Vyrovnaný zosilňovač pre sluchovo postihnutých: 10 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Moje potreby

Pred niekoľkými mesiacmi som bol vybavený načúvacími prístrojmi na kompenzáciu straty citlivosti na vysoké frekvencie, ktorá spôsobovala stlmenie zvukov a ťažkosti s rozlíšením sybillantov (napr. „S“a „F“). Tieto pomôcky však pri používaní slúchadiel neprospievajú, pretože mikrofóny sú za uchom. Po experimentovaní s indukčným závesom na krk a priamym vstupom do mojich načúvacích prístrojov (ani jeden neposkytoval uspokojivé výsledky) som prišiel s nápadom na slúchadlový zosilňovač s nastaviteľnou frekvenčnou odozvou navrhnutý tak, aby zodpovedal mojim načúvacím prístrojom.

Ak máte ďalšie požiadavky na vyrovnanie, tento projekt je možné ľahko prispôsobiť. Poskytuje zosilnenie (alebo rez s triviálnou úpravou) na 3 stredných frekvenciách. Dalo by sa to však rozšíriť na viac frekvenčných pásiem.

Výsledok

Skončil som s úhľadným malým 6 cm štvorcovým boxom s 3,5 mm konektorom a vstupmi Bluetooth a 3,5 mm konektorom pre slúchadlá. Zistil som, že zlepšenie zážitku z počúvania hudby je veľkolepé a veľké zlepšenie reči.

Čo vám tento návod poskytne?

Hneď na úvod uvediem, že nejde o projekt pre začiatočníkov. Budete potrebovať primeranú úroveň spájkovacích schopností, a ak to chcete zmeniť (ako môžete), budete sa musieť naučiť Eagle pre rozloženie dosky a TinkerCAD pre 3D tlačený box. Oba mi chvíľu trvalo, kým som ich zvládol, ale ani jedno nebolo ťažké. Očakávam, že ľudia sa z mojich Inštrukcií niečo naučia (pokiaľ už neviete viac ako ja), nie iba slepo nasledovať pokyny.

Ak ste nikdy nespájkovali súčiastky na povrchovú montáž, nenechajte sa odradiť - nie je to také ťažké, ako by ste si mohli myslieť. Úvod nájdete v tejto príručke.

Z tohto projektu získate:

• Súbory návrhu Eagle (schéma a rozloženie dosky)
• Tabuľka programu Excel stelesňujúca rovnice návrhu, ktoré vám umožnia prispôsobiť ekvalizáciu vašim potrebám
• Návrh TinkerCAD pre 3D tlačený box.

Pretože minimálna objednávka pre vlastnú dosku s plošnými spojmi bola 5 kusov, mám náhradné 3 holé dosky (jedna predaná). Tieto sú teraz v predaji na eBay - pozri

Krok 1: Proces návrhu: Požiadavky a stratégia

Keď som začal premýšľať o tomto projekte, jednou z prvých otázok v mojej mysli bolo, či použiť analógové alebo digitálne filtre. Keith Walker ma vo vlákne na fóre All About Circuits upozornil na veľmi lacný (analógový) grafický ekvalizér z Ďalekého východu (ilustrovaný vyššie), ktorý použil na vyriešenie rovnakého problému. Tak som si jeden objednal ako dôkaz koncepcie.

Fungovalo to dobre, ale na prenosné použitie bolo príliš objemné a potrebovalo kladné aj záporné napájacie lišty, čo znamenalo ďalšie nepríjemnosti. Potvrdil však prístup a typ filtračných obvodov, ktoré sa majú použiť.

Spresnil som svoje požiadavky na nasledujúce:

• Musí byť kompaktný, prenosný a napájaný nabíjateľnou batériou.
• Mal by akceptovať vstup buď z 3,5 mm konektora, alebo Bluetooth.
• Musí mať oddelené ľavé a pravé stereo kanály.

V mnohých predchádzajúcich projektoch som použil konvenčné komponenty s priechodnými otvormi a 0,3 DIL integrované obvody na stripboard, ale to by bolo príliš objemné. Preto som sa rozhodol, že budem musieť navrhnúť vlastnú PCB (pre mňa nová skúsenosť) pomocou povrchu. montážne komponenty (s ktorými mám skromné skúsenosti). Tiež by som musel navrhnúť 3D tlačenú škatuľu (moje skúsenosti s 3D dizajnom boli veľmi obmedzené).

Funkciu Bluetooth je ľahké pridať pomocou ktoréhokoľvek z rôznych lacných dostupných modulov Bluetooth.

Pozrel som sa na 2 alebo 3 vyhradené integrované obvody grafického ekvalizéra, ale používanie lacných štvornásobných zosilňovačov sa mi nakoniec zdalo jednoduchšie a vyžadovalo iba toľko externých komponentov.

Krok 2: Podrobný dizajn

Základný obvodový prvok, ktorý som použil, je známy ako gyrátor. Operačný zosilňovač robí z capcitora virtuálny induktor. Tento a ešte jeden kondenzátor vytvára vyladený obeh, ktorý v určitom rozsahu frekvencií poskytuje buď zníženie alebo zosilnenie. Veľmi veľa návrhov grafického ekvalizéra používa prakticky identický dizajn a nemá zmysel sa od neho odchýliť. Ich príkladom je tento z Electronics Today International, september 1977, strana 27. Tento článok veľmi jasne vysvetľuje, ako obvod funguje.

Upravil som to iba pomocou štvornásobných zosilňovačov, ktoré by bežali z jedného zdroja 5V, a pridaním integrovaného obvodu zosilňovača pre slúchadlá, aby sa zabezpečilo, že bude adekvátne poháňať slúchadlá. Tiež som nahradil každý potenciometer potenciometrom a odporom, aby poskytoval iba zosilnenie a jemnejšie ovládanie, pretože som nepotreboval rez.

Schéma a rozloženie dosky (obidve vygenerované pomocou programu Eagle) sú uvedené vyššie.

Veľkou výhodou Eagle je, že obsahuje balík simulácie obvodu Spice, ktorý umožňuje overiť návrh a predpovedať frekvenčnú odozvu predtým, ako sa pustíte do výroby DPS.

Doska poskytuje 2 vstupy, zásuvku 3,5 mm jack a spájkovacie podložky na pripojenie modulu prijímača Bluetooth. Tieto sú efektívne paralelne. Napájanie je možné napájať buď zo zásuvky mini-USB alebo zo spájkovacích podložiek. Použil som skôr mini než micro-USB, pretože zásuvka micro-USB by sa dala ťažko spájkovať ručne a bola by aj menšia.

Krok 3: Inštalácia a nastavenie Eagle

Ak chcete odoslať návrh dosky na výrobu, zmeniť rozloženie alebo jednoducho zmeniť krivku odozvy, budete musieť nainštalovať Eagle. Ak (rovnako ako ja, keď som začal s týmto projektom) nie ste s ním oboznámení, webová stránka SparkFun má sériu užitočných návodov na

Prvá vec, na ktorú sa treba pozrieť, je Ako nainštalovať a nastaviť Eagle.

To zahŕňa inštaláciu knižníc SparkFun. Stiahnutý súbor zip obsahuje priečinok SparkFun-Eagle-Libraries-master, ktorý by ste mali skopírovať do EAGLE / libraries

Musíte tiež importovať moje súbory schémy a rozloženia Eagle a moje modely Spice. (Spice je softvér na simuláciu obvodov, ktorý nám umožňuje simulovať frekvenčnú odozvu zosilňovača.)

To všetko je súčasťou súboru zip, ktorý si môžete stiahnuť z

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Otvorte súbor zip a presuňte priečinky projektov a korenia do priečinka EAGLE. (Bude už obsahovať prázdny priečinok s projektmi.)

Teraz by ste mali byť pripravení spustiť Eagle.

Na ľavom paneli otvorte Projekty, potom projekty a potom zosilnený zosilňovač pre slúchadlá.

Dvakrát kliknite na súbory Headphone_Amp.brd a Headphone_Amp.sch. Tieto sa otvoria v oddelených oknách, pričom prvé zobrazuje rozloženie dosky a druhé schému.

Na schéme vyhľadajte a kliknite na tlačidlo Simulovať.

Tým sa otvorí nastavenie simulácie. Kliknite na prepínač AC Sweep, nastavte Type na Dec (predvolené) a Start and End Freq na 100 a 10 000. Vpravo dole kliknite na tlačidlo Simulovať. Po prestávke by sa mal zobraziť graf frekvenčnej odozvy, ako je to znázornené v nasledujúcom kroku.

Krok 4: Vyladenie krivky odozvy

Vaše uši sa budú veľmi pravdepodobne líšiť od tých mojich, takže v prvom rade potrebujete kópiu audiogramu. Váš audiológ by vám to mal poskytnúť, ale ak máte dobré slúchadlá, môžete si ich vyrobiť aj sami na stránke

To by vám malo poskytnúť dobrú predstavu o tom, koľko zosilnenia potrebujete pri rôznych frekvenciách. V mojom prípade sa moja strata sluchu rýchlo zvyšuje nad 3 kHz, takže je nemožné to kompenzovať oveľa vyššie. V každom prípade niekoľko experimentov analyzujúcich spektrum rôznych zdrojov pomocou Audacity naznačilo, že nad tým, čo mi chýbalo, toho zrejme veľa nebolo.

V súčasnej podobe vám projekt umožňuje nastaviť frekvenčnú odozvu na 3 stredových frekvenciách 1,5, 2,3 a 3,3 kHz, nezávisle na ľavom a pravom kanáli. Môžete sa týchto frekvencií držať, alebo ich zmeniť (pozri ďalší krok).

V priečinku EAGLE / spice nájdete modely pre 3 trimpoty POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl a POT_VR131.mdl. Tieto ovládajú odozvu na 3 frekvenciách. Po otvorení ktoréhokoľvek z nich v textovom editore (napr. Poznámkový blok) sa zobrazí riadok, ako napríklad:

.param VAR = 50

Zmeňte číslo na čokoľvek medzi 0 a 100, aby reprezentovalo polohu zodpovedajúceho trimpotu, a teda zvýšenie na danej frekvencii na čokoľvek od nuly do maxima.

Teraz spustite simuláciu (pred kliknutím na položku Simulovať kliknite na položku Aktualizovať zoznam Netlist), aby ste zistili, ako teraz vyzerá odpoveď na frekvenciu.

Krok 5: Zmena stredových frekvencií

Do priečinka Projekt Eagle som vložil excelovskú tabuľku Calc.xlsx. Otvorte to v programe Excel (alebo ak nemáte program Excel, LibreOffice Calc, ktorý je zadarmo). Táto tabuľka stelesňuje výpočty návrhu iba pre jednu z troch sekcií filtra.

Prvé pole vám umožňuje vypočítať stredovú frekvenciu a faktor Q pre dané hodnoty R1, R2, C1 a C2. (Faktor Q alebo kvality určuje šírku pásma. Vyššia hodnota poskytuje užšie pásmo a väčšiu dynamiku. Hodnoty okolo 4 sa zdajú fungovať dobre, ak je každá frekvencia zhruba o 50% väčšia ako predchádzajúca.)

V skutočnosti je väčšia pravdepodobnosť, že budete chcieť zvoliť frekvencie a vypočítať hodnoty komponentov. Vzhľadom na požadovanú frekvenciu a tri zo štyroch hodnôt komponentov vám druhé pole umožňuje vypočítať hodnotu 4. zložky.

Komponenty majú preferovanú hodnotu (napríklad séria E12), takže si môžete vybrať najbližšiu preferovanú hodnotu k vypočítanej hodnote a vložiť ju späť do prvého poľa, aby ste zistili, aká je skutočná frekvencia.

Potom musíte svoje hodnoty zapojiť do schémy Eagle a simuláciu zopakovať.

Vyvolajte schému a na ľavom paneli kliknite na ikonu hodnoty komponentu a potom kliknite na komponent, ktorý chcete zmeniť. (Simulácia je nastavená tak, aby fungovala iba na dolnom alebo ľavom kanáli.) Zobrazí sa upozornenie, že komponent nemá žiadnu hodnotu definovanú používateľom. Chcete to zmeniť? Samozrejme! Do zobrazeného poľa zadajte novú hodnotu.

Kliknite na tlačidlo Simulovať, potom na položku Aktualizovať netlist a potom na Simulovať.

Krok 6: Potrebné súčasti

Budete samozrejme potrebovať obvodovú dosku. Pokiaľ nepoužijete jednu z mojich náhradných holých dosiek, budete musieť odoslať súbory Eagle na výrobu. Väčšina výrobcov požaduje dizajn ako sadu Gerberových súborov. Namiesto duplikácie pokynov tu hľadajte online výraz Eagle export gerber alebo si pozrite návod na Sparkfun.

Samostatné Gerberove súbory opisujú vrstvy medi, spájkovaciu masku, sieťotlač, vŕtanie a frézovanie obrysu dosky.

Odoslaním súborov online výrobcovi ich overí a upozorní vás, ak chýbajú nejaké dôležité súbory. Ale nebude vás upozorňovať, ak chýba súbor z hodvábnej obrazovky, čo bola moja chyba. Toto je oddelené od obrysov zariadenia.

Na osadenie dosky budete potrebovať nasledujúce komponenty.

• Quad op zosilňovač TL084 SOIC -14 - 2 vypnuté
• Výkonový zosilňovač LM4880M SOIC 250 mW - 1 vypnutý
• Sortiment odporov 0603 SMD
• Sortiment keramických kondenzátorov 0603 SMD 100pF - 1μF
• Hrniec 5K orezania 3362P -502 - 6 zľava
• 10uF 16V SMD 0805 Viacvrstvový keramický viacvrstvový kondenzátor - 4 vyp
• 2917 (EIA7343) 100μF 16V tantalový kondenzátor - 2 vypnuté
• 2917 (EIA7343) 470μF 10V tantalový kondenzátor - 2 vypnuté
• Mini USB zásuvka 5-pinová SMD
• 3,5 mm stereofónny konektor pre montáž na PCB s otvorom - 2 vypnuté
• 3 mm modrá LED dióda (alebo podľa vášho výberu farby)

Pre kompletnú batériou napájanú jednotku so vstupom Bluetooth budete navyše potrebovať:

• Modul prijímača Bluetooth s podporou A2DP
• Batéria LiPo: 503035 3,7 V 500 mAh
• Nabíjačka TP4056 LiPo so vstupom mini-USB (alebo microUSB, ak chcete), ako je tento
• Menič zosilnenia 3 V - 5 V, ako je tento
• Posuvný prepínač Mini SPDT

Poznámka: Nabíjačka LiPo bude pravdepodobne nastavená na nabíjací prúd 1A, čo je na batériu 500 mAh veľmi veľa. Je dôležité, aby ste odstránili programovací odpor rýchlosti nabíjania (bežne 1,2 kB pripojený k pinu 2 čipu TP4056) a nahraďte ho jedným z 3,3 k.

Použil som batériu LiPo s drôteným koncom, ale tá s miniatúrnym konektorom JST by umožnila pripojenie iba po zapojení a dvojitej kontrole všetkého ostatného a tiež pri jednoduchšej výmene.

Uprednostňuje sa modul Bluetooth, ktorý bude pracovať buď na 3,3 V alebo 5 V, pretože potom môže napájať priamo z batérie, čím sa zníži digitálny šum pri napájaní 5 V na hlavnú dosku s obvodmi.

Ak vyberiete modul Bluetooth s podporou AVRCP a A2DP, môžete pridať tlačidlá na zvýšenie/zníženie hlasitosti a nasledujúcu/predchádzajúcu skladbu.

Mnoho modulov Bluetooth má diódu LED na povrchovú montáž, ktorá indikuje stav pripojenia, a nabíjačka TP4056 má na indikáciu stavu nabitia červené a zelené diódy LED na povrchovú montáž. Krabica, ako je tá, ktorú som vyrobil, ich pravdepodobne skryje, takže ich možno nahradiť (pozri neskôr):

• 3 mm modrá LED dióda
• 3 mm červená/zelená spoločná anóda LED.

Krok 7: Použitie holého panelu prototypu

Ak ste získali jednu z mojich náhradných prototypových dosiek, je potrebné si uvedomiť niekoľko drobných chýb.

• V hornej časti dosky nie je žiadna hodvábna obrazovka. Bude pre vás užitočné mať pri vytlačení k dispozícii vytlačenú kópiu rozloženia dosky.
• Niekoľko priechodov malo prepojiť horné a dolné pozemné lietadlá, ktoré nie. To nemá žiadny dôsledok.
• C3 bol pôvodne 100uF v balení 2917. Táto hodnota bola príliš vysoká a teraz je 1uF 0603. Na to, aby to zodpovedalo, budete musieť zoškrabať trochu spájkovacieho odporu z roviny zeme, ako je to znázornené na fotografii.

Zisk je nastavený hodnotami rezistorov R106 a R206. 22 k dáva zhruba jednotný zisk. Pretože by ste mohli chcieť experimentovať s rôznymi hodnotami, poskytol som podložky rezistora 0603 SMD a otvory s rozstupom 0,3 pre odpory zakončené drôtom.

Krok 8: Balenie

Dizajn krabice, ktorý som použil na 3D tlač, nájdete na tinkercad.com. Vôle boli príliš tesné, takže som zväčšil dĺžku a šírku škatule o 1 mm.

V spodnej časti škatule sú priehradky na batériu, nabíjačku, 5V zosilňovač a modul Bluetooth. Doska zosilňovača pre slúchadlá sa hodí na vrch. Veko je uchytené dvoma samoreznými skrutkami M2x5 mm.

Moduly zhodnej nabíjačky a zosilňovača 5 V sú široko dostupné, ale existuje mnoho rôznych modulov Bluetooth. Ak sa niektoré z nich líšia od môjho, budete musieť upraviť dizajn škatule.

Akonáhle sú moduly na svojom mieste, môžete ich ľahko udržať pomocou tavného lepidla.

Krok 9: Zapojenie

Na účely testovania som všetky moduly pripevnil na kus kartónu pomocou technológie blu-tac. Z toho som zistil, že smerovanie pozemných spojení je kritické. Uzemnenie z modulu Bluetooth je potrebné previesť do zosilňovača pre slúchadlá spolu s letovými a pravými kanálmi, ale potom musí byť uzemňovacie pripojenie z distribučnej dosky prepojené s modulom Bluetooth, nie so zosilňovačom pre slúchadlá, inak budete mať veľa digitálneho šumu. z modulu Bluetooth na výstupe.

Prepínač zapnutia/vypnutia som namontoval na malý kúsok lišty, 6 pásov širokých a 5 dlhých a s výrezom 2x4 pre vypínač. Slúži tiež ako doska na distribúciu energie. Keď bol úplne zapojený, prilepil som prepínač na miesto (s pripevnenou lištou) pomocou epoxidového lepidla. Ak by som projekt robil znova, zabezpečil by som vypínač na doske zosilňovača.

Na zapojenie potrebujete pomerne tenký lankový drôt, a tak som rozdelil dĺžku dúhového plochého kábla, čím som získal jednotlivé vodiče rôznych farieb. Normálne by ste vodiče previedli otvorom v doske a spájkovali by ste ich na druhej strane, ale s rôznymi modulmi umiestnenými v spodnej časti škatule som musel spájkovať na rovnakú stranu dosky, ako z ktorej vstupoval drôt, s trochou odstránenej izolácie, ako by bolo inak potrebné. Musel som namontovať pásovú dosku medenou stranou nahor a podobne k nej spájkovať spoje.

Chcel som, aby boli LED diódy na nabíjačke a moduloch Bluetooth viditeľné, a tak som odstránil integrované LED diódy SMD a zapojil podložky do 3 mm diód LED. Vyvrtal som do nich otvory v krabici, pretože som to nedovolil v mojej 3D tlačenej krabici. Pripojil som ich k spájkovacím podložkám na moduloch spájkovateľným smaltovaným drôtom. Je potiahnutý samovoľne taviacim polyuretánom, ktorý sa topí pod teplom spájkovačky.

Pre nabíjací modul som použil červenú/zelenú spoločnú anódu LED. Spoločná anóda musí byť prepojená s ktoroukoľvek z SMD diód LED najbližšie k okraju dosky (čo môžete potvrdiť multimetrom). Ak má váš modul Bluetooth LED SMD, budete musieť polaritu určiť pomocou multimetra. Niektoré moduly majú pripojenie pre externú diódu LED.

Pred vložením slúchadlového zosilňovača do škatule nad ostatné moduly som považoval za potrebné položiť malé kúsky PVC pásky na vrcholy dvoch elektrolytických kondenzátorov na module Bluetooth a na nabíjacej zásuvke mini-USB, aby sa zabránilo skratu pomocou spodná strana zosilňovača pre slúchadlá.

Krok 10: Vylepšenia

Ak by som z toho chcel urobiť produkt, nepochybne by som niečo zmenil, ale keďže som zo seba urobil pomôcku, ktorá slúži môjmu účelu, prejdem k iným projektom.

Okruh:

• Bipolárne napájanie mohlo byť lepšie. Pretože prúd odoberaný opampami je malý, kapacitný menič napätia čerpadla, ako je MAX660, by ľahko poskytol záporné napájanie.
• Pri bipolárnom napájaní by operačný zosilňovač nepotreboval zosilňovač 5 V. Slúchadlový zosilňovač LM4880 bude pracovať na surovom výstupnom napätí z batérie LiPo, aj keď maximálny výstupný výkon sa zníži z 250 mW na kanál na približne 100 mW na kanál.

Doska:

• Veľkosť dosky je to, čo vyplynulo z procesu rozloženia, ale jej stlačenie na presnú veľkosť, ako je 6 x 6 cm, by návrh krabice trochu uľahčilo.
• Rovnako by bolo lepšie umiestniť vstupné a výstupné 3,5 mm konektory do radu a presne do stredu oboch strán. To by tiež uľahčilo dizajn škatule.
• Na palubu nabíjacieho obvodu LiPo by bolo jednoduché. Pri bipolárnom napájaní by nebol potrebný zosilňovač 3 - 5V, čo šetrí 2 samostatné moduly.
• Použitou jednoduchou nabíjačkou TP4056 môže byť batéria nadmerne nabitá, ak sa ju pokúsite nabiť so zapnutou jednotkou. O niečo sofistikovanejšie nabíjačky obsahujú jednoduchý ochranný obvod, ktorý by sa oplatil zahrnúť.
• S vyššie uvedenými úpravami by potom mohol byť spínač namontovaný na dosku. Spôsob montáže prepínača do 3D tlačenej škatule nebol ideálny.
• 2 -pólový 3 -cestný prepínač by umožňoval napájanie modulu Bluetooth iba v prípade potreby.

Box:

• Pri montáži modulov do 2 vrstiev bola montáž ťažšia, ako bolo potrebné, a do tenšej, ale väčšej škatule sa možno lepšie zmestilo vrecko.
• Spínač sa dá ľahko neúmyselne zapnúť. Bolo by jednoduché zahrnúť okolo neho do návrhu 3D tlače ochranné kryty, aby sa tomu zabránilo.

Ďalšie aplikácie:

Ak ako audiofil chcete len vyvážený slúchadlový zosilňovač, ktorý poskytuje zosilnenie aj zníženie na rôznych frekvenciách, môžete použiť v zásade rovnaký dizajn.

Ak chcete zvýšiť aj znížiť, odstráňte R113, R123, R133 a R213, R223, R233 (alebo nahraďte rezistormi 0Ω) a vymeňte trimpoty za 10k (posuvné hrnce, ak chcete).

Môžete pridať toľko inštancií obvodu gyrátoru, koľko potrebujete.