Tasapainotettu kuulokevahvistin kuulovammaisille: 10 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Minun tarpeeni

Muutama kuukausi sitten minulle asennettiin kuulolaitteita kompensoimaan herkkyyden heikkenemistä korkeille taajuuksille, aiheuttaen äänen vaimenemista ja vaikeuksia erottaa sybillanteja (esim. "S" ja "F"). Mutta apuvälineet eivät hyödytä kuulokkeita, koska mikrofonit ovat korvan takana. Kokeiltuani induktiokaulanauhaa ja suoraa syöttöä kuulokojeisiini (kumpikaan ei tuottanut tyydyttäviä tuloksia) keksin ajatuksen kuulokevahvistimesta, jossa on säädettävä taajuusvaste, joka on suunniteltu vastaamaan kuulolaitteitani.

Jos sinulla on jokin muu tasoitusvaatimus, tätä projektia voidaan helposti mukauttaa. Se tarjoaa tehostusta (tai leikkausta, vähäisellä muutoksella) kolmella keskitaajuudella. Sitä voidaan kuitenkin laajentaa useammille taajuuskaistoille.

Lopputulos

Päädyin siistiin pieneen 6 cm: n neliölaatikkoon, jossa oli 3,5 mm: n liitäntä ja Bluetooth -tulot ja 3,5 mm: n jakkikuulokelähtö. Huomasin, että musiikin kuuntelukokemuksen parantaminen oli mahtavaa ja puheessa suuri parannus.

Mitä tämä Instructable antaa sinulle

Haluan sanoa heti aluksi, että tämä ei ole aloittelijan projekti. Tarvitset kohtuullisen tason juotostaitoja, ja jos haluat muokata sitä (kuten saatat tehdä), sinun on opittava Eagle levyn asettelusta ja TinkerCAD 3D-tulostetusta laatikosta. Molempien opettelu kesti jonkin aikaa, mutta kumpikaan ei ollut vaikeaa. Odotan ihmisten oppivan jotain opetusohjelmastani (ellet tiedä jo enemmän kuin minä), älä vain seuraa sokeasti ohjeita.

Jos et ole koskaan juottanut pinta -asennuskomponentteja, älä lannistu - se ei ole niin vaikeaa kuin luulet. Katso johdanto tästä oppaasta.

Tästä projektista saat:

• Eagle -suunnittelutiedostot (kaavio ja taulun asettelu)
• Excel -laskentataulukko, joka sisältää suunnitteluyhtälöt, joiden avulla voit muokata tasausta tarpeidesi mukaan
• TinkerCAD -malli 3D -painetulle laatikolle.

Koska mukautetun painetun piirilevyn vähimmäistilaus oli 5 kappaletta, minulla on 3 paljaita levyjä varaosana (yksi myyty). Nämä ovat nyt myynnissä eBayssa - katso

Vaihe 1: Suunnitteluprosessi: vaatimukset ja strategia

Kun aloin miettiä tätä projektia, yksi ensimmäisistä kysymyksistä mielessäni oli käyttääkö analogisia vai digitaalisia suodattimia. All About Circuits -foorumin ketjussa Keith Walker varoitti minua erittäin halvasta (analogisesta) graafisesta taajuuskorjaimesta Kaukoidästä (yllä oleva kuva), jota hän oli käyttänyt ratkaisemaan saman ongelman. Joten tilasin yhden todisteeksi konseptista.

Se toimi hyvin, mutta oli liian iso kannettavaan käyttöön ja tarvitsi sekä positiivisia että negatiivisia virtakiskoja, mikä lisäsi haittaa. Mutta se vahvisti lähestymistavan ja käytettävät suodatinpiirit.

Tarkensin vaatimuksiani seuraavasti:

• Sen on oltava kompakti, kannettava ja virtalähteenä ladattavalla akulla.
• Sen pitäisi hyväksyä tulo joko 3,5 mm: n liittimestä tai Bluetoothista.
• Siinä on oltava erillinen vasen ja oikea stereokanava.

Olen käyttänyt perinteisiä läpireikäkomponentteja ja 0,3 tuuman DIL-piirilevyjä stripboardilla monissa aiemmissa projekteissa, mutta tämä olisi tehnyt siitä liian ison. Joten päätin suunnitella mukautetun PCB: n (uusi kokemus minulle) käyttämällä pintaa Asennuskomponentit (joista minulla on vaatimaton kokemus). Olisi myös suunniteltava 3D-tulostettu laatikko (3D-suunnittelukokemukseni oli hyvin rajallinen).

Bluetooth -ominaisuus olisi helppo lisätä käyttämällä mitä tahansa saatavilla olevista edullisista Bluetooth -moduuleista.

Katselin kaksi tai kolme erillistä graafista taajuuskorjainta, mutta halpojen nelivaiheisten vahvistimien käyttäminen tuntui lopulta yksinkertaisemmalta ja vaati vain yhtä monta ulkoista komponenttia.

Vaihe 2: Yksityiskohtainen suunnittelu

Käyttämäni peruspiirielementti tunnetaan gyraattorina. Se käyttää operaatiovahvistinta muuttaakseen capcitorin virtuaaliseksi induktoriksi. Tämä ja vielä yksi kondensaattori tekevät viritetyn piirin, joka tarjoaa joko leikkauksen tai tehostuksen tietyllä taajuusalueella. Hyvin monet graafiset taajuuskorjainmallit käyttävät lähes identtistä muotoilua, eikä siitä ole mitään järkeä poiketa. Tästä on esimerkki Electronics Today Internationalin syyskuun 1977 sivulta 27. Tämä artikkeli selittää hyvin selvästi, miten piiri toimii.

Muokkasin sitä vain käyttämällä nelivaiheisia vahvistimia, jotka toimisivat yhdestä 5 V: n virtalähteestä, ja lisäämällä kuulokevahvistimen IC varmistaakseen, että se ajaa kuulokkeita riittävästi. Korvasin myös jokaisen potentiometrin potentiometrillä ja vastuksella, jotta saisin vain tehon ja paremman hallinnan, koska en tarvinnut leikata.

Kaavamainen ja levyn asettelu (molemmat luotu Eaglen avulla) on esitetty yllä.

Eaglen hieno piirre on, että se sisältää Spice -piirisimulaatiopaketin, joka mahdollistaa suunnittelun validoinnin ja taajuusvasteen ennustamisen ennen PCB: n valmistamista.

Taulukossa on 2 tuloa, 3,5 mm: n liitin ja juotospehmusteet Bluetooth -vastaanotinmoduulin liittämistä varten. Nämä ovat tehokkaasti rinnakkain. Virta voidaan syöttää joko mini-USB-liitännän tai juotospehmusteiden kautta. Käytin mini- eikä mikro-USB: tä, koska mikro-USB-liitäntä olisi melko vaikea juottaa käsin ja on myös vähemmän kestävä.

Vaihe 3: Kotkan asennus ja asennus

Jos haluat lähettää levyn suunnittelun valmistettavaksi, muokkaa asettelua tai yksinkertaisesti muokkaa vastekäyrää, sinun on asennettava Eagle. Jos (kuten minä, kun aloitin tämän projektin) et tunne sitä, SparkFun -verkkosivustolla on useita hyödyllisiä opetusohjelmia osoitteessa

Ensimmäinen tarkasteltava on Eaglen asentaminen ja asentaminen.

Tämä sisältää SparkFun -kirjastojen asentamisen. Ladattu zip-tiedosto sisältää kansion SparkFun-Eagle-Libraries-master, joka kannattaa kopioida EAGLE / libraries

Sinun täytyy myös tuoda Eaglen kaavamaiset ja taulun asettelutiedostot sekä Spice -mallini. (Spice on piirisimulointiohjelmisto, jonka avulla voimme simuloida vahvistimen taajuusvasteen.)

Nämä kaikki sisältyvät zip -tiedostoon, jonka voit ladata

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Avaa zip -tiedosto ja vedä ja pudota projektit ja maustekansiot EAGLE -kansioon. (Se sisältää jo tyhjän projektikansion.)

Sinun pitäisi nyt olla valmis käynnistämään Eagle.

Avaa vasemmanpuoleisessa ruudussa Projektit, sitten projektit ja sitten Equalized Headphone Amp.

Kaksoisnapsauta Headphone_Amp.brd- ja Headphone_Amp.sch-tiedostoja. Nämä avautuvat erillisiin ikkunoihin, joista ensimmäinen näyttää piirustuksen asettelun ja toinen kaavamaisen.

Etsi kaaviosta Simuloi -painike ja napsauta sitä.

Tämä avaa simulointiasetukset. Napsauta AC Sweep -valintanappia, aseta tyypiksi Dec (oletus) ja Start and End Freq arvoon 100 ja 10000. Napsauta oikeassa alakulmassa olevaa Simuloi -painiketta. Tauon jälkeen taajuusvasteen kuvaajan pitäisi näkyä aivan kuten seuraavassa vaiheessa.

Vaihe 4: Vastauskäyrän säätäminen

Korvasi ovat todennäköisesti erilaiset kuin minun, joten tarvitset ensin kopion audiogrammistasi. Audiologisi pitäisi pystyä toimittamaan sinulle tämä, mutta jos sinulla on hyvä kuulokepari, voit tehdä omasi menemällä osoitteeseen

Tämän pitäisi antaa sinulle hyvä käsitys siitä, kuinka paljon tehostusta tarvitset eri taajuuksilla. Minun tapauksessani kuulon heikkeneminen kasvaa nopeasti yli 3 kHz, joten on mahdotonta kompensoida paljon sen yli. Joka tapauksessa muutamat kokeet, joissa analysoitiin eri lähteiden kirjoa Audacityn kanssa, osoittivat, että luultavasti ei ollut paljon sen yläpuolella, jotta voin puuttua.

Tällä hetkellä projektin avulla voit säätää taajuusvasteen kolmella keskitaajuudella 1,5, 2,3 ja 3,3 kHz riippumatta vasemman ja oikean kanavan välillä. Voit noudattaa näitä taajuuksia tai muuttaa niitä (katso seuraava vaihe).

EAGLE / spice -kansiostasi löydät mallit kolmelle trimpotille POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl ja POT_VR131.mdl. Nämä ohjaavat vastetta kolmella taajuudella. Jos avaat minkä tahansa näistä tekstieditorilla (esim. Muistio), näet seuraavan rivin:

.param VAR = 50

Muuta luku väliltä 0 ja 100 vastaavan trimpotin sijainnin ja siten tehon lisäämiseksi tällä taajuudella mihin tahansa nollasta maksimiin.

Suorita nyt simulaatio uudelleen (napsauta Päivitä verkkolista ennen kuin napsautat Simuloi) nähdäksesi miltä taajuusvaste näyttää nyt.

Vaihe 5: Keskitaajuuksien muuttaminen

Olen sisällyttänyt Eagle Project -kansioon Excel -laskentataulukon Calc.xlsx. Avaa tämä Excelillä (tai jos sinulla ei ole Exceliä, LibreOffice Calc, joka on ilmainen). Tämä laskentataulukko sisältää suunnittelulaskelmat vain yhdelle kolmesta suodatinosasta.

Ensimmäisessä ruudussa voit laskea keskitaajuuden ja Q -kertoimen annetuille arvoille R1, R2, C1 ja C2. (Q tai laatutekijä määrittää kaistan leveyden. Suurempi arvo antaa kapeamman kaistan ja lisää vauhtia. Arvot noin 4 näyttävät toimivan hyvin, jos jokainen taajuus on noin 50% suurempi kuin edellinen.)

Itse asiassa haluat todennäköisemmin valita taajuudet ja laskea komponenttien arvot. Kun haluttu taajuus ja kolme neljästä komponentin arvosta on annettu, toisessa ruudussa voit laskea neljännen komponentin arvon.

Komponentit ovat haluttuja arvoja (esimerkiksi E12 -sarja), joten voit valita lähimmän ensisijaisen arvon lasketulle arvolle ja syöttää sen takaisin ensimmäiseen ruutuun nähdäksesi, mitä todellista taajuutta se antaa.

Sinun on sitten liitettävä arvosi Eaglen kaavioon ja toistettava simulaatio.

Avaa kaavio ja napsauta vasemmanpuoleisessa paneelissa komponentin arvon kuvaketta ja valitse sitten komponentti, jota haluat muuttaa. (Simulaatio on asetettu toimimaan vain alemmalla tai vasemmalla kanavalla.) Saat varoituksen, että komponentilla ei ole käyttäjän määritettävää arvoa. Haluatko muuttaa sen? Tietysti teet! Kirjoita uusi arvo avautuvaan ruutuun.

Napsauta Simuloi -painiketta, valitse Päivitä verkkolista ja sitten Simuloi.

Vaihe 6: Tarvittavat komponentit

Tarvitset tietysti piirilevyn. Ellet käytä jotakin ylimääräisistä paljaista levyistäni, sinun on lähetettävä Eagle -tiedostot valmistukseen. Useimmat valmistajat vaativat suunnittelun gerber -tiedostoina. Sen sijaan, että kopioisit täällä olevat ohjeet, etsi verkossa Eagle export gerber tai katso Sparkfun -opetusohjelmaa.

Erilliset gerber -tiedostot kuvaavat kuparikerroksia, juotosmaskia, silkkipainatusta, porausta ja kartongin ääriviivojen jyrsintää.

Lähettäessään tiedostot verkossa valmistajalle se vahvistaa ne ja varoittaa, jos olennaisia tiedostoja puuttuu. Mutta se ei varoita sinua, jos silkkitiedosto puuttuu, mikä oli minun virheeni. Tämä on erillään laitteen ääriviivoista.

Tarvitset seuraavat komponentit levyn täyttämiseksi.

• TL084 SOIC -14 quad op -vahvistin - 2 pois päältä
• LM4880M SOIC 250 mW tehovahvistin - 1 pois päältä
• 0603 SMD -vastusvalikoima
• 0603 SMD keraaminen kondensaattorivalikoima 100pF - 1μF
• 5K Trim Pot 3362P -502 - 6 pois päältä
• 10uF 16V SMD 0805 Monikerroksinen keraaminen monikerroksinen kondensaattori - 4 pois päältä
• 2917 (EIA7343) 100μF 16V tantaalikondensaattori - 2 pois päältä
• 2917 (EIA7343) 470μF 10V tantaalikondensaattori - 2 pois päältä
• Mini USB-naaras 5-nastainen SMD-liitäntä
• 3,5 mm: n läpireikäinen PCB -kiinnitys stereoääniliitäntä - 2 pois päältä
• 3 mm sininen LED (tai valitsemasi väri)

Tarvitset täydellisen paristokäyttöisen yksikön, jossa on Bluetooth-tulo:

• Bluetooth -vastaanotinmoduuli, joka tukee A2DP: tä
• LiPo -akku: 503035 3,7 V 500 mAh
• TP4056 LiPo-laturi, jossa on mini-USB-tulo (tai microUSB, jos haluat), kuten tämä
• 3V - 5V tehostusmuunnin, kuten tämä
• Mini SPDT liukukytkin

Huomaa LiPo -laturi on todennäköisesti asetettu 1 A: n latausvirralle, mikä on liikaa 500 mAh: n akulle. On tärkeää, että poistat latausnopeuden ohjelmointivastuksen (tavallisesti 1,2 kt, joka on kytketty TP4056 -sirun nastaan 2) ja vaihdat sen toiseen 3,3 kt: n.

Käytin langallista LiPo-akkua, mutta yksi, jossa on pienikokoinen JST-liitin, sallii sen kytkemisen vasta kytkennän ja kaiken muun tarkistamisen jälkeen sekä helpottaa vaihtamista.

Bluetooth -moduuli, joka toimii joko 3,3 V: n tai 5 V: n jännitteellä, on parempi, koska se voi sitten ottaa virran suoraan akusta, mikä vähentää digitaalista kohinaa 5 V: n virtalähteestä pääpiirilevyyn.

Jos valitset Bluetooth -moduulin, joka tukee AVRCP: tä ja A2DP: tä, voit lisätä painikkeita äänenvoimakkuuden lisäämiseen/vähentämiseen ja seuraavaan/edelliseen kappaleeseen.

Monissa Bluetooth -moduuleissa on pinta -asennuksen merkkivalo, joka osoittaa yhteyden tilan, ja TP4056 -laturissa on punaiset ja vihreät pinta -asennuksen merkkivalot lataustilan osoittamiseksi. Valmistamani kaltainen laatikko todennäköisesti piilottaa nämä, joten ne voidaan korvata (katso myöhemmin) seuraavasti:

• 3mm sininen LED
• 3 mm punainen/vihreä yhteinen anodi -LED.

Vaihe 7: Paljaan levyn prototyypin käyttäminen

Jos olet hankkinut yhden ylimääräisistä prototyyppikorteistani, sinun on tiedettävä vain muutamia pieniä virheitä.

• Taulun yläosassa ei ole silkkipainoa. Sinun on hyödyllistä saada tulostettu kopio levyn asettelusta käsilläsi, kun täytät sen.
• Pari aluetta oli tarkoitettu yhdistämään ylä- ja ala -tasot, jotka eivät. Tällä ei ole mitään seurausta.
• C3 oli alun perin 100uF, 2917 -pakkauksessa. Tämä arvo oli aivan liian suuri ja on nyt 1uF 0603. Sinun täytyy kaavata pois hieman juotosvastusta maatasosta, jotta se sopii tähän, kuten kuvassa.

Vahvistus asetetaan vastuksen R106 ja R206 arvoilla. 22k antaa karkeasti yhtenäisyyttä. Koska saatat haluta kokeilla eri arvoja, toimitin sekä 0603 SMD -vastuksen tyynyt että 0,3 : n välein olevat reiät lankapäätteisille vastuksille.

Vaihe 8: Nyrkkeily

Löydät käyttämäni laatikon 3D-tulostettavan mallin osoitteesta tinkercad.com. Välykset olivat hieman liian tiukat, joten olen lisännyt laatikon pituutta ja leveyttä 1 mm.

Laatikon pohjassa on lokerot akulle, laturille, 5 V: n tehomuuntimelle ja Bluetooth -moduulille. Kuulokkeiden vahvistinkortti sopii päälle. Kansi kiinnitetään kahdella M2x5mm itsekierteittävällä ruuvilla.

Identtiset laturit ja 5 V: n tehostusmoduulit ovat laajalti saatavilla, mutta on olemassa monia erilaisia Bluetooth -moduuleja. Jos jokin näistä eroaa minusta, sinun on muutettava laatikon muotoilua.

Kun olet paikallaan, voit pitää moduulit kevyesti kuumaliimalla.

Vaihe 9: Johdotus

Testaustarkoituksiin liitin kaikki moduulit pahvipalaan blu-tacin avulla. Tästä huomasin, että maayhteyksien reititys oli kriittinen. Bluetooth -moduulin maadoitus on vietävä kuulokevahvistimeen let- ja oikeakanavien kanssa, mutta sitten jakelukortin maadoitusyhteyden on mentävä Bluetooth -moduuliin, ei kuulokevahvistimeen, muuten saat paljon digitaalista kohinaa lähtöliitännän Bluetooth -moduulista.

Asensin virtakytkimen pienelle nauhalle, 6 nauhaa leveäksi 5 pitkäksi ja 2x4 katkaisija kytkimelle. Tämä toimii myös virranjakelukorttina. Kun se oli täysin kytketty, liimasin kytkimen paikalleen (liuskalevyn ollessa kiinni) epoksiliimalla. Jos tekisin projektin uudelleen, huolehtisin kuulokkeiden vahvistinkortin kytkimestä.

Johdotukseen tarvitset melko ohutta lankaa, joten katkaisin sateenkaaren nauhakaapelin, joka antoi minulle yksittäisiä eri värejä. Normaalisti johdit johdot levyn reiän läpi ja juotat sen toiselle puolelle, mutta eri moduulien ollessa paikallaan laatikon pohjassa jouduin juottamaan levyn samalle puolelle kuin lanka, vain vähän enemmän eristystä poistettu kuin muuten olisi ollut tarpeen. Minun oli asennettava nauhalevy kuparipuoli ylöspäin ja juotettava liitännät siihen samalla tavalla.

Halusin, että laturin ja Bluetooth-moduulien LED-valot ovat näkyvissä, joten poistin sisäiset SMD-LEDit ja kytkin tyynyt 3 mm: n LED-valoihin. Porasin reikiä laatikkoon näitä varten, koska en ollut sallinut niitä 3D -tulostetussa laatikossani. Yhdistin ne moduulien juotoslevyihin juotettavalla emaloidulla langalla. Tämä on päällystetty itsestään juoksevalla polyuretaanilla, joka sulaa juotosraudan lämmössä.

Laturimoduulissa käytin punaista/vihreää yhteistä anodivaloa. Yhteinen anodi on kytkettävä jompaakumpaan SMD -LED -tyynyyn, joka on lähimpänä levyn reunaa (jonka voit vahvistaa yleismittarilla). Jos Bluetooth -moduulissasi on SMD -LED, sinun on määritettävä napaisuus yleismittarilla. Joissakin moduuleissa on liitännät ulkoiselle LEDille.

Ennen kuin asetin kuulokevahvistimen laatikkoon muiden moduulien päälle, huomasin tarpeelliseksi sijoittaa pieniä palasia PVC-teippiä Bluetooth-moduulin kahden elektrolyyttikondensaattorin päälle ja mini-USB-latausliitäntään, jotta vältetään oikosulku kuulokevahvistimen alapuolella.

Vaihe 10: Parannukset

Jos haluaisin muuttaa tämän tuotteeksi, muuttaisin epäilemättä asioita, mutta kun olen tehnyt itselleni gadgetin, joka palvelee tarkoitustani, siirryn muihin projekteihin.

Piiri:

• Bipolaarinen virtalähde olisi voinut olla parempi. Koska opampien vetämä virta on pieni, kapasitiivinen pumpun jännitemuuntaja, kuten MAX660, olisi helposti tuottanut negatiivisen syötön.
• Bipolaarisella virtalähteellä 5 V: n tehomuunninta ei tarvita op -vahvistimille. LM4880 -kuulokevahvistin toimii LiPo -akun raakalähtöjännitteellä, vaikka suurin lähtöteho pienenee 250 mW: sta kanavaa kohti noin 100 mW: iin kanavaa kohti.

Hallitus:

• Levyn koko on juuri se, mitä se tuli asetteluprosessista, mutta sen puristaminen täsmälliseen kokoon, kuten 6x6 cm, olisi helpottanut laatikon suunnittelua.
• Samoin olisi ollut siistimpää sijoittaa 3,5 mm: n tulo- ja lähtöliitännät linjaan ja täsmälleen molempien puolien keskelle. Tämä helpottaisi myös laatikon suunnittelua.
• LiPo-latauspiirin liittäminen olisi ollut helppoa. 3 - 5 V: n tehomuunninta ei tarvita bipolaarisella virtalähteellä, joten säästät 2 erillistä moduulia.
• Käytettäessä yksinkertaista TP4056-laturia akku voidaan ladata liikaa, jos yrität ladata sen laitteen ollessa päällä. Hieman kehittyneempiin latureihin kuuluu yksinkertainen suojapiiri, joka kannattaa ottaa mukaan.
• Edellä esitetyillä muutoksilla kytkin voidaan sitten asentaa levylle. Menetelmä kytkimen asentamiseksi 3D -tulostettuun laatikkoon ei ollut ihanteellinen.
• 2 -napainen 3 -suuntainen kytkin mahdollistaisi Bluetooth -moduulin virran vain tarvittaessa.

Laatikko:

• Moduulien asentaminen kahteen kerrokseen teki asennuksesta vaikeampaa kuin sen pitäisi olla, ja ohuempi, mutta suurempi laatikko olisi saattanut sopia taskuun paremmin.
• Kytkin kytketään helposti päälle vahingossa. Olisi ollut helppoa sisällyttää suojat sen ympärille 3D -tulostuksen suunnitteluun tämän estämiseksi.

Muut sovellukset:

Jos haluat ehkä audiofiilinä vain tasapainotetun kuulokevahvistimen, joka antaa sekä tehostusta että leikkausta eri taajuuksilla, voit käyttää olennaisesti samaa muotoilua.

Jos haluat lisätä ja leikata, poista R113, R123, R133 ja R213, R223, R233 (tai vaihda 0Ω: n resitorit) ja korvaa trimpot 10k: lla (liukusäätimet, jos haluat).

Voit lisätä niin monta kopiopiirin esiintymää kuin tarvitset.