Le Onde Convogliate
Tesina per l’Esame di Stato di
Tisat Nicola
Anno Scolastico 2011/2012
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Indice
Introduzione……………………………………….. pag. 2
La modulazione FSK……………………………… pag. 4
Schema logico del circuito………………………... pag. 7
Descrizione dei singoli blocchi…………………….pag. 7
− Il modulatore………………………………. pag. 7
− Il circuito di trasmissione………………….. pag. 8
− Il circuito di ricezione……………………... pag. 9
− Il demodulatore…………………..………... pag. 10
Schema elettrico dei circuiti………………………. pag. 12
− Il trasmettitore……………………………... pag. 12
− Il ricevitore………………………………… pag. 14
Conclusioni………………………………………... pag. 15
Bibliografia………………………………………... pag. 18
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Introduzione
Scopo di questo progetto è la realizzazione di un trasmettitore e di un ricevitore digitale
comunicanti tramite onde convogliate, ovvero scambiando dati lungo la linea della tensione di rete a
220V.
L’idea di base è di sfruttare la connessione fisica presente fra due prese di corrente e
costituita dalle linee dell’impianto elettrico per comunicare a distanza, senza quindi dover
predisporre ulteriori cavi. Nel far questo è però necessario fare i conti col fatto che i conduttori
utilizzati sono già sottoposti ad una tensione alternata di qualche centinaio di Volt, alla quale
andremo a sommare il segnale da trasmettere con l’aiuto di un trasformatore.
Essendo la frequenza della tensione di rete a 50Hz, per non confondere con quest’ultima il
segnale utile è necessario che esso sia modulato ad una frequenza maggiore, in questo caso a 125 ÷
175 kHz.
È stata scelta una modulazione di tipo FSK, che permette un’ottima immunità dai disturbi
ampiamente presenti all’interno della rete.
L’ingresso del trasmettitore sarà collegato ad un tasto, col quale verranno imposti i livelli
logici da trasmettere, mentre il ricevitore visualizzerà lo stato dell’interruttore su di un led.
Chiaramente, sostituendo al tasto un circuito digitale come un microcontrollore, sarà
possibile inviare pacchetti di dati da un luogo all’altro, creando una rete locale. Questa, anche se
non veloce come può essere una classica LAN formata da elaboratori e connessi tramite doppino
telefonico o cavo coassiale, permette comunque un’efficace scambio di dati e può essere utilizzata
per automatizzare alcuni processi domestici: ad esempio un sensore di temperatura posto all’interno
delle camere da letto può far avviare la caldaia posta nel seminterrato, il tutto comunicando la
temperatura, opportunamente codificata in codice binario, tramite la linea elettrica, che raggiunge
praticamente tutti gli ambienti domestici, senza dover predisporre la posa di ulteriori cavi all’interno
dei muri, ma sfruttando quelli già esistenti.
Un sistema domotico completo può richiedere decine di sensori e altrettanti attuatori: questo
comporta un traffico dati piuttosto elevato e il rischio di collisione aumenta, a meno che non si
predisponga ogni coppia trasmettitore-ricevitore di frequenze diverse, ma questo richiederebbe
diverso tempo per tarare il tutto e inoltre bisognerebbe tenere conto della banda occupata dal
segnale, che impedisce di usare un elevato numero di canali.
Una soluzione è di realizzare un sistema del tipo Master-Slave, nel quale un ricetrasmettitore (Master) fa da capo a tutti gli altri (Slave): il Master coordina il flusso dati,
interrogando a turno i vari sensori e dando le direttive corrette ai vari attuatori. Ogni periferica è
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dotata di un indirizzo personale, che viene usato dal Master per comunicare con un solo dispositivo
alla volta, evitando così conflitti.
Si viene così a creare una sorta di LAN di tipo bus, con qualche affinità con la tipologia a
stella: i dispositivi sono posizionati lungo un’unica dorsale (collegati tutti alla stessa linea) che
condividono per la trasmissione; la comunicazione non è però possibile direttamente tra di loro, ma
i dati devono passare obbligatoriamente per il dispositivo Master, che li richiede ad uno specifico
dispositivo tramite l’uso del relativo indirizzo, li elabora e li rimette in rete a disposizione
dell’attuatore individuato con un determinato indirizzo, in modo che non vengano rilevati
erroneamente da apparecchi non interessati.
Questa è solo una delle possibili soluzioni, ma è molto utile nel caso si voglia avere un’unica
stazione dalla quale sia possibile controllare l’intero sistema di rice-trasmittenti, senza dover
raggiungere un sensore posto magari in un punto scomodo solamente per ritoccare il valore di
temperatura alla quale vogliamo che scatti ad esempio la nostra caldaia!
Nel caso si desideri, invece, collegare fra loro dei computer, il tipo di LAN potrà essere un
comune bus, senza Master né Slave, implementando un algoritmo per evitare conflitti fra i vari
elaboratori. Una rete di questo tipo risulta essere molto interessante in ambienti quali uffici, in
quanto è possibile creare una stazione di lavoro connessa alla rete ovunque ci sia una presa di
corrente, che assolve anche allo scopo di alimentare la postazione.
Sfruttando questo particolare, in città sarebbe possibile rendere disponibili alla popolazione delle
prese di corrente che permettano anche la connessione alla rete internet, creando così un parallelo
agli ormai diffusi “internet-point” con connessione Wi-Fi.
I limiti delle onde convogliate rispetto alle onde radio sarebbero in realtà molteplici, a partire dalla
velocità di comunicazione ed arrivando alla necessità di essere connessi fisicamente alla rete e non
avere così una grande libertà di movimento che invece può avere tablet o smartphone; in compenso
si avrebbe la possibilità di ricaricare la batteria del dispositivo mentre si naviga ed inoltre si
ridurrebbe l’inquinamento elettromagnetico, dannoso per la salute.
Questa tecnologia viene efficacemente utilizzata da ormai diversi anni dai fornitori di
energia elettrica. Tramite la modulazione di segnali lungo le linee ad alta tensione, è possibile la
comunicazioni fra le stazioni di abbassamento o di innalzamento della tensione; inoltre la tele
lettura dei contatori viene effettuata proprio in questo modo.
Un altro campo di utilizzo è la comunicazione con i treni in marcia.
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La modulazione FSK
La modulazione FSK (Frequency-shift keying) fa parte delle modulazioni analogiche di
segnali digitali e consiste, in caso
di trasmissione binaria e quindi
con
solamente
due
livelli
possibili (1 o 0), nel variare la
frequenza della portante in base
al livello logico in ingresso: nel
nostro caso una frequenza di
125kHz identifica il livello 0,
mentre
175kHz
individua
il
livello 1.
L’informazione da trasmettere è
quindi assegnata alla frequenza
della portante e non all’ampiezza
come nel caso di una modulazione d’inviluppo: questo rende la modulazione di frequenza
maggiormente immune ai disturbi presenti in gran quantità nella rete elettrica, generati ad esempio
dal motore di molti elettrodomestici. Il rumore infatti influenza l’ampiezza, ma non la frequenza dei
segnali, assicurando così che la trasmissione abbia maggiori probabilità di andare a buon fine.
Le frequenze usate per la portante devono essere il risultato di tre condizioni:
− Frequenza maggiore o uguale alla frequenza della modulante;
− Valori abbastanza distanti da permettere un’adeguata separazione ed evitare così
interferenze d’intersimbolo;
− Limitare la banda occupata, in modo da consentire un maggior numero di canali.
L’indice di modulazione mf indica quanto il segnale è modulato, e va da 0 a 1; oltre si presenta un
effetto di distorsione chiamato sovramodulazione. Esso corrisponde al rapporto (f1-f0) fra la
differenza tra le frequenze corrispondenti ai due livelli logici e la velocità di modulazione (Vm) in
baud:
mf =
f1 − f 0 2∆f
=
Vm
Vm
dove ∆f corrisponde alla deviazione di frequenza, ovvero di quanto la frequenza della portante si
discosta in corrispondenza dei livelli logici dalla frequenza centrale (collocata al centro della banda
disponibile).
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La banda occupata dal segnale si calcola usando questa formula:
B FSK = ( f1 + f c ) − ( f 0 − f c ) = f1 − f 0 + 2 f c
dove fc indica la frequenza di cifra in baud.
La formula può essere dedotta
osservando lo spettro di questo tipo
di modulazione: esso è formato da
due parti, la prima centrata sulla
frequenza corrispondente al livello
basso, la seconda centrata sulla
frequenza corrispondente al livello alto. Gli estremi di ciascuna “mezza” banda sono distanti dalla
frequenza f0 o f1 di un valore corrispondente alla frequenza di cifra, dalla quale dipende quindi la
banda occupata.
I grafici che seguono sono relativi ad una portante di tipo sinusoidale, modulata con un’onda
quadra.
In realtà lo spettro del segnale, essendo un’onda di tipo sinc(f), continua all’infinito presentando
ripetizioni a frequenze pari a multipli della frequenza portante (armoniche), ma il segnale risulta
notevolmente attenuato
già dalla prima
ripetizione, limitando di
fatto la banda
all’intorno
dell’armonica
fondamentale.
Ciò è stato evidenziato
grazie all’uso di un
analizzatore di spettro,
il quale mostra
evidentemente la
componente continua
del segnale (prima linea
sulla sinistra). Proseguendo verso destra, la seconda linea indica la frequenza della portante (in
questo caso 125kHz), mentre la successiva rappresenta un’armonica, attenuata di circa 10dB
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(ovvero 10 volte minore) rispetto alla portante. Le successive armoniche risultano essere sempre più
attenuate, fino a confondersi col rumore.
Si può notare come siano presenti solamente le armoniche dispari (1×f; 3×f; 5×f; 7×f; etc.), essendo
la portante in questo caso non un’onda sinusoidale ma un’onda quadra, la quale è appunto formata
solamente dall’armonica fondamentale più le armoniche dispari.
Commercialmente vengono utilizzate frequenze più vicine (1300 e 2100 Hz) che permettono
1200 baud con un indice di modulazione di 0.66 (standard V.23 C.C.I.T.T.) e una banda di 3200Hz,
ma in questo progetto sono state utilizzate le frequenze indicate in precedenza sia per motivi pratici,
quali la velocità di far i conti necessari usando valori il più possibile tondi, sia perché, com’è stato
scritto sopra, usando frequenze più alte è possibile usare un segnale modulante a frequenze più alte.
Questo comunque non altera la trattazione, ma solamente i valori dei componenti impiegati all’atto
pratico della realizzazione del circuito.
È possibile che nella commutazione fra uno stato logico e un altro, venga a mancare la
continuità di fase nella portante, con una brusca variazione del livello del segnale. Questo crea
componenti ad alta frequenza che possono disturbare altri canali di comunicazione. Sono stati
quindi elaborati altri tipi di modulazioni quali la CPM (Continuous Phase Modulation) che risolve
questo problema assicurando la continuità di fase in una modulazione FSK.
La modulazione FSK viene usata nelle trasmissioni di dati fra modem (fino a qualche tempo
fa veniva impiegata la AFSK, Audio Frequency-Shift Keying, la quale usava frequenze in campo
audio, i cosiddetti toni. Essi erano udibili quando si alzava la cornetta telefonica, producendo un
caratteristico suono. Questi tipi di modem risultano però essere lenti e sono così stati sostituiti da
altri modelli che utilizzano frequenze più elevate), nei ponti radio, nei cellulari, nei collegamenti via
satellite.
Per il modulatore si può utilizzare un VCO, ovvero un oscillatore controllato in tensione.
Questa soluzione è sicuramente una delle più semplici, ma non assicura la continuità di fase, che
come abbiamo precedentemente visto, può causare dei disturbi per altri canali.
Per il demodulatore si può utilizzare efficacemente un circuito ad anello ad aggancio di fase
(PLL, Phase-Locked Loop).
Entrambi questi circuiti (VCO e PLL) verranno discussi in seguito.
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Schema logico del circuito
Il sistema è composto da quattro blocchi, divisi in due unità collegate fra loro dalla rete di
alimentazione: il trasmettitore (formato da modulatore e circuito di trasmissione) e il ricevitore
(formato dal circuito di ricezione e dal demodulatore). Sono inoltre presenti, ma non riportati nello
schema logico, gli alimentatori per generare le tensioni necessarie al funzionamento dei vari
blocchi.
Il cuore del circuito di modulazione e di quello di demodulazione è costituito da un unico
In
Modulatore
Circuito di
trasmissione
220Vac
Circuito di
ricezione
Out
Demodulatore
integrato siglato CD4046. Esso contiene un VCO e due tipi di comparatori di fase, descritti in
seguito.
Descrizione dei singoli blocchi
Il modulatore
Il modulatore è la parte di circuito che si occupa di creare una portante modulata a seconda
del segnale da trasmettere. È formato da un VCO, ovvero un oscillatore la cui frequenza è
proporzionale alla tensione applicata ai suoi ingressi: nel nostro caso vengono applicati i due livelli
logici 0 e 1. Avremmo quindi una frequenza diversa per ogni livello, rispettivamente 125 kHz e 175
kHz.
Il VCO contenuto nell’integrato è di tipo digitale, ovvero non basato sull’uso di diodi
varicap, ma su porte logiche.
I diodi varicap sono particolari componenti, i quali variano la loro capacità di giunzione al
variare della tensione di polarizzazione inversa. Per questo motivo essi vengono solitamente usati in
polarizzazione inversa, impedendo così che vi scorra corrente. Considerando questa caratteristica,
risulta evidente come essi possano essere inseriti in circuiti LC accordati e quindi essere
efficacemente impiegati in oscillatori sinusoidali, anche ad alta frequenza.
Questi tipi di VCO non possono chiaramente essere implementati all’interno di integrati, a
causa della dimensione delle induttanze; per questo vengono usati oscillatori digitali.
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Nel caso del CD4046, la tensione di controllo VCO_in, tramite uno specchio di corrente e
due resistenze (R1 e R2), viene convertita in una corrente. Quest’ultima va a caricare il
condensatore C1 attraverso i quattro mosfet connessi a ponte e attivi alternativamente in senso
“diagonale”: i transistor attivi contemporaneamente saranno perciò quello in alto a sinistra e quello
in basso a destra, oppure quello in alto a
destra e quello in basso a sinistra,
permettendo così a C1 di caricarsi e
scaricarsi attraverso essi (configurazione
totem-pole).
La tensione presente ai capi del
condensatore viene controllata da due
porte NOT con ingresso a trigger di
Schmitt, dotate cioè di livelli di soglia
precisi e con un ciclo d’isteresi. La porta è
quindi dotata di due valori di soglia: Vt+ e
Vt- . Quando il segnale in ingresso supera
Vt+, l’uscita passa a livello alto, ma ritorna a zero solamente quando l’ingresso è sceso sotto a Vt-.
Questo intervallo di tensione fra le due soglie permette al condensatore di caricarsi, ma appena
questo raggiunge ai suoi capi una tensione pari a Vt+, le porte triggherate fanno scattare il latch SetReset formato dalle 2 porte NOR. L’uscita di questo flip-flop comanda il ponte di mosfet, il quale
inverte la polarità ai capi del condensatore, che inizia a scaricarsi fino a quando la tensione ai suoi
capi non raggiunge Vt-, facendo commutare il latch e ricominciando così il ciclo. L’onda quadra in
uscita viene presa dal segnale che comanda i gate dei due mosfet di uno dei due semiponti.
La frequenza è quindi funzione della tensione VCO_in, realizzando così un oscillatore
controllato in tensione.
Il circuito di trasmissione
Il circuito di trasmissione si occupa di sommare il segnale modulato alla tensione
sinusoidale di rete, permettendo così di diffondere l’informazione su tutto l’impianto a 220V. Per
ottenere ciò è stato usato un trasformatore per alta frequenza con rapporto di trasformazione 1:1, il
cui primario è comandato tramite un transistor di segnale che può lavorare a frequenze maggiori di
un BJT di potenza. È inoltre stato inserito un diodo di ricircolo in parallelo all’avvolgimento, per
evitare che sovratensioni causate dalla rapida variazione di corrente nella bobina (fronti dell’onda
quadra) danneggino il BJT.
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Il secondario del trasformatore è connesso alla rete tramite un condensatore da 10nF, di cui
si sfrutta la reattanza capacitiva per abbassare il valore della tensione di linea. Infatti, mentre per
una frequenza di 125 kHz la reattanza Xc vale solamente 127Ω e permette quindi al segnale di
passare, a 50 Hz si ha una resistenza di più di 300kΩ (318309Ω), la quale fa passare pochissima
corrente e diminuisce la tensione da 220V a valori molto minori.
Questo è necessario per evitare che la tensione di linea (220V) bruci gli avvolgimenti,
realizzati con filo di rame estremamente sottile; inoltre, se anche le spire resistessero, il rapporto di
trasformazione 1:1 presenterebbe sul primario nuovamente 220V, i quali comporterebbero seri
danni al circuito con rischi anche per l’operatore, che si ritroverebbe a manovrare un circuito in cui
sono presenti tensioni letali.
Chiaramente è necessario che questo condensatore sia caratterizzato da una tensione
massima superiore a quella di picco della tensione di rete, ovvero 311V. È stato utilizzato un
condensatore al poliestere con tensione massima di 400V.
Il segnale si diffonde così in tutta la rete e può essere prelevato dal ricevitore da una
qualunque presa a muro, per poi essere demodulato.
Il circuito di ricezione
Questo circuito si occupa di estrarre il segnale utile dalla rete e di condizionarlo per renderlo
utilizzabile dal demodulatore. È composto dal trasformatore ad alta frequenza, connesso alla linea
tramite un condensatore da 10nF 400V per gli stessi motivi visti nel
trasmettitore, da un comparatore e da due BJT.
In ingresso al comparatore (realizzato con un amplificatore
operazionale siglato LM318) è posto il segnale in uscita dal trasformatore. È
stata aggiunta una protezione per evitare che sovratensioni mettano fuori uso
lo stadio d’ingresso dell’integrato: questa è realizzata da due diodi, connessi
come in figura, i quali intervengono solamente in caso di tensioni maggiori di
Vcc oppure negative.
La soglia d’intervento del comparatore è decisa tramite un potenziometro, con il quale si può
quindi regolare la sensibilità del ricevitore: questa taratura è bene che sia eseguita ogni volta che il
punto in cui il trasmettitore o il ricevitore è connesso alla rete viene cambiato.
Sia l’ingresso sia l’uscita del comparatore sono stati disaccoppiati con dei condensatori da
10nF, come ulteriore filtro contro eventuali componenti continue che possono far saturare gli stadi
successivi.
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I due BJT successivi squadrano ulteriormente il segnale e portano l’ampiezza del livello alto
al valore di +Vcc. Sono utilizzati due transistor per assicurare un adeguato guadagno ed essere certi
di ottenere dei fronti abbastanza pendenti nell’onda quadra in uscita.
Il demodulatore
Il demodulatore si occupa di risalire al segnale che ha modulato la portante; trattandosi di
una modulazione in frequenza (FSK), il demodulatore dovrà essere un convertitore
frequenza/tensione. L’integrato usato (CD4046) è infatti in realtà un PLL (Phase Locked Loop), il
quale permette efficacemente questa conversione.
Questo “anello ad aggancio di fase” è utilizzato in molti campi dell’elettronica, ad esempio
come generatore di clock nei sistemi a microprocessore, perché permette un’elevata precisione
anche a frequenze elevate.
Il
essere
circuito
riassunto
può
dallo
schema a lato, formato da
un filtro passa basso, un
Segnale
modulato
Comparatore
di fase
comparatore di fase e un
oscillatore controllato
Filtro
passa basso
Modulante
VCO
in
tensione (VCO), la cui
frequenza è determinata dal valore in tensione del segnale al suo ingresso. Il comparatore di fase
riceve due ingressi: il segnale modulato e l’oscillazione del VCO. Solo nel caso le frequenze dei
due segnali siano uguali, l’uscita del comparatore è zero, altrimenti è un valore variabile nel tempo.
In questo caso il filtro passa basso fornisce un livello di tensione che tende a modificare la
frequenza del VCO in modo da farla coincidere con quella del segnale ricevuto. In questo modo, se
il segnale è modulato in FM, la frequenza del VCO tende a seguire le variazioni in frequenza e
l’uscita del filtro è proporzionale al segnale modulante.
Sono presenti due comparatori di fase nell’integrato, impiegati a seconda del caso. Il primo
comparatore è costituito da una porta XOR, la quale dà in uscita un livello logico alto solamente
quando i segnali in ingresso non sono uguali, ovvero quando sono uno alto e uno basso o viceversa.
Applicando l'uscita dello XOR a un filtro passa basso si ottiene una tensione proporzionale alla
differenza di fase tra i due segnali. Questo tipo di comparatore è sensibile al duty cicle, per questo il
segnale in ingresso dovrebbe avere un d.c. pari al 50%. Nel nostro caso questo non può essere
assicurato, perciò viene usato il comparatore di fase 2.
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Il secondo comparatore consiste in un circuito sequenziale asincrono, formato da quattro
flip-flop. Esso agisce solamente in presenza
del fronte di salita del segnale in ingresso e
non è quindi condizionato dal duty cicle.
Nel caso in cui la frequenza del
segnale in ingresso sia maggiore di quella del
VCO, il comparatore pone a livello alto la sua
uscita, la quale carica il condensatore del filtro
passa basso e incrementa la frequenza del
VCO; se invece la frequenza del segnale è
minore di quella del VCO, l’uscita viene
messa
a
massa,
così
da
scaricare
il
condensatore del filtro e da far diminuire la
frequenza di oscillazione del VCO; nel caso in
cui la fase (e quindi la frequenza) sia la stessa fra i due segnali, la sua uscita passa in uno stato di
alta impedenza, la quale permette di non scaricare il condensatore del filtro passa basso connesso
all’uscita e mantenere la frequenza del VCO agganciata a quella del segnale in ingresso.
È inoltre presente un’ulteriore uscita (Phase Pulses Output) che può essere usata per indicare
quando il PLL è agganciato, in quanto questa va a livello alto solamente quando l’uscita del
comparatore va nello stato ad alta impedenza.
Il filtro passa basso è esterno all’integrato, ed è formato semplicemente da una resistenza e
da un condensatore di valore rispettivamente 470kΩ e 39nF. Esso svolge la fondamentale funzione
di caricarsi sul valore medio del segnale in uscita dal comparatore di fase, e fornire quindi al VCO
una tensione continua.
Il segnale, una volta demodulato, è disponibile per le più svariate applicazioni, come
abbiamo visto nell’introduzione.
I circuiti di alimentazione sono del tutto simili sia per il trasmettitore sia per il ricevitore, e
sono formati dalla classica configurazione trasformatore, ponte a diodi, condensatore e
stabilizzatore. Il secondario del trasformatore dà 12Veff, che una volta raddrizzati dal ponte di
graetz, caricano il condensatore al valore di picco della semionda pari a 17V. Il ponte a diodi è
formato da quattro semiconduttori siglati 1N4007, adatti a sopportare correnti di 1A e tensioni
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inverse fino a 1000V. Il condensatore è da 1000uF, valore forse esagerato considerando
l’assorbimento modesto del circuito in questione, ma che permette un ripple estremamente ridotto,
evitando così di influenzare in alcun modo la logica di comando. Gli stabilizzatori sono degli
integrati siglati 7805 e 7812, i quali provvedono a fornire una tensione continua rispettivamente di
+5V e +12V.
Schema elettrico dei circuiti
Il trasmettitore
Possiamo notare come il transistor che fa da driver per il trasformatore ad alta frequenza sia
alimentato a 12V, in modo da ottenere una maggiore potenza di trasmissione e coprire così una
distanza maggiore.
Per ottenere i 12V è stato utilizzato uno stabilizzatore LM7812, il quale abbassa la tensione
di 17V presente ai capi del condensatore di filtro. La tensione, regolata dall’integrato, è poi
nuovamente abbassata a 5V, valore necessario al VCO per funzionare correttamente.
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Queste due regolazioni permettono di dividere la caduta di tensione che ogni regolatore deve
realizzare, dividendo così la potenza dissipata da ogni integrato. Infatti, supponendo una corrente di
100mA, il primo stabilizzatore dovrebbe dissipare:
Pd 1 = (Vin − Vout ) ⋅ I = (17 − 12 ) ⋅ 0.1 = 0.5W ,
mentre il secondo stabilizzatore:
Pd 2 = (12 − 5) ⋅ 0.1 = 0.7W .
Se si fosse passato direttamente da 17V a 5V, la potenza (che ipotizzando 100mA sarebbe
stata di 1.2W) sarebbe stata dissipata solamente da un unico integrato, con la possibilità di un
surriscaldamento se non si procede ad applicare un’aletta di raffreddamento.
Sono stati inoltre inseriti dei condensatori da 100nF estremamente vicini ai pin d’ingresso e
di uscita degli stabilizzatori, in modo da evitare l’insorgere di auto oscillazioni che si possono
propagare lungo tutto il circuito e interferire col funzionamento dell’intero sistema.
Inoltre un diodo posto in parallelo all’integrato evita, al momento dello spegnimento, che la
tensione presente ai capi del condensatore posto in uscita tenti di scaricarsi attraverso l’integrato,
danneggiandolo. La carica immagazzinata viene invece deviata verso l’ingresso dello stabilizzatore,
dove potrà scaricarsi agevolmente attraverso l’integrato.
I valori delle resistenze e del condensatore connessi al VCO, che determinano le frequenze
di oscillazione, sono stati determinati in parte per via empirica, in quanto il datasheet dell’integrato
non mette a disposizione delle formule ma solamente dei grafici dai quali dedurre il valore
approssimato dei componenti; vanno inoltre considerate le varie tolleranze costruttive: alle volte la
pratica risulta più efficace della teoria.
I due led, verde e rosso, indicano rispettivamente la presenza di tensione di alimentazione e
la pressione del tasto di trasmissione.
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Il ricevitore
Nel ricevitore è stato usato un solo stabilizzatore, alettato per favorire la dissipazione del
calore generato: montare un altro regolatore solamente per dividere la potenza dissipata sarebbe
stato antieconomico e avrebbe occupato spazio inutilmente nella basetta mille fori.
Anche nel ricevitore vengono utilizzati due led: uno verde per indicare, come nel
trasmettitore, la presenza di tensione di alimentazione e quindi l’operatività del circuito; uno rosso
per indicare l’avvenuta ricezione del segnale. Quest’ultimo led si accende alla pressione del tasto
nel circuito del trasmettitore.
Il trimmer del comparatore serve a regolare la sensibilità del ricevitore: esso va manovrato in
modo che il led rosso risulti acceso quando il tasto remoto è premuto e si spenga quando il tasto
viene rilasciato.
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Conclusioni
Il sistema di trasmissione descritto in questa trattazione è stato realizzato prima come
prototipo su una basetta sperimentale (breadboard) e poi, una volta diventato definitivo, su di una
basetta mille-fori. Essendoci tensioni pericolose (220Vac) le piazzole di rame sotto i trasformatori
di alimentazione e di segnale fra i contatti del primario e del secondario sono state eliminate, in
modo da permettere un adeguato isolamento e scongiurare il pericolo di formazione di archi
elettrici. Come ulteriore protezione è stato inserito un fusibile, che interviene scollegando il circuito
dall’alimentazione in caso di cortocircuiti o sovrassorbimenti che in casi particolarmente gravi
possono portare all’esplosione di alcuni componenti.
Grazie ad un generatore di funzioni collegato in ingresso al posto del tasto, è stato possibile
evidenziare la modulazione FSK sullo schermo dell’oscilloscopio:
È possibile notare come ad un livello di tensione alto in ingresso (canale 1 – linea rossa)
corrisponda una frequenza di oscillazione maggiore (canale 2 – linea gialla) in uscita dal VCO.
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Il sistema funziona bene, e la trasmissione è stata collaudata anche a diverse decine di metri
di distanza fra trasmettitore e ricevitore, senza nessun problema, se non l’eventuale correzione da
effettuare al trimmer della sensibilità.
Purtroppo il vero problema che questa tecnologia può incontrare una volta applicata
all’interno di una rete è dato dall’enorme quantità di rumore presente nella linea, specialmente nelle
industrie dove i motori elettrici a spazzole introducono disturbi causati dalla commutazione dei
contatti striscianti sul collettore. Altre fonti di rumore sono gli alimentatori realizzati con tecnologia
switching, come ad esempio gli alimentatori dei computer oppure le lampade a risparmio
energetico, che contengono nel circuito d’avviamento un inverter ad alta frequenza.
Questi disturbi possono essere abbastanza ampi e possono creare delle interferenze fino ad
annullare il segnale utile, risultando così inefficace la trasmissione.
Il problema può essere risolto aumentando l’ampiezza del segnale modulato, permettendo
così una maggiore distanza di trasmissione. Ma la vera soluzione sta nell’usare dei filtri passa banda
estremamente stretti sulle frequenze di trasmissione, evitando così che lo stadio ricevitore venga
fatto saturare da segnali che non interessano la trasmissione.
In parte questo compito viene già svolto dal condensatore posto sul primario del
trasformatore, che ha scopo essenziale di eliminare l’onda a 220V, ma anche di attenuare frequenze
minori di quelle usate per la comunicazione.
Un ulteriore filtro può essere applicato al secondario, prima degli amplificatori del circuito
ricevitore, rendendolo così maggiormente immune al rumore. Questo dovrebbe preferibilmente non
impiegare delle resistenze, in quanto il segnale utile deve essere smorzato il meno possibile. Ideale
sarebbe utilizzare un filtro attivo: l’unica limitazione di questa tipologia sta nella frequenza
massima, che nel caso si usino amplificatori operazionali si attesta attorno a qualche MHz. Nel
nostro caso quindi non ci sono problemi, visto che al massimo abbiamo 175KHz, ben al disotto del
limite.
Per applicazioni domestiche questo filtro non risulta necessario, in quanto i disturbi presenti
nella rete sono abbastanza contenuti e il circuito PLL presenta un’ottima selettività nel range di
frequenze scelto, evitando di agganciarsi a valori di oscillazione maggiori o minori di quelli
previsti. Se invece il circuito fosse applicato in contesti industriali oppure ovunque l’affidabilità di
trasmissione sia fondamentale, un eventuale filtro dovrebbe assolutamente essere inserito.
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Termino questa trattazione inserendo alcune immagini della realizzazione pratica, che è stata
fissata su di una tavoletta di compensato.
Il trasmettitore:
Il ricevitore:
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Bibliografia
D. Tomassini, Telecomunicazioni corso di telecomunicazioni, Thecna, 2009
Manuale Cremonese di Elettronica, Zanichelli, 2008
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