microcontrolador PIC16F84
O PIC 16F84 pertence a uma classe de microcontroladores de 8 bits, com
uma arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer), na qual a memória de
dados está separado da memória de programa, maximizando a fluência de dados
através da Unidade Central de Processamento. A separação da memória de dados
da memória de programa, faz com que as instruções possam ser representadas por
palavras de mais que 8 bits, usa-se 14 bits para cada instrução, o que permite que
todas as instruções ocupem uma só palavra de instrução.
40
FIGURA 29 – ARQUITETURA RISC DO MICROCONTROLADOR PIC16F84
FIGURA 30 – DIAGRAMA SIMPLIFICADO DO MICROCONTROLADOR PIC16F84
O PIC16F84 tem um total de 18 pinos. Possui a versão com encapsulamento
DIP18 e também a versão SMD de menores dimensões.
FIGURA 31 – ESTRUTURAS DE PINOS DO PIC16F84
41
Os pinos no microcontrolador PIC16F84, têm o seguinte significado:
Pino n.º 1, RA2 Segundo pino da porta A. Não tem nenhuma função adicional.
Pino n.º 2, RA3 Terceiro pino da porta A. Não tem nenhuma função adicional.
Pino n.º 3, RA4 Quarto pino da porta A. O TOCK1 que funciona como entrada do
temporizador, também utiliza este pino.
Pino n.º 4, MCLR Entrada de reset e entrada da tensão de programação Vpp do
microcontrolador .
Pino n.º 5, Vss massa da alimentação.
Pino n.º 6, RB0, bit 0 da porta B. Tem uma função adicional que é a de entrada de
interrupção.
Pino n.º 7, RB1 bit 1 da porta B. Não tem nenhuma função adicional.
Pino n.º 8, RB2 bit 2 da porta B. Não tem nenhuma função adicional.
Pino n.º 9, RB3 bit 3 da porta B. Não tem nenhuma função adicional.
Pino n.º10, RB4 bit 4 da porta B. Não tem nenhuma função adicional.
Pino n.º 11, RB5 bit 5 da porta B. Não tem nenhuma função adicional.
Pino n.º 12, RB6 bit 6 da porta B. No modo de programa é a linha de clock
Pino n.º 13, RB7 bit 7 da porta B. Linha de dados no modo de programa
Pino n.º 14, Vdd Pólo positivo da tensão de alimentação.
Pino n.º 15, OSC2 para ser ligado a um oscilador.
Pino n.º 16, OSC1 para ser ligado a um oscilador.
Pino n.º 17, RA0 bit 0 da porta A. Sem função adicional.
Pino n.º 18, RA1 bit 1 do porta A. Sem função adicional.
42
2.5.4.1 INTERFACE COM O PLL MC145170-2
O registrador C do PLL MC145170-2 é um registrador de configuração para
ativação de pinos e polaridade do sinal de erro, e pode ser acessado da seguinte
forma.
FIGURA 32 – ACESSO AO REGISTRO C
C7 – Polaridade do sinal em PDout . Quando em nível alto, inverte polaridade;
C6 – Escolha da forma de saída do sinal de erro. Quando em nível alto, ativa a saída
simples do pino PDout e desativa a saída dupla pelos pinos
Re
v;
C5 – Habilita o detector de travamento de fase;
C4 – C2 – Configuram o fator de divisão para REFout (freqüência que irá controlar a
operação do microcontrolador);
C1 – Ativa a saída fV;
C0 – Ativa a saída fR.
Os registradores R e N podem ser acessados de forma análoga, ou seja,
baixando o nível lógico do pino ENB, pulsando o pino CLK a cada novo bit inserido
no pino DIN, e elevando-o quando terminada a transferência.
43
O registrador R é configurado pelo PIC uma única vez (valor decimal fixo em
40), através de uma transferência serial de 3 bytes (sendo que os nove bits mais
significantes não são considerados pelo CI).
O registrador N é configurado por uma transferência de 2 bytes, e irá
determinar a freqüência de operação do transmissor FM.
As rotinas de controle do circuito integrado são apresentadas no arquivo de
cabeçalho PLL.INC do programa do microcontrolador, que está anexo ao presente
trabalho.
2.5.4.2 INTERFACE COM O DISPLAY LCD
Para controlar o display, é utilizada uma interface de 4 bits, onde apenas os
pinos RS, R/W, E e DB7 a DB4 são utilizados.
FIGURA 33 – ESQUEMA DE INTERFACE COM O PIC E PINAGEM DO DISPLAY LCD
Devido ao fato de o microcontrolador operar em uma freqüência mais alta que
a do display, deve ser criada uma rotina de inicialização com tempos de espera
adequados, conforme indicado pelo fabricante.
44
FIGURA 34 – INICIALIZAÇÃO DO DISPLAY LCD
Na modo 4 bits, o envio de um byte (8 bits) de instrução ou de dados é feito
através de um envio duplo de 4 bits. O arquivo de cabeçalho LCD.INC (incluído nos
anexos) contém todas as instruções necessárias para a operação do display, de
acordo com as seguintes especificações estabelecidas pelo fabricante:
FIGURA 35 – INTERFACE DE COMUNICAÇÃO 4 BITS
45
FIGURA 36 – CONJUNTO DE INSTRUÇÕES PARA OPERAÇÃO DO DISPLAY LCD
2.5.4.3 INTERFACE DE CONTROLE - BOTÕES DE SINTONIA
Através de dois botões de sintonia, o usuário poderá escolher a freqüência de
operação do transmissor FM. Ao pressionar o botão “CIMA” o registrador N do PLL é
incrementado em duas unidades e o valor exibido no display é incrementado em 0.2
MHz. Da mesma forma, ao se pressionar o botão “BAIXO”, o valor do registrador N é
reduzido de duas unidades e o valor exibido subtraído de 0.2 MHz.
Ao manter pressionado quaisquer dos botões, a freqüência vai sendo alterada
automaticamente a cada cerca de 200 ms.
Os botões representam para o microcontrolador um nível lógico baixo (0 V)
quando ativos, e estão ligados com resistências de pull-up (R21 e R22) a tensão
Vcc. A identificação do pressionamento dos botões é feita por um arquivo de
46
cabeçalho (BOTOES.INC) do programa do microcontrolador, para evitar múltiplas
detecções quando da ocorrência de um pressionamento simples. O referido arquivo
está anexo ao presente trabalho.
2.5.5 O Firmware
O firmware (software embarcado no microcontrolador) foi desenvolvido em
linguagem Assembler, que é uma linguagem de programação de baixo nível, ou seja
próxima do hardware. Isso permite que se faça um programa mais rápido e mais
eficiente, em contraponto a um maior tempo de programação. O arquivo
MP3FM.ASM (nos anexos), contém o código fonte que representa o fluxograma
abaixo. O programa é executado por macros, contidas nos arquivos de cabeçalho
correspondentes a cada um dos periféricos comandados pelo microcontrolador
(BOTOES.INC, LCD.INC E PLL.INC).
47
FIGURA 37 – FLUXOGRAMA DO FIRMWARE IMPLEMENTADO
48
3 ANÁLISE DOS RESULTADOS
3.1 RESULTADOS ECONÔMICOS
Ao final do projeto, chegamos a uma lista final de componentes do produto
final com os seus respectivos custos. O produto final poderia ser miniaturizado,
através do uso de componentes SMD e ter um tamanho de 35 mm x 25 mm x 12
mm, e ser alimentado através de apenas uma pilha AAA. Apresentamos uma
cotação comparativa para a produção do produto com os custos nos EUA, onde a
maioria das partes são fabricadas, e no Brasil.
PEÇA
QUANTIDADE
RESISTORES
CAPACITORES
INDUTORES
DIODO VARICAP
CRISTAIS
TRANSISTORES
CI1 BA1404F
CI2 PIC16F54
CI3 MC145170-2
PCI (2,5 x 3,5 cm, face dupla)
DISPLAY LCD
PLUG
BOTÕES
TOTAL
24
23
4
1
2
2
1
1
1
1
1
1
2
VALOR NOS EUA
VALOR NO BRASIL
R$ 1,10
R$ 1,59
R$ 0,07
R$ 0,23
R$ 1,66
R$ 2,39
R$ 0,11
R$ 0,32
R$ 3,45
R$ 0,92
R$ 3,34
R$ 1,01
R$ 5,29
R$ 5,12
R$ 1,19
R$ 4,72
R$ 1,43
R$ 7,49
R$ 0,92
R$ 4,35
R$ 0,28
R$ 0,18
R$ 22,72
R$ 1,42
R$ 6,57
R$ 0,47
R$ 0,27
R$ 33,17
Nota-se que o preço de produção no Brasil acaba ficando cerca de 50% mais
caro do que nos EUA, devido à cobrança abusiva de impostos de importação pelo
governo federal.
Abaixo, o gráfico mostra as porcentagens de taxas arrecadadas pelo governo sobre
cada item do projeto.
49
O preço do produto no Brasil poderia ser otimizado, utilizando-se
componentes aqui fabricados, porém, não interfeririam muito no custo final, visto que
são itens de baixo valor agregado (placa, plug, botões, indutores...).
O Brasil atualmente não dispõe de uma fábrica sequer de semicondutores, o
que nos coloca como dependentes dos países desenvolvidos. Este fato, somado às
taxas abusivas, impede o desenvolvimento da tecnologia nacional.
50
4 CONCLUSÕES
Na implementação prática de circuitos de rádio-freqüência enfrentamos várias
adversidades na qual está sujeita à ação de efeitos indesejáveis, devidos a nãoidealidades de componentes (capacitâncias e indutâncias parasitas, que alteram a
freqüência de operação do circuito), comprimentos e proximidade de trilhas (as quais
podem induzir campos elétricos umas nas outras), entre outros. Porém, as situações
podem ser contornadas, nem que sejam à custa de algum prejuízo. Ou, se mais
vantajoso for, serem absorvidas. A teoria nos fornece a base para achar com bom
senso a melhor solução para cada caso prático, pois sabemos que a teoria é que
sustenta a prática, e não o contrário.
A prática nos põe frente a frente com os problemas reais da engenharia, e
nos obriga a desenvolver uma sistemática para sua resolução. Na busca de um erro,
sempre é mais sensato isolá-lo em partes cada vez menores, até identificá-lo e
corrigi-lo. Entretanto, muitas vezes o método “tentativa-e-erro” acaba sendo a melhor
solução. A prática da eletrônica, em particular, é uma atividade que desenvolve
virtudes como persistência, concentração e capacidade de improviso.
Vimos ainda que a atual política brasileira impõe uma trava ao nosso
desenvolvimento científico, seja através da cobrança abusiva de impostos ou pela
excessiva burocracia (para liberação de materiais para pesquisa em alfândegas, por
exemplo). Dessa maneira, o que se vê é uma restrição de oportunidades e uma
conseqüente “fuga de cérebros” para o exterior.
Finalmente, pudemos observar durante ao longo do desenvolvimento deste
trabalho, duas nobres atribuições da engenharia:
- buscar sempre fazer melhor, ou mais, e com menos;
- fazer uso da ciência para produzir alguma comodidade para o ser humano.
51
5 REFERÊNCIAS
GOMES, Alcides Tadeu. Telecomunicações: Transmissão e Recepção. Editora
Érica 9ª Edição. São Paulo, 1990.
LAMAR, Marcus V. Apostila da disciplina de Princípios da Comunicação –
Capítulo 3. Curitiba, 2003.
PASTRO, Ademar L. Apostila do curso de Microcontroladores. Curitiba, 2005.
Sites da Internet:
All Datasheet
http://www.alldatasheet.com
Eletrospec – Venda de componentes eletrônicos
http://www.eletrospec.com
Livro on-line sobre microcontroladores. Disponível em:
http://www.mikroelektronika.co.yu
Microfone: O Site do Radialista. A História do rádio: Disponível em:
http://www.microfone.jor.br/historia.htm
PLL
http://paginas.terra.com.br/lazer/py4zbz/teoria/pll.htm
USBID – Cotações de componentes eletrônicos
http://www.usbid.com
Wikipedia
http://www.wikipedia.org
52
ANEXOS
ANEXO A – Folha de especificações do CI1: BA1404
53
ANEXO B – Folha de especificações do diodo varicap D1
54
ANEXO C - Folha de especificações do transistor BF199
55
ANEXO D - Folha de especificações do display de LCD
56
ANEXO E – Folha de especificações do CI2: PIC14F84A
57
ANEXO F – Folha de especificações do CI3: MC145170-2
58
APÊNDICES
APÊNDICE A – Código fonte do firmware implementado
MP3FM.ASM
;***************************************************************************
;
FIRMWARE DO MP3FM
;
PIC 16F84A
;***************************************************************************
#INCLUDE
"P16F84A.INC"
__CONFIG _CP_OFF &_WDT_OFF &_PWRTE_ON &_HS_OSC
;DESLIGA A MENSAGEM DE AVISO Nº 302:
;"Register in operand not in bank 0.
ERRORLEVEL
CONSTANT
CONSTANT
CONSTANT
CONSTANT
CONSTANT
CONSTANT
CONSTANT
Ensure that bank bits are correct"
-302
LCDEM8 = b'00110000'
LCDHOME = b'00000010'
LCDPISCA = b'00001111'
LCDON = b'00001100'
LCDCLR = b'00000001'
LCDLINHA1 = b'10000000'
LCDLINHA2 = b'11000000'
CBLOCK 0X0C
PLLfreqbyte1
PLLfreqbyte2
PLLtemp
LCDfreqfrac
LCDfreqint
LCDfrequnidade
LCDrot
LCDtemp
CONTA8
LCDenviar
DELAY
X_DELAY
FLAGS
ENDC
#DEFINE LCDPORT PORTB
#DEFINE LCDTRIS TRISB
#DEFINE LCD_RS PORTB,0
#DEFINE LCD_EN
PORTB,3
#DEFINE PLL_ENB
PORTA,3
#DEFINE PLL_DIN PORTA,2
#DEFINE PLL_CLK PORTA,4
#DEFINE BOTAOS PORTA,1
#DEFINE BOTAOD PORTA,0
#DEFINE
LIM_inf 0
#DEFINE
LIM_sup 1
#DEFINE
BOT_sob 2
#DEFINE
BOT_des 3
; DECLARAÇÃO DE CONSTANTES
; MODO 8-BITS, 2 LINHAS
; CURSOR NA PRIMEIRA POSIÇÃO
; LIGA E PISCA O CURSOR
; LCD LIGADO, SEM CURSOR
; LIMPA O DISPLAY
; ESCOLHE LINHA 1
; ESCOLHE LINHA 2
; DECLARAÇÃO DE VARIÁVEIS
; DECLARAÇÃO DE HARDWARE
ORG
00H
;VETOR DE RESET
GOTO INICIO
#INCLUDE
"LCD.INC"
; INCLUI ARQUIVOS DE CABEÇALHO AUXILIARES
#INCLUDE
"PLL.INC"
#INCLUDE
"BOTOES.INC"
INICIO
LCDini
LCDcmd LCDCLR
LCDcmd LCDON
; MACRO PARA INICIALIZAÇÃO DO DISPLAY
59
LCDddend 0x43
LCDcar '.'
LCDddend 0x46
LCDcar 'M'
LCDcar 'H'
LCDcar 'z'
MOVLW d'113'
MOVWF PLLfreqbyte1
MOVLW d'3'
MOVWF PLLfreqbyte2
MOVLW d'1'
MOVWF LCDfreqfrac
MOVLW d'88'
MOVWF LCDfreqint
CLRF FLAGS
GOTO ATUALIZA
CHECAsob
BOTsob
TESTA SE O BOTÃO SOBE FOI PRESSIONADO.
BTFSS FLAGS,BOT_sob ; SETA UM BIT DE FLAG CASO POSITIVO.
GOTO CHECAdes
; NÃO: VAI CHECAR SE O BOTÃO DESCE FOI PRESSIONADO.
LIMsup ; SIM: MACRO PARA TESTE DO LIMITE SUPERIOR
BTFSS FLAGS,LIM_sup ; SETA UM BIT DE FLAG EM CASO POSITIVO
GOTO FREQsob
; NÃO: SOBE A FREQUENCIA
GOTO INIseta
;SIM: EXECUTA MACRO PARA CONFIGURAÇÃO DO INÍCIO DA
BANDA DE FM
FREQsob
PLLfreqsob ; MACRO PARA SUBIR O VALOR DO DIVISOR N EM DUAS UNIDADES
LCDfreqsob ; MACRO PARA SUBIR 0.2 MHz NO DISPLAY LCD
GOTO ATUALIZA
CHECAdes
BOTdes
BTFSS FLAGS,BOT_des
GOTO CHECAsob
LIMinf
; MACRO PARA TESTE DO LIMITE INFERIOR
BTFSS FLAGS,LIM_inf ; VERIFICA SE LIMITE FOI ATINGIDO.
GOTO FREQdes
; NÃO: DESCE A FREQUENCIA
GOTO FIMseta
; SIM: EXECUTA MACRO PARA CONFIGURAÇÃO DO FIM DA
BANDA DE FM
FREQdes
PLLfreqdes
; MACRO PARA DIMINUIR O VALOR DO DIVISOR N DE DUAS
UNIDADES
LCDfreqdes
; MACRO PARA DESCER 0.2 MHz NO DISPLAY LCD
GOTO ATUALIZA
INIseta
INIset
; SETA VALORES INICIAIS DA BANDA.
GOTO ATUALIZA
FIMseta
FIMset
; SETA VALORES FINAIS DA BANDA.
GOTO ATUALIZA
ATUALIZA
PLLNatu
LCDfreqatu
; ENVIA AO MC145170-2 O NOVO VALOR DO DIVISOR N.
; ENVIA AO DISPLAY O NOVO VALOR DA FREQUENCIA DE
OPERAÇÃO.
CLRF FLAGS
GOTO CHECAsob
; LIMPA FLAGS PARA A PRÓXIMA VERIFICAÇÃO.
; VOLTA PARA A CHECAGEM DOS BOTÕES.
END
BOTOES.INC
;**********************************************************************************
;*
MP3FM
;*
CONTROLADOR PARA BOTÔES
;**********************************************************************************
60
BOTsob macro
CALL BOT__sob
endm
BOT__sob
BTFSC BOTAOS
GOTO BOT_sobfim
MOVLW d'170'
CALL X_DELAY500
BTFSC BOTAOS
GOTO BOT_sobfim
BSF
FLAGS,BOT_sob
; BOTÃO SOBE FOI PRESSIONADO?
; NÃO. TERMINA MACRO
; CONTINUA PRESSIONADO APÓS 50ms?
; NÃO. TERMINA MACRO
; SETA FLAG
BOT_sobfim
RETURN
BOTdes macro
CALL BOT__des
endm
BOT__des
BTFSC BOTAOD
GOTO BOT_desfim
MOVLW d'170'
CALL X_DELAY500
BTFSC BOTAOD
GOTO BOT_desfim
BSF
FLAGS,BOT_des
; BOTÃO DESCE FOI PRESSIONADO?
; NÃO. TERMINA MACRO
; CONTINUA PRESSIONADO APÓS 50ms?
; NÃO. TERMINA MACRO
; SETA FLAG
BOT_desfim
RETURN
LCD.INC
;**********************************************************************************
;
MP3FM
;
CONTROLADOR PARA LCD SEIKO L2432
;**********************************************************************************
LCDcmd macro
LCDcomando
MOVLW LCDcomando
CALL LCDcomd
endm
; ENVIA UM COMANDO AO LCD
LCD_ini
CLRF LCDPORT
; PREPARAR O PORT DO LCD
BSF STATUS,RP0
; SELECIONA BANCO 1
CLRF OPTION_REG
; PULL-UPS ATIVADOS, INTERRUPÇÃO NA BORDA DE
DESCIDA DE RB0,TMR0 NO CLK INTERNO, PRESCALER EM TMR0 1:2
CLRF LCDTRIS
; SETA PORT DO LCD COMO SAÍDA
BCF STATUS,RP0
; VOLTA AO BANCO 0
MOVLW d'100'
; DELAY DE 50 ms (DATASHEET PEDE 40 ms)
CALL X_DELAY500
CALL LCD_EM8
CALL LCD_EM8
; TEMPOS DE ESPERA JÁ ESTÃO EMBUTIDOS NA ROTINA
LCD_enviar
CALL LCD_EM8
MOVLW b'00100000'
; MODO 4-BITS
CALL LCD_enviar
; INICIALIZAÇÃO DE ACORDO COM DATASHEET DO
HD44780
LCDcmd b'00101000' ; MODO 4-BITS, 2 LINHAS, CARACTER 5X8
LCDcmd b'00001000' ; DESLIGA O DISPLAY (2 INSTRUÇÕES)
LCDcmd b'00000001' ; LIMPA O DISPLAY (2 INSTRUÇÕES)
LCDcmd b'00000110' ; ENTRY MODE: COM INCREMENTO, SEM DESLOCAMENTO (2
INSTRUÇÕES)
LCDcmd LCDHOME
; CURSOR NA 1a. POSIÇÃO
LCDcmd LCDON
; DISPLAY LIGADO
RETURN
61
LCD_EM8
MOVLW LCDEM8
CALL LCD_enviar
RETURN
; INICIAÇÃO NO MODO 8-BITS
; SUB-PROGRAMAS
LCDini macro
CALL LCD_ini
endm
LCDcar macro LCDarg
MOVLW LCDarg
CALL LCDdados
endm
LCDddend macro enddram
MOVLW enddram
CALL LCD_ddend
endm
LCD_ddend
ADDLW b'10000000'
CALL LCDcomd
RETURN
LCDcomd
CLRF LCDrot
CALL LCDe
RETURN
LCDdados
CLRF LCDrot
BSF LCDrot,0
CALL LCDe
RETURN
LCDe
MOVWF LCDtemp
ANDLW b'11110000'
IORWF LCDrot,W
CALL LCD_envia
SWAPF LCDtemp,W
LCD_enviar
; ESCREVE UM CARACTER NO LCD
; SELEÇÃO DO ENDEREÇO DE POSIÇÃO DO CARACTER
; LIMPAR FLAG DE DADOS. LCD_RS = 0 E LCD_RW = 0
; CHAMA ROTINA PARA ENVIO 4-BIT
; SETA LCD_RS
; SALVA COMANDO OU DADO EM LCDTEMP
; ISOLA 4 BITS MAIS SIGNIFICATIVOS
; IDENTIFICA O BYTE COMO SENDO DADO OU INSTRUÇÃO
; TROCAR OS 4 BITS MAIS SIGNIFICATIVOS COM OS MENOS
ANDLW b'11110000'
; ISOLAR OS 4 BITS MENOS SIGNIFICATIVOS
IORWF LCDrot,W
; IDENTIFICA O BYTE COMO DADO OU INSTRUÇÃO
CALL LCD_enviar
RETURN
; HABILITAR ENTRADA DE DADOS/COMANDOS
MOVWF LCDenviar
; ARMAZENA BYTE A ENVIAR AO LCD
CALL LCDespera
; ESPERA O LCD SAIR DO ESTADO OCUPADO
MOVF LCDenviar,W
; RECUPERA BYTE A ENVIAR
MOVWF LCDPORT
; ENVIA OS 4 BITS MAIS SIGNIFICATIVOS PARA O PORT
DO LCD
BSF LCD_EN
BCF LCD_EN
CLRF LCDPORT
RETURN
LCDespera
INSTRUÇÃO/ ENTRADA DE DADOS
MOVLW d'10'
CALL X_DELAY500
RETURN
; LIMPA PARA PRÓXIMA OPERAÇÃO
; AGUARDA 5 ms PARA FINALIZAÇÃO DE
LCDfreqsob macro
CALL LCD_freqsob
Endm
LCD_freqsob
BCF STATUS,Z
; SOBE A FREQUENCIA EXIBIDA NO LCD
MOVLW d'9'
SUBWF LCDfreqfrac,W ; TESTA SE BYTE DO DECIMO É IGUAL A 9
BTFSS STATUS,Z
GOTO LCD_freqsob1
; NÃO
GOTO LCD_freqsob2 ; SIM
LCD_freqsob1
62
MOVLW d'2'
; NÃO. SOMA 2
ADDWF LCDfreqfrac,F ; ALTERA APENAS PARTE FRACIONÁRIA
RETURN
LCD_freqsob2
; SIM
MOVLW d'1'
; DECIMO SOBE PARA 1
MOVWF LCDfreqfrac
INCF LCDfreqint,F
; INCREMENTA PARTE INTEIRA DA FREQUENCIA
RETURN
LCDfreqdes macro
CALL LCD_freqdes
endm
LCD_freqdes
BCF STATUS,Z
MOVLW d'1'
; TESTA SE BIT DO DÉCIMO É 1.
SUBWF LCDfreqfrac,W
BTFSS STATUS,Z
GOTO LCD_freqdes1
; NÃO
GOTO LCD_freqdes2
; SIM
LCD_freqdes1
MOVLW b'11111110'
; NÃO. SOMA -2 BINÁRIO
ADDWF LCDfreqfrac,F ; ALTERA APENAS DÉCIMO
RETURN
LCD_freqdes2
MOVLW d'9'
; SIM. DIGITO DESCE PARA 9
MOVWF LCDfreqfrac
DECF LCDfreqint,F
; DECREMENTA A PARTE INTEIRA DA FREQUENCIA
RETURN
LCDfreqatu macro
; ATUALIZA O VALOR DA FREQUENCIA NO DISPLAY
CALL LCD_freqatu
endm
LCD_freqatu
BCF STATUS,C
MOVLW b'10011100'
; -100 BINÁRIO
ADDWF LCDfreqint,W
MOVWF LCDfrequnidade
; SALVA A UNIDADE PARA POSTERIOR ENVIO
BTFSS STATUS,C
; NÚMERO É MAIOR QUE 100?
GOTO LCD_freqatu1
; NÃO. NÚMERO É MENOR QUE 100.
LCDddend 0x40
; SIM. SETA ENDEREÇO INICIAL DE ESCRITA
LCDcar '1'
; IMPRIME ALGARISMO DAS CENTENAS
LCDcar '0'
; IMPRIME ALGARISMO DAS DEZENAS
GOTO LCD_freqatu3
; VAI PARA ENVIO DE UNIDADE E DÉCIMO
LCD_freqatu1
BCF STATUS,C
MOVLW b'10100110'
; -90 BINÁRIO
ADDWF LCDfreqint,W
MOVWF LCDfrequnidade
; SALVA A UNIDADE
BTFSS STATUS,C
; NÚMERO É MAIOR QUE 90?
GOTO LCD_freqatu2
; NÃO. ENTÃO SÓ PODE SER 80 E TANTOS.
LCDddend 0x40
; ENDEREÇO INICIAL DE ESCRITA
LCDcar ' '
; ESPAÇO
LCDcar '9'
; DEZENA
GOTO LCD_freqatu3
LCD_freqatu2
BCF STATUS,C
MOVLW b'10110000'
; DIMINUI DE 80 PARA OBTER ALGARISMO DA UNIDADE
ADDWF LCDfreqint,W
MOVWF LCDfrequnidade
LCDddend 0x40
; ENDEREÇO INICIAL DE ESCRITA
LCDcar ' '
; ESPAÇO
LCDcar '8'
; DEZENA
LCD_freqatu3
MOVF LCDfrequnidade,W
; UNIDADE
ADDLW 0x30
CALL LCDdados
LCDcar '.'
; ESPAÇO PARA O PONTO
MOVF LCDfreqfrac,W
; PARTE FRACIONARIA
ADDLW 0X30
63
CALL LCDdados
RETURN
DELAY500
MOVLW
MOVWF
DELAY500_LOOP
DECFSZ
GOTO
DELAY500_END
RETURN
X_DELAY500
MOVWF
X_DELAY500_LOOP
CALL
DECFSZ
GOTO
RETURN
D'165'
DELAY
DELAY, F
DELAY500_LOOP
X_DELAY
DELAY500
X_DELAY, F
X_DELAY500_LOOP
; DELAY DE 500 us COM CRISTAL 4 MHz
; +1
1 CICLO
; +2
1 CICLO
; PASSO 1
; PASS O2
1 CICLO
2 CICLOS
; +3
2 CICLOS
; DELAY DE W * 500 us
; +1
1 CICLO
; PASSO 2
; PASSO 3
; +2
1 CICLO
2 CICLOS
2 CICLOS
PLL.INC
;*********************************************************************************
;
MP3FM
;
CONTROLADOR PARA PLL MC145170-2 - FAIXA DE FM 88.1 - 108.9 MHz
;*********************************************************************************
PLLini macro
CALL PLL_ini
endm
PLL_ini
MOVLW b'01100100'
; SETA REGISTRADOR C
BCF PLL_ENB
; ENVIA 1 BYTE
CALL PLLenv
BSF PLL_ENB
MOVLW d'0'
; SETA REGISTRADOR N (DIVISOR DA REFERENCIA)
BCF PLL_ENB
; ENVIA 2 BYTES
CALL PLLenv
MOVLW d'40'
; PASSO SERÁ DE REF/40 = 100 KHz
CALL PLLenv
BSF PLL_ENB
RETURN
PLLfreqsob macro
CALL PLL_freqsob
endm
PLL_freqsob
; SOBE A FREQUENCIA EM UM PASSO
BCF STATUS,C
MOVLW d'2'
ADDWF PLLfreqbyte1,F; AUMENTA EM 2 O DIVISOR N (= +200 kHz)
BTFSC STATUS,C
; AUMENTA O BYTE SUPERIOR DE N, CASO
NECESSÁRIO
INCF PLLfreqbyte2,F
RETURN
PLLfreqdes macro
CALL PLL_freqde
; DIMINUI A FREQUENCIA EM UM PASSO .
endm
PLL_freqdes
BCF STATUS,C
MOVLW b'11111110'
; -2 EM BINÁRIO
ADDWF PLLfreqbyte1,F; DIMINUI EM 2 O DIVISOR N (= -200 kHz)
BTFSS STATUS,C
; DIMINUI O BYTE SUPERIOR DE N, CASO
NECESSÁRIO
64
DECF PLLfreqbyte2,F
RETURN
PLLNatu macro
CALL PLL_Natu
endm
PLL_Natu
MOVLW d'0'
; ENVIA BYTE ZERADO (DON´T CARES)
BCF PLL_ENB
CALL PLLenv
MOVF PLLfreqbyte2,W ; ENVIA BYTE SUPERIOR
CALL PLLenv
MOVF PLLfreqbyte1,W ; ENVIA BYTE INFERIOR
CALL PLLenv
BSF PLL_ENB
RETURN
PLLenv
MOVWF PLLtemp
MOVLW d'8'
MOVWF CONTA8
RLF PLLtemp,W
RLF PLLtemp,W
; VARIAVEL AUXILIAR PARA ROTAÇÃO DO BYTE
; CONTADOR DE CLOCKS
ANDLW b'00000001'
MOVWF PORTA
BSF PLL_CLK
BCF PLL_CLK
DECFSZ CONTA8,F
; ISOLA O BIT EM PORTA,0
PLLenv1
; DIMINUI UM NO CONTADOR. SE 0, ENCERRA O
ENVIO
GOTO PLLenv2
RETURN
PLLenv2
RLF PLLtemp,W
GOTO PLLenv1
; ROTACIONA O BYTE A ESQUERDA
; VOLTA PARA NOVO ENVIO DE BIT
LIMsup macro
CALL LIM__sup
endm
LIM__sup
BCF STATUS,Z
MOVF PLLfreqbyte1,W
SUBLW d'65'
SO PODE SER 108.9
BTFSC STATUS,Z
BSF FLAGS,LIM_sup
RETURN
LIMinf macro
CALL LIM__inf
endm
LIM__inf
BCF STATUS,Z
MOVF PLLfreqbyte1,W
SUBLW d'113'
88.1
BTFSC STATUS,Z
BSF FLAGS,LIM_inf
RETURN
FIMset macro
CALL FIM_set
endm
FIM_set
MOVLW b'00000100'
(-2= 108.9)
MOVWF PLLfreqbyte2
MOVLW b'01000001'
MOVWF PLLfreqbyte1
; TESTA SE FREQUENCIA É 108.9 MHz
; SE BYTE INFERIOR É 65, ENTÃO A FREQUENCIA
; TESTA SE FREQUENCIA É 88.1 MHz
; SE BYTE INFERIOR É 113, FREQUENCIA SO PODE SER
; SIM. FREQUENCIA É 88.1 . SETA FLAG.
; VOLTA PARA O FIM DA FAIXA. BYTE SUPERIOR DE 1091
; BYTE INFERIOR DE 1089
65
MOVLW d'108'
MOVWF LCDfreqint
; VOLTA PARA O FIM DA FAIXA TAMBÉM NO DISPLAY
(108.9 MHz)
MOVLW d'9'
MOVWF LCDfreqfrac
RETURN
INIset macro
CALL INI_set
endm
INI_set
MOVLW b'00000011'
FAIXA. BYTE SUPERIOR DE 881
MOVWF PLLfreqbyte2
MOVLW b'01110001'
MOVWF PLLfreqbyte1
MOVLW d'88'
MOVWF LCDfreqint
(88.1 MHz)
MOVLW d'1'
MOVWF LCDfreqfrac
RETURN
; SIM. FREQUENCIA É 108.9 . VOLTA PARA INICIO DA
; BYTE INFERIOR DE 881
; VOLTA PARA O INÍCIO DA FAIXA TAMBÉM NO DISPLAY
66
APÊNDICE B – Layout da placa de circuito impresso do protótipo
67
APÊNDICE C – Esquemática do circuito eletrônico
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