Das Touch-FM-Radio

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Auch heute noch sind die guten alten analogen UKW-FM-Rundfunksender die meistgehörten Radiostationen, trotz aller Bemühungen den digitalen Rundfunk DAB+ einzuführen. Und deshalb ist auch in diesem Bereich der Fortschritt nicht aufzuhalten. Immer bessere Empfindlichkeit und immer besserer Klang, das sind die Ziele. Ein Weg dahin führt über die digitale Signalverarbeitung des analogen Rundfunks.

Das Stichwort lautet DSP (Digitaler Signal-Prozessor). Analoge Signale von der Antenne werden in digitale Signale umgesetzt, digital verarbeitet und dann über einen Analog-Digitalwandler in ein analoges Audio-Signal zurück verwandelt. Das hört sich kompliziert an, ist aber für den Anwender besonders einfach. Keine Hochfrequenzspulen mehr, kein Abgleich von Bauteilen und insgesamt weniger Bauteile bei gleichzeitig besserer Empfangsleistung.

Die fertig bestückte Platine mit dem Empfängerbaustein BK1068 macht es möglich. Mit geringstem Aufwand bauen Sie daraus ihr eigenes Radio mit ganz speziellen Eigenschaften. Die Sendersuche erfolgt über einfaches Berühren mit dem Finger. Berührungsempfindliche Sensorflächen gibt es auch für eine Reset-Funktion und für den Standby-Betrieb (Mute). So ein Radio kann man nicht fertig kaufen, man muss es selber bauen! Hilfen für den Aufbau, Tipps, Tricks und Erweiterungen zu diesem Radio finden Sie hier: www.elektronik-labor.de
Ich wünsche viel Erfolg beim Aufbau und allzeit guten Empfang!
Ihr Burkhard Kainka
 
 
Bauteile
 


Bestückte Platine mit dem BK1068 
Lautsprecher 8 Ω, 0,5 W
Lautstärkeregler 22 kΩ mit Schalter
Drehnopf
Vier M3-Schrauben mit Muttern
Isolierter Draht    
Batteriefach 2 x AA mit Anschlussdrähten
 


Die Platine trägt zahlreiche schon fertig aufgelötete SMD-Bauteile (Surface Mounted Device, oberflächenmontierte Bauteile ohne Drähte): Das Empfänger-IC BK1068, das Verstärker-IC MC43119, fünf Transistoren, fünf Widerstände, sieben Kondensatoren und eine grüne LED.
 


Auf der Rückseite gibt es vier berührungsempfindliche Sensorfelder zur Bedienung des Radios. Eine Berührung mit dem Finger lässt einen sehr kleinen Strom fließen, der die jeweilige Funktion auslöst. Die Sensorflächen enthalten Lötlöcher, in die man bei Bedarf optionale Tastschalter einlöten kann. In der Mitte des Sensorfeldes sieht man eine grüne LED als Betriebsanzeige.

Technische Daten des fertigen Radios:
Empfangsbereich: 87,5  MHz bis 108 MHz
Antennen-Empfindlichkeit: 2,5 µV
Spannungsversorgung: Zwei AA-Zellen, 3V
Betriebsdauer mit einem Batteriesatz: Bis zu 100 Stunden
Betriebsspannungsbereich: 2,2 V bis 3,6 V
Stromaufnahme bei kleiner Lautstärke: 25 mA
Stromaufnahme bei großer Lautstärke: 60 mA
Stromaufnahme stummgeschaltet: 0,2 mA
Maximale Ausgangsleistung: 0,1 W
 
Montage der Bedienelemente
 
Montieren Sie die Platine mit den vier Schrauben und Muttern im Gehäuse. Die Bauteile sollen dabei nach innen weisen, und die Berührungsflächen genau hinter der Aussparung im Gehäuse liegen.  Ziehen Sie die Schrauben vorerst noch nicht fest an.


Der Lautstärkeregler (Potentiometer, kurz Poti) mit drei Anschlüssen trägt zusätzlich auch den Ein/Aus-Schalter mit zwei Anschlüssen. Wenn Sie die Achse ganz nach links drehen, öffnet sich der Schalter. Setzen Sie den Regler in die Platine. Eine kleine Blechlasche und ein seitliches Loch in der Platine verhindern ein verdrehtes Einsetzen. Die Lasche muss eventuell etwas nach außen gebogen werden, damit sie in das kleine Loch in der Platine passt.
 

 
Befestigen Sie das Poti durch die Platine und das Gehäuse mit der Ringmutter und vergessen Sie dabei nicht die Unterlegscheibe. Erst wenn alles in der richtigen Position liegt, ziehen Sie die Ringmutter und die vier Schrauben fest. Die Platine ist dann an fünf Punkten stabil mit dem Gehäuse verbunden. Setzen Sie als letztes den Drehknopf auf und schrauben ihn in der passenden Position fest.


 
Setzen Sie den Lautsprecher ein, indem Sie ihn in den passenden Schlitz schieben. Die Anschlüsse sollen zur Seite zeigen, damit später kurze Verbindungen zur Platine führen. Der Lautsprecher sitzt ausreichend fest in dem vorgesehenen Schlitz. Sie können jedoch zusätzlich einen Tropfen Klebstoff oder Heißkleber verwenden.
 

 
Lötarbeiten
 
Alle Bedienelemente sind nun eingebaut. Sie müssen nur noch die Verbindungsdrähte zum Lautsprecher, zum Poti mit Schalter, zum Batteriefach und zur Antenne anlöten. Die Platine hat große Lötflächen zur Verbindung mit den Drähten. Schneiden Sie kurze Drahtabschnitte ab und entfernen Sie die Isolierung am Ende auf einer Länge von 3 mm.  Jeder Draht sollte zuerst am Ende verzinnt werden um ihn dann an seinen Anschluss flach liegend aufzulöten.

Beginnen Sie mit den drei Verbindungen zum Poti: P-, PS (Schleifer, Mittelanschluss) und P+. Diese drei Drähte überkreuzen sich nicht, sondern führen jeweils zum nächstgelegenen Poti-Anschluss.


Schließen Sie dann das Batteriefach an. Das schwarze Kabel (Minus) führt zum Anschluss Bat-, das rote Kabel (Plus) wird an den Schalter am Poti gelötet. Die andere Seite des Schalters wird mit einem kurzen Draht zum Anschluss +3V verbunden. Achtung, die korrekte Polung der Batterie ist unbedingt zu beachten, denn eine falsch herum angeschlossene Batterie kann den Empfänger zerstören.

 
Nun folgt die Verbindung zum Lautsprecher. Die Anschlüsse LS- und LS+ führen zu den beiden Anschlusspunkten des Lautsprechers. Die Polung ist dabei beliebig, denn sie spielt nur bei Stereo-Empfang eine Rolle, bei Mono-Empfang wie bei diesem Radio hört man jedoch keinen Unterschied.



Als letztes folgt die Antennenschleife an den Anschlüssen Ant+ und Ant-. Ein etwa 30 cm langer Draht wird an beide Anschlüsse gelötet und zu einer Schleife gebogen. Die Antenne liegt dann vollständig im Inneren des Gehäuses, wie es auch bei alten Röhrenradios üblich war. Die Form der Schleife und insbesondere die aufgespannte Fläche bestimmen die Empfangsstärke des Radios. Die genaue Form ist aber unkritisch, weil der Empfänger über reichliche Empfindlichkeits-Reserven verfügt.



 
Der erste Test
Nach einer letzten sorgfältigen Kontrolle aller Verbindungen kann das Radio zum ersten Mal in Betrieb genommen werden. Legen Sie zwei 1,5-V-Mignon-Batterien der Größe AA ein. Für den ersten Test reichen einfache, schon gebrauchte Zink-Kohle-Batterien. Nicht mehr ganz neue Batterien haben den Vorteil, dass sie in einem Fehlerfall keinen großen Schaden anrichten können. Später ist es besser frische Alkali-Zellen zu verwenden, die eine größere Betriebsdauer erreichen.  

Ob die Batterien noch genügend Spannung haben, erkennen Sie an der grünen LED. Sobald mit einer Rechtsdrehung des Lautstärkereglers das Radio eingeschaltet wurde sollte die LED leuchten. Damit ist die korrekte Verbindung zur Batterie und zum Schalter getestet. Falls die LED nicht leuchtet oder stark flackert sind die Batterien zu schwach oder die Drähte zum Batteriefach wurden nicht korrekt angelötet.

Nach dem ersten Einschalten hören Sie im Normalfall noch keinen Sender, sondern nur ein Rauschen oder Stille. Tippen Sie auf die rechte obere Taste „Frequenz  höher“. Damit beginnt ein Suchlauf, der nach kurzer Stille stoppt. Sie hören entweder einen Sender oder ein Rauschen.  Manchmal muss man die Sensorfläche mehrmals berühren bis der Suchlauf bei einem klar empfangenen Sender endet.

Die Sensorflächen funktionieren bei einer Berührung mit dem Finger, weil die Haut jedes Menschen eine gewisse Leitfähigkeit besitzt. Das liegt vor allem an der Hautfeuchtigkeit. Bei sehr trockener Haut kann der Sensor versagen. Feuchten Sie dann den Finger etwas an.

Drehen sie den Lautstärkeregler weiter nach rechts für mehr Lautstärke oder weiter nach links für geringere Lautstärke. Damit ist auch die korrekte Verbindung des Potis erfolgreich getestet.
 
Empfangspraxis
Suchen sie einmal alle Sender im UKW-Bereich. Der Suchlauf kann auch rückwärts in Richtung kleinerer Frequenzen gestartet werden. Tippen Sie dazu auf die linke obere Fläche „Frequenz tiefer“. Manchmal wird ein Sender nicht klar empfangen. Testen Sie dann ob etwas höher oder etwas tiefer der gleiche Sender klarer zu hören ist.

Vergleichen Sie die gehörten Stationen mit denen auf einem anderen Radio. Oft weiß man schon in welcher Reihenfolge die Sender sich im UKW-Band verteilen. Die gern gehörte Station ist z.B. die dritte von unten. Damit die Orientierung auch mit Ihrem Scan-Radio ohne eigene Frequenz-Skala gelingt, gibt es die Reset-Taste. Sie stellt das Rado auf die unterste Frequenz im UKW-Bereich ein. Von da aus gelingt dann die Orientierung, wenn man einen bestimmten Sender hören möchte.

Der Suchlauf scannt immer im Kreis herum. Wenn also das Ende des Bereichs erreicht ist, beginnt er wieder von vorn. Das gilt für beide Suchrichtungen. Wenn also Ihr Wunschsender ganz oben im UKW-Bereich liegt können Sie die Suche abkürzen, indem Sie nach Reset oder Neustart des Radios die Sensorfläche „Frequenz tiefer“ berühren.

Wenn das Telefon klingelt oder Sie aus anderem Grund Ihr Radio kurz ausschalten wollen, verwenden Sie die Mute-Funktion (Stummschalten). Das Radio verstummt und die grüne LED geht aus. Wenn Sie weiterhören möchten tippen Sie erneut auf Mute. Das Radio geht auf derselben Frequenz und mit derselben Lautstärke wieder an. Zwar könnte man auch den Lautstärkeregler kurz zurückdrehen. Aber dann verbraucht das Radio unnötige Energie.

Die Mute-Funktion hat den Vorteil, dass Sie Ihren Wunschsender nicht erst weder neu suchen müssen. Im stummgeschalteten Zustand braucht das Radio nur sehr wenig Strom, sodass dieser Zustand länger beibehalten werden kann. Nur wenn das Radio länger als einige Stunden nicht benutzt werden soll ist es besser den Schalter zu betätigen.
 
 
 
Technische Beschreibung
Das komplexe Empfänger-IC  BK1068 bildet den Kern des Radios. Das Blockschaltbild zeigt den inneren Aufbau in groben Zügen. Das Antennensignal wird im analogen Teil der Schaltung durch einen hochempfindlichen Verstärker (LNA, Low Noise Amplifier, Verstärker mit geringem Rauschen) angehoben, wobei ein geregelter Verstärker (PGA, Programmable Gain Amplifier) die Verstärkung bei zu starken Signalen reduziert.  Der Analog-Digital-Wandler (ADC, Analog Digital Converter) setzt das Signal in eine Zahlenfolge um, die dann digital weiter verarbeitet wird. Die Verarbeitung übernimmt ein digitaler Signalprozessor. Er filtert und demoduliert das frequenzmodulierte Signal und filtert das Audiosignal, sodass nur der Audio-Frequenzbereich ausgegeben wird. Außerdem steuert er die automatische Verstärkungsregelung (AGC, Automatic Gain Control), sodass eine Übersteuerung vermieden wird. Das so verarbeitete Signal gelangt an den Digital-Analog-Wandler (DAC, Digital Analog Converter), der es in einen Audiosignal umwandelt. Am analogen Ausgang Aout liegt das fertige Radiosignal, das man z.B. mit einem Kopfhörer direkt hören könnte.   


Die digitale Abstimmung  (Tuning System) enthält einen Mikrocontroller, der den Suchlauf und andere Funktionen steuert. Er verwendet eine PLL (Phase Locked Loop, Phasenregelschleife) zur genauen Abstimmung eines Hochfrequenzoszillators, der die Empfangsfrequenz bestimmt. Die PLL kann wahlweise digital mit einem angeschlossenen Quarz (DPLL) oder analog (APLL) betrieben werden, wie es in diesem Radio der Fall ist. Ein interner Spannungsregler (REG, Regulator) sorgt für eine stabile innere Betriebsspannung auch bei schwankender Batteriespannung.

Das Tuning System besitzt eine Verbindungsschaltung (Interface) zum Anschluss externer Steuerelemente wie z.B. Tastschalter oder Berührungssensoren.  Der Scan-Eingang (SEEK) steuert den Suchlauf. Die Spannung an diesem Eingang ist im Ruhezustand die halbe Betriebsspannung, also etwa 1,5 V. Der Eingang kann von außen auf 3 V oder auf 0 V gezogen werden um einen Suchlauf hin zu höheren oder niedrigeren Frequenzen zu starten. Auf der Radioplatine befinden sich zwei PNP-Transistoren, die den geringen Sensorstrom von weit weniger als einem Mikroampere verstärken und die Scan-Funktion betätigen.
 

 
Der Scan-Eingang benötigt einen Steuerstrom von etwa 25 µA. Die Transistoren haben einen Stromverstärkungsfaktor über 500. Daraus ergibt sich ein erforderlicher Sensorstrom von 0,05 µA. Der Hautwiderstand darf damit für eine sichere Funktion größer als 10 MΩ sein. Eine Verschmutzung der Sensorflächen muss vermieden werden, weil sich dabei ebenfalls Übergangswiderstände bilden können, die die Sensorfunktion aktivieren. Im Fehlerfall sollten die Sensorflächen mit einem Tuch gesäubert werden, das nur mit reinem Wasser befeuchtet wurde. Vermeiden Sie den Kontakt mit Seife und anderen Reinigungsmitteln.

Der Lautstärkeeingang V (VOL) arbeitet ebenfalls in beiden Richtungen, wird aber hier nicht benutzt, weil ein analoges Poti verwendet wird. Der Radiochip ist nach dem Einschalten auf höchste Lautstärke eingestellt, sodass man den V-Eingang offen lassen darf.
 
Der RESET-Eingang und der P-Eingang (PWD, Power-Down) haben im Ruhezustand die volle Betriebsspannung und werden beim Betätigen der jeweiligen Sensorfläche über einen Transistor heruntergezogen. Die verwendeten PNP-Transistoren sind dazu als Emitterfolger geschaltet. Jede der vier Sensortasten kann optional mit einem mechanischen Tastschalter bestückt werden.
    
Am Antenneneingang A (FMIN) ist die Schleifenantenne angeschlossen. Hier ist in den meisten Fällen eine relativ kleine Drahtschleife optimal, weil zu viel HF-Eingangsspannung dazu führen kann, dass die HF-Vorstufen übersteuert werden, sodass das Radio leichter auf falschen Frequenzen einrastet. Nur in extrem ungünstigen Empfangslagen oder für den Empfang weit entfernter und sehr schwacher Sender kann es sinnvoll sein, eine Schleifenantenne mit einer größeren umspannten Fläche zu verwenden, die dann größere Eingangsspannungen liefert.
 

 
Das analoge Ausgangssignal des Radiochips wird über den Lautstärkeregler an den Endverstärker MC43119 geführt. Dabei handelt es sich um einen Gegentakt-Brückenverstärker mit zwei gegenphasigen Ausgängen, zwischen denen der Lautsprecher angeschlossen ist. Der Verstärker ist speziell für geringe Betriebsspannung ausgelegt und kann bei einer Batteriespannung von 3 V noch bis zu 100 mW liefern. Zwei Widerstände in der Gegenkopplung legen die Verstärkung fest. In diesem Radio wurde eine nur zweifache Spannungsverstärkung verwendet, weil das Radio-IC selbst schon eine relativ große Ausgangsspannung liefert. Durch die Brückenschaltung ergibt sich insgesamt eine vierfache Spannungsverstärkung. 
 

 
Am analogen Ausgang LS (AOUT) des BK1068 erscheint im aktiven Zustand zusammen mit dem NF-Signal auch eine mittlere Gleichspannung. Diese wird verwendet um über einen NPN-Transistor  die grüne LED einzuschalten. Im Power-Down-Zustand (Mute) schaltet das Radio-IC diese Gleichspannung ab. Der Transistor sperrt, schaltet die grüne LED aus und versetzt gleichzeitig den Endverstärker über seinen Chip-Disable-Eingang in den Power-Down-Zustand. So wird die gesamte Stromaufnahme auf etwa 0,2 mA begrenzt.
 


  

 

Ein Erfahrungsbericht von Leander Hackmann



Neulich habe ich mit meinem Bruder das neue Touch-FM-Radio von Franzis aufgebaut. Das Besondere an diesem Bausatz ist, dass die Platine mit der hauptsächlichen Schaltung schon fertig aufgebaut ist. Nur das Potentiometer für die Lautstärke, der Lautsprecher und das Batteriefach müssen noch angelötet werden. Dies bringt einige Vorteile mit sich: das Radio ist schnell aufgebaut und wegen der einfachen Bauweise sogar von Personen aufbaubar, die noch nie einen Lötkolben in der Hand hatten. Schwerwiegende Fehler sind dadurch nahezu ausgeschlossen.

Das Radio habe ich dann mit meinem jüngeren Bruder (11 J.) zusammengebaut, der auch noch nie einen Lötkolben angefasst hatte. Unter meiner Aufsicht wurde dann nach ein wenig Überzeugungsarbeit der Lötkolben angeheizt. Zuerst haben wir gründlich das Handbuch studiert, um uns dann an den Aufbau zu machen. Hierbei ist die einfache Bauweise wieder als besonders positiv hervorzuheben: Da zuerst die Platine ins Gehäuse montiert wird, fällt das Löten logischer Weise viel leichter. Teilweise jedenfalls, da zwei Lötstellen nach dem Einbau etwas zu nahe am Rand des Gehäuses liegen. Ich empfehle die Lötstellen einfach vor dem Einbau zu bearbeiten.

Die Bedienung ist einfach und dank der Bedruckung auf dem Gehäuse auch ohne Anleitung zu meistern. Die Touch-Tasten reagieren stets zuverlässig. Aber nun noch ein paar Worte zum Wichtigsten: dem Empfang! Dieser zeigt sich als sehr klar und überraschend laut. Selbst für das Wohnzimmer reicht der Geräuschpegel locker aus! Das Radio steht jetzt abwechselnd bei meinem Bruder und mir im Zimmer und weitere Basteleien nehmen wir demnächst in Angriff...

Für den kompletten Aufbau haben wir übrigens ungefähr 40 Minuten gebraucht (die kleine Theoriestunde zur Funktion des Potentiometers eingerechnet). Deshalb war bei meinem Bruder das Erfolgserlebnis natürlich groß. Er hat damit jetzt zum ersten Mal Interesse an der Elektronik gefunden und mich nach der Funktion einzelner Bauteile gefragt. Und seine Fächerwahl in der Schule hat es auch beeinflusst. Technik und Informatik stehen jetzt hoch im Kurs.


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