Digitaalisesti ohjattu 18 W: n kitaravahvistin: 7 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Pari vuotta sitten rakensin 5 W: n kitaravahvistimen, joka oli eräänlainen ratkaisu äänijärjestelmiini tuolloin, ja äskettäin päätin rakentaa uuden paljon tehokkaamman ja käyttämättä käyttöliittymän analogisia komponentteja, kuten pyörivät potentiometrit ja vaihtokytkimet.

Digitaalisesti ohjattu 18 W: n kitaravahvistin on itsenäinen, digitaalisesti ohjattu 18 W: n monokitaravahvistin, jossa on viivevaikutusjärjestelmä ja tyylikäs nestekidenäyttö, joka tarjoaa tarkan tiedon siitä, mitä piirissä tapahtuu.

Projektin ominaisuudet:

• Täysin digitaalinen ohjaus: Käyttöliittymän tulo on pyörivä anturi, jossa on sisäänrakennettu kytkin.
• ATMEGA328P: Onko mikro-ohjain (käytetään Arduino-tyyppisenä järjestelmänä): Käyttäjä ohjaa ohjelmoidusti kaikkia säädettäviä parametreja.
• LCD: toimii käyttöliittymän ulostulona, joten laiteparametreja, kuten vahvistusta/äänenvoimakkuutta/viiveen syvyyttä/viiveaikaa, voidaan tarkkailla suurella likimääräisyydellä.
• Digitaaliset potentiometrit: käytetään alipiireissä, mikä tekee laitteen ohjauksesta täysin digitaalisen.
• Kaskadijärjestelmä: Jokainen ennalta määritetyn järjestelmän piiri on erillinen järjestelmä, joka jakaa vain virtalähteet, ja joka pystyy vianetsintään suhteellisen helposti vikatilanteissa.
• Esivahvistin: Perustuu LM386-integroituun piiriin, erittäin yksinkertaisella kaavamaisella rakenteella ja vähimmäisvaatimuksilla.
• Viivevaikutuspiiri: perustuu PT2399 -integroituun piiriin, voidaan ostaa eBaysta erillisenä IC: nä (suunnittelin koko viivepiirin itse) tai sitä voidaan käyttää täydellisenä moduulina, jolla voidaan korvata pyörivät potentiometrit digipoteilla.
• Tehovahvistin: perustuu TDA2030 -moduuliin, joka sisältää jo kaikki sen toiminnan oheispiirit.
• Virtalähde: Laite saa virtansa vanhasta ulkoisesta kannettavan tietokoneen 19 V: n tasavirtalähteestä, joten laite sisältää alennetun DC-DC-moduulin LM7805: n esisäätimenä, mikä tekee siitä paljon vähemmän lämpöä laitteen virrankulutuksen aikana.

Kun olemme käsitelleet kaikki lyhyet tiedot, rakennetaan ne!

Vaihe 1: Idea

Kuten lohkokaaviosta näet, laite toimii klassisena lähestymistapana kitaravahvistimen suunnitteluun pienillä vaihteluilla ohjauspiirissä ja käyttöliittymässä. Laajennamme yhteensä kolmea piirien ryhmää: Analoginen, digitaalinen ja virtalähde, joissa jokainen ryhmä koostuu erillisistä alipiireistä (aihe selitetään tarkasti seuraavissa vaiheissa). Jotta projektirakenteen ymmärtäminen olisi paljon helpompaa, selitämme nämä ryhmät:

1. Analoginen osa: Analogiset piirit sijaitsevat lohkokaavion yläosassa, kuten yllä näkyy. Tämä osa vastaa kaikista laitteen läpi kulkevista signaaleista.

1/4 -liitin on laitteen mono -monotulo ja se sijaitsee laatikon ja juotetun elektronisen piirin välisellä rajalla.

Seuraava vaihe on LM386-integroituun piiriin perustuva esivahvistin, jota on erittäin helppo käyttää tällaisissa äänisovelluksissa. LM386 saa 5 V DC: n päävirtalähteestä, jossa sen parametreja, vahvistusta ja äänenvoimakkuutta ohjataan digitaalisilla potentiometreillä.

Kolmas vaihe on tehovahvistin, joka perustuu integroituun TDA2030 -piiriin ja saa virtansa ulkoisesta 18 ~ 20 V DC -virtalähteestä. Tässä projektissa tehovahvistimella valittu vahvistus pysyy vakiona koko toiminta -ajan. Koska laite ei ole yksittäinen kääritty piirilevy, on suositeltavaa käyttää koottua TDA2030A -moduulia ja kiinnittää se prototyyppikorttiin liittämällä vain I/O- ja virtalähdetapit.

2. Digitaalinen osa: Digitaaliset piirit sijaitsevat lohkokaavion alaosassa. He vastaavat käyttöliittymästä ja analogisten parametrien ohjauksesta, kuten viiveaika/syvyys, äänenvoimakkuus ja vahvistus.

Anturi, jossa on sisäänrakennettu SPST-kytkin, määritetään käyttäjän ohjaustulona. Koska se on koottu yhdeksi osaksi, ainoa asianmukaisen toiminnan tarve on vetovastusten kiinnittäminen ohjelmallisesti tai fyysisesti (näemme sen kaavion vaiheessa).

Mikroprosessori piirin "pääaivona" on ATMEGA328P, jota käytetään tässä laitteessa Arduinon kaltaisella tyylillä. Se on laite, jolla on kaikki digitaalinen virta piirien yli, ja se käskee kaiken mitä tehdä. Ohjelmointi tapahtuu SPI -liitännän kautta, joten voimme käyttää mitä tahansa sopivaa USB -ISP -ohjelmoijaa tai ostettua AVR -virheenkorjainta. Jos haluat käyttää Arduinoa piirin mikro -ohjaimena, tämä on mahdollista kääntämällä ohjelmointivaiheessa oleva liitteenä oleva C -koodi.

Digitaaliset potentiometrit ovat kaksi kaksoisintegroitua piiriä, joita ohjataan SPI -interaktion kautta mikrokontrollerilla, ja yhteensä 4 potentiometriä kaikkien parametrien täydelliseen hallintaan:

LCD on käyttöliittymälähtö, joka kertoo meille, mitä laatikon sisällä tapahtuu. Tässä projektissa käytin luultavasti suosituinta 16x2 LCD -näyttöä Arduinon käyttäjien keskuudessa.

3. Virtalähde: Virtalähde vastaa energian (jännitteen ja virran) antamisesta koko järjestelmälle. Koska tehovahvistinpiiri saa virtansa suoraan ulkoisesta kannettavan sovittimesta ja kaikki muut piirit saavat virtansa 5 V DC: ltä, tarvitaan DC-DC-alas- tai lineaarinen säädin. Jos asetat 5 V: n lineaarisen säätimen, joka yhdistää sen ulkoiseen 20 V: een, kun virta kulkee lineaarisen säätimen kautta kuormaan, valtava määrä lämpöä haihtuu 5 V: n säätimelle, emme halua sitä. Joten 20 V: n ja 5 V: n lineaarisen säätimen (LM7805) välillä on 8 V DC-DC-alasmuunnin, joka toimii esisäätimenä. Tällainen kiinnitys estää valtavan häviön lineaarisessa säätimessä, kun kuormitusvirta saavuttaa korkeat arvot.

Vaihe 2: Osat ja välineet

Elektroniset osat:

1. Moduulit:

• PT2399 - Echo / delay IC -moduuli.
• LM2596-DC-DC-moduulin sammutus
• TDA2030A - 18 W: n tehovahvistinmoduuli
• 1602A - Yleinen LCD 16x2 merkkiä.
• Pyörivä anturi, jossa on upotettu SPST -kytkin.

2. Integroidut piirit:

• LM386 - Monoäänivahvistin.
• LM7805 - 5V Lineaarinen säädin.
• MCP4261/MCP42100 - 100KOhm kaksi digitaalista potentiometriä
• ATMEGA328P - mikrokontrolleri

3. Passiiviset komponentit:

A. Kondensaattorit:

• 5 x 10 uF
• 2 x 470 uF
• 1 x 100 uF
• 3 x 0,1 uF

Vastukset:

• 1 x 10R
• 4 x 10K

Potentiometri:

1 x 10K

(Valinnainen) Jos et käytä PT2399 -moduulia ja haluat rakentaa piirin itse, tarvitset seuraavat osat:

• PT2399
• 1 x 100K vastus
• 2 x 4.7uF kondensaattori
• 2 x 3.9nF kondensaattori
• 2 x 15K vastus
• 5 x 10K vastus
• 1 x 3.7K vastus
• 1 x 10uF kondensaattori
• 1 x 10 nF kondensaattori
• 1 x 5.6K vastus
• 2 x 560pF kondensaattori
• 2 x 82nF kondensaattori
• 2 x 100 nF kondensaattori
• 1 x 47uF kondensaattori

4. Liittimet:

• 1 x 1/4 "monoliitin
• 7 x kaksoisliittimet
• 1 x naarasinen 6-nastainen riviliitin
• 3 x 4-nastaiset JST-liittimet
• 1 x urosliitin

Mekaaniset osat:

• Kaiutin, jonka tehonkesto on vähintään 18 W
• Puinen kotelo
• Puurunko käyttöliittymän katkaisemiseksi (LCD- ja kiertokooderille).
• Vaahtomuovia kaiutin- ja käyttöliittymäalueille
• 12 poraruuvia osille
• 4 x kiinnityspultit ja mutterit LCD -kehykseen
• 4 x kumijalka tasaista laitteen värähtelyä varten (resonanssimekaaninen melu on yleinen asia vahvistimen suunnittelussa).
• Pyörivän anturin nuppi

Välineet:

• Sähköinen ruuvimeisseli
• Kuumaliimapistooli (tarvittaessa)
• (Valinnainen) Lab -virtalähde
• (Valinnainen) Oskilloskooppi
• (Valinnainen) Toimintogeneraattori
• Juotosraudan / asema
• Pieni leikkuri
• Pieni pihdit
• Juotin
• Pinsetit
• Käärintälanka
• Poranterät
• Pieni saha puun leikkaamiseen
• Veitsi
• Jauhatusviila

Vaihe 3: Kaavio Selitys

Koska projektin lohkokaavio on meille tuttu, voimme siirtyä kaavioihin ottaen huomioon kaikki asiat, jotka meidän on tiedettävä piirin toiminnasta:

Esivahvistinpiiri: LM386 on kytketty mahdollisimman vähän osia huomioiden, ilman ulkoisia passiivisia komponentteja. Jos haluat muuttaa taajuuden vastausta audiosignaalituloon, kuten bassokorostusta tai äänensäätöä, voit viitata LM386-tietolomakkeeseen, josta puhuminen ei vaikuta tämän laitteen kaavioon lukuun ottamatta esivahvistimen pieniä muutoksia yhteyksissä. Koska käytämme yhtä 5 V: n tasavirtalähdettä IC: lle, erotuskondensaattori (C5) on lisättävä IC: n lähtöön signaalin DC -poistoa varten. Kuten voidaan nähdä, 1/4 liittimen (J1) signaalitappi on kytketty digipotin A-nastaan ja LM386 ei-invertoiva tulo on kytketty numeropisteen B-nastaan, joten tuloksena on yksinkertainen jännitteenjakaja, jota mikrokontrolleri ohjaa SPI -liitännän kautta.

Delay / Echo Effect Circuit: Tämä piiri perustuu PT2399 -viivevaikutuspiiriin. Tämä piiri näyttää monimutkaiselta sen tietolomakkeen mukaan, ja se on erittäin helppo sekoittaa juottamiseen kokonaan. On suositeltavaa ostaa valmiiksi koottu PT2399 -moduuli, ja ainoa asia on irrottaa pyörivät potentiometrit moduulista ja kiinnittää digipot -linjat (pyyhin, A ja B). Olen käyttänyt tietolomakkeen viittausta kaikuefektirakenteeseen, jossa digipotit on liitetty värähtelyjen ajanjakson valintaan ja takaisinkytkentäsignaalin äänenvoimakkuuteen (mitä meidän pitäisi kutsua - "syvyys"). Viivepiirin tulo, jota kutsutaan DELAY_IN-linjaksi, on kytketty esivahvistinpiirin lähtöön. Sitä ei mainita kaavioissa, koska halusin saada kaikki piirit jakamaan vain voimalinjoja ja signaalilinjat on kytketty ulkoisilla kaapeleilla. "Kuinka ei kätevää!", Saatat ajatella, mutta asia on, että kun rakennetaan analogista prosessointipiiriä, on paljon helpompaa suorittaa vianmääritys osittain osittain jokaisen projektin piirin osalta. On suositeltavaa lisätä ohituskondensaattoreita 5 V: n tasavirtalähteeseen sen meluisan alueen vuoksi.

Virtalähde: Laite saa virtansa ulkoisen virtaliitännän kautta 20V 2A AC/DC -sovittimella. Huomasin, että paras ratkaisu pienentää suurta tehohäviötä lineaarisessa säätimessä lämmön muodossa on lisätä 8 V DC-DC-alasmuunnin (U10). LM2596 on buck -muunnin, jota käytetään monissa sovelluksissa ja suosittu Arduinon käyttäjien keskuudessa. Se maksaa alle 1 $ eBayssa. Tiedämme, että lineaarisen säätimen läpimenossa on jännitehäviö (7805: n tapauksessa teoreettinen arvio on noin 2,5 V), joten LM7805: n tulon ja lähdön välillä on turvallinen 3 V: n rako. Ei ole suositeltavaa laiminlyödä lineaarista säädintä ja kytkeä lm2596 suoraan 5 V: n linjaan kytkentäkohinan vuoksi, joka jännitteen aaltoilu voi vaikuttaa piirien virran vakauteen.

Tehovahvistin: Se on yksinkertainen miltä näyttää. Koska olen käyttänyt TDA2030A -moduulia tässä projektissa, ainoa vaatimus on kytkeä tehovahvistimen virtatapit ja I/O -linjat. Kuten aiemmin mainittiin, tehovahvistimen tulo on kytketty viivepiirin lähtöön ulkoisen kaapelin kautta liittimien avulla. Laitteessa käytettävä kaiutin on kytketty tehovahvistimen lähtöön erillisen riviliittimen kautta.

Digitaaliset potentiometrit: Todennäköisesti tärkeimmät komponentit koko laitteessa, joten niitä voidaan ohjata digitaalisesti. Kuten näette, digipoteja on kahdenlaisia: MCP42100 ja MCP4261. Heillä on sama pinout, mutta viestinnässä eroavat toisistaan. Minulla on varastossani vain kaksi viimeistä digipottia, kun olen rakentanut tämän projektin, joten käytin juuri sitä, mitä minulla oli, mutta suosittelen käyttämään kahta samantyyppistä digipottia joko MCP42100 tai MCP4261. Jokaista digipottia ohjataan SPI -liitännällä, jakamiskellolla (SCK) ja datatulon (SDI) nastalla. ATMEGA328P: n SPI -ohjain pystyy käsittelemään useita laitteita ajamalla erillisiä sirunvalintanappeja (CS tai CE). Se on suunniteltu tällä tavalla tässä projektissa, jossa SPI -sirun käyttöönottotapit on kytketty erillisiin mikro -ohjaimen nastoihin. PT2399 ja LM386 on kytketty 5 V: n syöttöjännitteeseen, joten meidän ei tarvitse huolehtia jännitteen heilahtelusta digipot -vastusverkossa sisäpiirien sisällä (se katetaan suurelta osin tietolomakkeesta, sisäisten kytkentävastuksien jännitetasojen osasta).

Mikro-ohjain: Kuten mainittiin, se perustuu Arduino-tyyppiseen ATMEGA328P-laitteeseen ja vaatii yhden passiivisen komponentin-vetovastus (R17) nollaustapissa. 6-nastaista liitintä (J2) käytetään laitteen ohjelmointiin USB ISP-ohjelmoijan kautta SPI-liitännän kautta (Kyllä, sama liitäntä, johon digipotit on kytketty). Kaikki nastat on kytketty sopiviin komponentteihin, jotka on esitetty kaaviossa. On erittäin suositeltavaa lisätä ohituskondensaattoreita lähellä 5 V: n virtalähdettä. Kondensaattoreita, joita näet lähettimen nastojen (C27, C28) lähellä, käytetään estämään kooderin tilan pomppiminen näihin nastoihin.

Nestekidenäyttö: Nestekidenäyttö on yhdistetty klassisella tavalla 4 -bittisellä tiedonsiirrolla ja kahdella lisänastalla tietojen lukitsemiseen - Rekisterin valinta (RS) ja Ota käyttöön (E). Nestekidenäytössä on jatkuva kirkkaus ja vaihteleva kontrasti, jota voidaan säätää yhdellä trimmerillä (R18).

Käyttöliittymä: Laitteen kiertokooderissa on sisäänrakennettu SPST-painike, jossa kaikki sen liitännät on sidottu kuvattuihin mikro-ohjaimen nastoihin. On suositeltavaa kiinnittää vetovastus jokaiseen anturin nastaan: A, B ja SW sisäisen vedon sijaan. Varmista, että anturin A ja B nastat on kytketty mikro -ohjaimen ulkoisiin keskeytystappeihin: INT0 ja INT1 laitteen koodin ja luotettavuuden mukaisesti, kun käytät anturikomponenttia.

JST-liittimet ja riviliittimet: Jokainen analoginen piiri: esivahvistin, viive ja tehovahvistin on eristetty juotetulle piirilevylle ja kytketty kaapeleilla riviliittimien väliin. Kooderi ja nestekidenäyttö on liitetty JST -kaapeleihin ja liitetty juotettuun korttiin JST -liittimien kautta yllä kuvatulla tavalla. Ulkoinen virtalähteen liitäntä ja 1/4 mono -jakkituloliitäntä on kytketty riviliittimien kautta.

Vaihe 4: Juotos

Lyhyen valmistelun jälkeen on tarpeen kuvitella kaikkien komponenttien tarkka sijoitus levylle. On edullista aloittaa juotosprosessi esivahvistimesta ja lopettaa kaikki digitaaliset piirit.

Tässä on vaiheittainen kuvaus:

1. Juotos esivahvistinpiiri. Tarkista sen liitännät. Varmista, että maajohdot on jaettu kaikille sopiville linjoille.

2. Juottaa PT2399 -moduuli/IC kaikki oheispiirit piirikaavion mukaisesti. Koska olen juottanut koko viivepiirin, näet, että on olemassa monia jaettuja linjoja, jotka voidaan juottaa helposti kunkin PT2399 -nastaisen toiminnon mukaan. Jos sinulla on PT2399 -moduuli, avaa vain pyörivät potentiometrit ja juota digitaaliset potentiometrin verkkolinjat näihin vapautuneisiin nastoihin.

3. Juotos TDA2030A -moduuli, varmista, että kaiuttimen lähtöliitin on keskellä kortin ulkopuolella.

4. Juotosvirtalähde. Aseta ohituskondensaattorit kaavion mukaisesti.

5. Juotosmikro -ohjainpiiri ohjelmointiliittimellä. Yritä ohjelmoida se, varmista, että se ei epäonnistu prosessissa.

6. Juotos digitaaliset potentiometrit

7. Juotos kaikki JST -liittimet kunkin linjaliitännän mukaisille alueille.

8. Käynnistä kortti, jos sinulla on toimintogeneraattori ja oskilloskooppi, tarkista jokainen analogisen piirin vaste tulosignaalille vaihe vaiheelta (suositus: 200 mVpp, 1 KHz).

9. Tarkista piirin vaste tehovahvistimessa ja viivepiirissä/moduulissa erikseen.

10. Liitä kaiutin tehovahvistimen ulostuloon ja signaaligeneraattori tuloon, varmista, että kuulet äänimerkin.

11. Jos kaikki suorittamamme testit ovat onnistuneita, voimme siirtyä kokoonpanovaiheeseen.

Vaihe 5: Kokoonpano

Tämä on luultavasti hankkeen vaikein osa teknisen lähestymistavan kannalta, ellei varastossasi ole hyödyllisiä työkaluja puun leikkaamiseen. Minulla oli hyvin rajallinen joukko instrumentteja, joten minun oli pakko mennä vaikealle tielle - leikata laatikko käsin hiomapaperilla. Käydään läpi tärkeimmät vaiheet:

1. Laatikon valmistelu:

1.1 Varmista, että sinulla on puinen kotelo, joka on sopivan kokoinen kaiuttimelle ja elektroniselle levylle.

1.2 Leikkaa kaiuttimen alue, on erittäin suositeltavaa kiinnittää vaahtomuovikehys kaiuttimen katkaisualueelle resonanssivärähtelyjen estämiseksi.

1.3 Leikkaa erillinen puurunko käyttöliittymälle (nestekidenäyttö ja anturi). Leikkaa nestekidenäytölle sopiva alue ja varmista, että LCD -suuntaa ei ole käännetty kotelon etunäkymään. Kun tämä on valmis, poraa reikä pyörivälle anturille. Kiinnitä LCD -noita 4 porausruuvia ja pyörivä anturi sopivalla metallimutterilla.

1.4 Aseta vaahtomuovi käyttöliittymän puukehyksen ympärille. Tämä auttaa estämään myös resonoivia nuotteja.

1.5 Paikanna elektronisen levyn sijainti ja poraa 4 reikää puukoteloon

1.6 Valmistele puoli, jossa on ulkoinen DC -virtalähteen tuloliitin ja 1/4 kitaratulo, poraa kaksi reikää sopivalla halkaisijalla. Varmista, että näillä liittimillä on sama pistoke kuin elektronisella kortilla (eli napaisuus). juota kaksi paria johtoja jokaiselle tulolle.

2. Osien liittäminen:

2.1 Kiinnitä kaiutin valittuun kohtaan ja varmista, että kaksi johtoa on kytketty kaiuttimen nastoihin 4 porausruuvilla.

2.2 Kiinnitä käyttöliittymäpaneeli kotelon valitulle puolelle. Älä unohda vaahtomuovia.

2.3 Kytke kaikki piirit yhteen riviliittimien kautta

2.4 Liitä nestekidenäyttö ja anturi korttiin JST -liittimien kautta.

2.5 Liitä kaiutin TDA2030A -moduulilähtöön.

2.6 Kytke virta- ja kitaratulot kortin riviliittimiin.

2.7 Etsi levy porattujen reikien kohdalta, kiinnitä levy 4 porausruuvilla puukotelon ulkopuolelta.

2.8 Kiinnitä kaikki puiset kotelon osat yhteen niin, että ne näyttävät kiinteältä laatikolta.

Vaihe 6: Ohjelmointi ja koodi

Laitekoodi noudattaa AVR -mikrokontrolleriperheen sääntöjä ja on ATMEGA328P MCU: n mukainen. Koodi on kirjoitettu Atmel Studiossa, mutta on mahdollista ohjelmoida Arduino -kortti Arduino IDE: llä, jolla on sama ATMEGA328P MCU. Erillinen mikro-ohjain voidaan ohjelmoida USB-debug-sovittimen avulla Atmel Studion mukaisesti tai USP ISP -ohjelmoijan kautta, joka voidaan ostaa eBaysta. Yleisesti käytetty ohjelmointiohjelmisto on AVRdude, mutta mieluummin ProgISP - yksinkertainen USB ISP -ohjelmointiohjelmisto, jossa on erittäin ystävällinen käyttöliittymä.

Kaikki tarvittavat selitykset koodista löytyvät liitteenä olevasta Amplifice.c -tiedostosta.

Liitetty Amplifice.hex -tiedosto voidaan ladata suoraan laitteelle, jos se on täysin kaavamaisen kaavion mukainen, jota olemme aiemmin tarkkailleet.

Vaihe 7: Testaus

No, kun kaikki mitä halusimme, on tehty, on aika testata. Halusin testata laitetta muinaisella halvalla kitarallani ja yksinkertaisella passiivisella äänensäätöpiirillä, jonka olen rakentanut vuosia sitten ilman syytä. Laitetta testataan myös digitaalisella ja analogisella tehosteprosessorilla. Ei ole liian hienoa, että PT2399: ssä on niin pieni RAM -muistisignaali viivejaksoissa käytettävien ääninäytteiden tallentamiseen, kun kaiunäytteiden välinen aika on liian pitkä, kaiku digitalisoituu suurella siirtymäbittien menetyksellä, mitä pidetään signaalin vääristymänä. Mutta tämä "digitaalinen" vääristymä, jonka kuulemme, voi olla hyödyllinen laitteen toiminnan positiivisena sivuvaikutuksena. Kaikki riippuu sovelluksesta, jonka haluat tehdä tällä laitteella (jota jotenkin kutsuin muuten "Amplifice V1.0").

Toivottavasti tästä opettavaisesta on sinulle hyötyä.

Kiitos lukemisesta!