Digitálne riadený 18W gitarový zosilňovač: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Pred niekoľkými rokmi som postavil 5W gitarový zosilňovač, čo bolo v tej dobe riešenie pre môj zvukový systém, a nedávno som sa rozhodol postaviť nový, oveľa výkonnejší a bez použitia analógových komponentov pre užívateľské rozhranie, ako otočné potenciometre a prepínače.

Digitálne riadený 18W gitarový zosilňovač je samostatný, digitálne ovládaný 18W mono gitarový zosilňovač s pripojením systému s efektom delay a elegantným displejom z tekutých kryštálov, ktorý poskytuje presné informácie o dianí v obvode.

Vlastnosti projektu:

• Plne digitálne ovládanie: Vstup používateľského rozhrania je rotačný snímač so vstavaným spínačom.
• ATMEGA328P: Je to mikroprocesor (používa sa ako systém podobný Arduinu): Všetky nastaviteľné parametre sú programovo ovládané užívateľom.
• LCD: funguje ako výstup používateľského rozhrania, takže parametre zariadenia, ako je zisk/hlasitosť/hĺbka oneskorenia/čas oneskorenia, je možné pozorovať vo veľkej aproximácii.
• Digitálne potenciometre: Používajú sa v subobvodoch, čím je ovládanie zariadenia plne digitálne.
• Kaskádový systém: Každý obvod vo vopred definovanom systéme je samostatný systém, ktorý zdieľa iba napájacie vedenia a je schopný relatívne ľahko riešiť problémy v prípade porúch.
• Predzosilňovač: Na základe integrovaného obvodu LM386 s veľmi jednoduchým schematickým dizajnom a požiadavkou na minimálne diely.
• Obvod s efektom oneskorenia: Je založený na integrovanom obvode PT2399, je možné ho zakúpiť na eBay ako samostatný integrovaný obvod (celý obvod oneskorenia som navrhol sám) alebo ho možno použiť ako kompletný modul so schopnosťou nahradiť rotačné potenciometre digipotmi.
• Výkonový zosilňovač: Je založený na module TDA2030, ktorý už obsahuje všetky periférne obvody na svoju činnosť.
• Napájanie: Zariadenie je napájané starým externým 19 V jednosmerným napájaním prenosného počítača, takže zariadenie obsahuje zostupný modul DC-DC ako predregulátor pre LM7805, vďaka ktorému odvádza oveľa menej tepla počas napájania zariadenia.

Potom, čo sme pokryli všetky krátke informácie, poďme ich postaviť!

Krok 1: Myšlienka

Ako môžete vidieť na blokovej schéme, zariadenie funguje ako klasický prístup k konštrukcii gitarového zosilňovača s malými odchýlkami v ovládacom obvode a používateľskom rozhraní. Existujú celkom tri skupiny obvodov, o ktorých sa budeme zaoberať: analógový, digitálny a napájací zdroj, kde každá skupina pozostáva zo samostatných čiastkových obvodov (téma bude dobre vysvetlená v ďalších krokoch). Aby sme vám uľahčili porozumenie štruktúre projektu, vysvetlíme si tieto skupiny:

1. Analógová časť: Analógové obvody sú umiestnené v hornej polovici blokového diagramu, ako je možné vidieť vyššie. Táto časť má na starosti všetky signály, ktoré prechádzajú zariadením.

1/4 jack je mono gitarový vstup zariadenia a nachádza sa na hranici medzi boxom a spájkovaným elektronickým obvodom.

Ďalšou fázou je predzosilňovač založený na integrovanom obvode LM386, ktorý sa v takýchto zvukových aplikáciách veľmi ľahko používa. LM386 je napájaný 5 V DC z hlavného zdroja, kde sú jeho parametre, zosilnenie a hlasitosť ovládané pomocou digitálnych potenciometrov.

Tretím stupňom je výkonový zosilňovač založený na integrovanom obvode TDA2030, napájaný externým zdrojom napájania 18 ~ 20V DC. V tomto projekte zisk, ktorý je zvolený na výkonovom zosilňovači, zostáva konštantný po celú dobu prevádzky. Pretože zariadenie nie je jedinou zabalenou doskou plošných spojov, odporúča sa použiť zostavený modul TDA2030A a pripevniť ho k prototypu priechodky pomocou pripojenia iba vstupov a výstupov a pinov napájania.

2. Digitálna časť: Digitálne obvody sú umiestnené v spodnej polovici blokového diagramu. Majú na starosti ovládanie používateľského rozhrania a analógových parametrov, ako je čas/hĺbka oneskorenia, hlasitosť a zosilnenie.

Kodér so vstavaným prepínačom SPST je definovaný ako vstup ovládaný používateľom. Pretože je zostavený ako jeden diel, jedinou potrebou pre správnu funkciu je programové alebo fyzické pripojenie pull-up rezistorov (uvidíme v kroku schematického postupu).

Mikroprocesor ako „hlavný mozog“v obvode je ATMEGA328P, ktorý sa v tomto zariadení používa v štýle podobnom Arduinu. Je to zariadenie, ktoré má v obvodoch všetku digitálnu silu a prikazuje všetkému, čo má robiť. Programovanie sa vykonáva pomocou rozhrania SPI, takže môžeme použiť ľubovoľný vhodný programátor USB ISP alebo zakúpený ladiaci program AVR. V prípade, že chcete použiť Arduino ako mikrokontrolér v obvode, je to možné pomocou kompilácie pripojeného kódu C, ktorý je prítomný v kroku programovania.

Digitálne potenciometre sú niekoľko dvojitých integrovaných obvodov riadených pomocou rozhrania SPI pomocou mikrokontroléra s celkovým počtom 4 potenciometrov na plnú kontrolu nad všetkými parametrami:

LCD je výstup používateľského rozhrania, ktorý nám dáva vedieť, čo sa deje v krabici. V tomto projekte som použil pravdepodobne najobľúbenejší 16x2 LCD displej medzi užívateľmi Arduina.

3. Napájanie: Napájanie je určené na dodávanie energie (napätia a prúdu) do celého systému. Pretože obvod zosilňovača je napájaný priamo z externého adaptéra prenosného počítača a všetky zostávajúce obvody sú napájané z 5 V DC, je potrebný krokový alebo lineárny regulátor DC-DC. V prípade umiestnenia 5V lineárneho regulátora na jeho pripojenie k externému 20V, keď prúd prechádza lineárnym regulátorom do záťaže, sa na 5V regulátore rozptýli obrovské množstvo tepla, to nechceme. Medzi lineárnym regulátorom 20 V a 5 V (LM7805) existuje 8V menič DC-DC, ktorý funguje ako predregulátor. Takéto pripevnenie zabraňuje veľkému rozptylu na lineárnom regulátore, keď záťažový prúd dosahuje vysoké hodnoty.

Krok 2: Diely a nástroje

Elektronické súčiastky:

1. Moduly:

• PT2399 - IC modul Echo / delay.
• LM2596-Znížený modul DC-DC
• TDA2030A - 18W výkonový zosilňovač
• 1602A - Bežný LCD 16x2 znakov.
• Rotačný kodér so vstavaným prepínačom SPST.

2. Integrované obvody:

• LM386 - Mono zosilňovač zvuku.
• LM7805 - 5V lineárny regulátor.
• Duálne digitálne potenciometre MCP4261/MCP42100 - 100KOhm
• ATMEGA328P - Mikrokontrolér

3. Pasívne komponenty:

A. Kondenzátory:

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

B. Rezistory:

• 1 x 10R
• 4 x 10 tis

C. Potenciometer:

1 x 10 tis

(Voliteľné) Ak nepoužívate modul PT2399 a máte záujem postaviť obvod sami, sú potrebné tieto diely:

• PT2399
• 1 x 100K odpor
• 2 x 4,7uF kondenzátor
• 2 x 3,9nF kondenzátor
• Rezistor 2 x 15 K.
• Rezistor 5 x 10 K.
• 1 x 3,7K odpor
• 1 x 10uF kondenzátor
• 1 x 10nF kondenzátor
• 1 x 5,6K odpor
• Kondenzátor 2 x 560 pF
• 2 x 82nF kondenzátor
• 2 x 100nF kondenzátor
• 1 x 47uF kondenzátor

4. Konektory:

• 1 x 1/4 "mono konektor
• 7 x Dvojité svorkovnice
• 1 x zásuvka 6-kolíkového konektora
• 3 x 4-pinové konektory JST
• 1 x konektor napájacieho konektora

Mechanické časti:

• Reproduktor s príjmom energie rovným alebo vyšším ako 18 W.
• Drevená ohrada
• Drevený rámček pre výrez užívateľského rozhrania (pre LCD a rotačné snímače).
• Penová guma pre oblasti reproduktorov a používateľského rozhrania
• 12 vŕtacích skrutiek pre diely
• 4 x upevňovacie skrutky a matice pre rám LCD
• 4 x gumová noha na stabilné oscilácie zariadenia (rezonančný mechanický šum je bežnou vecou v konštrukcii zosilňovača).
• Gombík pre rotačný snímač

Nástroje:

• Elektrický skrutkovač
• Horúca lepiaca pištoľ (ak je to potrebné)
• (Voliteľné) Laboratórny napájací zdroj
• (Voliteľné) Osciloskop
• (Voliteľné) Generátor funkcií
• Spájkovačka / stanica
• Malá fréza
• Malý kliešť
• Spájkovací cín
• Pinzeta
• Baliaci drôt
• Vŕtanie bitov
• Malá píla na rezanie dreva
• Nôž
• Brúsny súbor

Krok 3: Vysvetlenie schémy

Pretože sme oboznámení so blokovým diagramom projektu, môžeme pristúpiť k schému, pričom vezmeme do úvahy všetky veci, ktoré potrebujeme vedieť o prevádzke obvodov:

Obvod predzosilňovača: LM386 je pripojený s ohľadom na minimálny počet súčiastok bez toho, aby bolo potrebné používať externé pasívne komponenty. V prípade, že chcete zmeniť frekvenčnú odozvu na vstup zvukového signálu, napríklad zosilnenie basov alebo ovládanie tónov, môžete sa obrátiť na technický list LM386, o ktorom to nebude mať vplyv na schematický diagram tohto zariadenia, s výnimkou miernych zmien pripojení predzosilňovača.. Pretože pre IC používame jediné napájanie 5 V DC, na výstup IC je potrebné pridať oddeľovací kondenzátor (C5) na odstránenie signálu jednosmerným prúdom. Ako je zrejmé, signálny kolík 1/4 konektora (J1) je pripojený k kolíku digipotu 'A' a neinvertujúci vstup LM386 je pripojený k kolíku digitpotu 'B', takže v dôsledku toho máme jednoduché delič napätia, riadený mikrokontrolérom cez rozhranie SPI.

Obvod efektu oneskorenia / ozveny: Tento obvod je založený na integrovanom obvode efektu oneskorenia PT2399. Tento obvod sa zdá byť komplikovaný podľa jeho technického listu, a je veľmi ľahké si ho pomýliť s jeho úplným spájkovaním. Odporúčame kúpiť kompletný modul PT2399, ktorý je už zmontovaný, a jediné, čo musíte urobiť, je odspájkovať rotačné potenciometre z modulu a pripojiť linky digipotov (stierače, „A“a „B“). Použil som odkaz na technický list k návrhu efektu ozveny, pričom digipoty sú pripojené k výberu časového obdobia oscilácií a objemu signálu spätnej väzby (Čo by sme mali nazvať - „hĺbka“). Vstup oneskoreného obvodu, označovaný ako linka DELAY_IN, je pripojený k výstupu obvodu predzosilňovača. V schémach to nie je uvedené, pretože som chcel, aby všetky obvody zdieľali iba elektrické vedenia a signálne vedenia sú prepojené s externými káblami. „Ako nevhodné!“, Možno si pomyslíte, ale ide o to, že pri stavbe analógového spracovateľského obvodu je oveľa jednoduchšie odstraňovať problémy po častiach v každom okruhu v projekte. Odporúča sa pridať obtokové kondenzátory na kolík napájacieho zdroja 5 V DC kvôli jeho hlučnej oblasti.

Napájanie: Zariadenie je napájané prostredníctvom externého napájacieho konektora 20V 2A AC/DC adaptérom. Zistil som, že najlepším riešením na zníženie veľkého rozptylu energie na lineárnom regulátore vo forme tepla je pridať 8V DC-DC menič (U10). LM2596 je konvertor dolárov, ktorý sa používa v mnohých aplikáciách a je obľúbený medzi používateľmi Arduina, a stojí na eBay menej ako 1 $. Vieme, že lineárny regulátor má na svojom výkone pokles napätia (v prípade 7805 teoretická aproximácia je okolo 2,5 V), takže medzi vstupom a výstupom LM7805 je bezpečná medzera 3 V. Nedoporučuje sa zanedbávať lineárny regulátor a pripájať lm2596 priamo na 5V vedenie, pretože pri spínacom hluku môže zvlnenie napätia ovplyvniť stabilitu výkonu obvodov.

Výkonový zosilňovač: Je to jednoduché, ako sa zdá. Pretože som v tomto projekte použil modul TDA2030A, jedinou požiadavkou je pripojiť napájacie piny a vstupno -výstupné vedenia výkonového zosilňovača. Ako už bolo spomenuté, vstup zosilňovača je pripojený k výstupu obvodu oneskorenia pomocou externého kábla pomocou konektorov. Reproduktor, ktorý sa používa v zariadení, je pripojený k výstupu zosilňovača prostredníctvom vyhradenej svorkovnice.

Digitálne potenciometre: Pravdepodobne najdôležitejšie komponenty v celom zariadení, vďaka ktorému je možné ho ovládať digitálne. Ako vidíte, existujú dva typy digipotov: MCP42100 a MCP4261. Zdieľajú rovnaký vývod, ale líšia sa v komunikácii. Keď som postavil tento projekt, mám v zásobe iba dva posledné digipoty, takže som použil to, čo som mal, ale odporúčam použiť dva digipoty rovnakého typu, buď MCP42100 alebo MCP4261. Každý digipot je ovládaný rozhraním SPI, zdieľacími hodinami (SCK) a kolíkmi vstupu údajov (SDI). Ovládač SPI ATMEGA328P je schopný pracovať s viacerými zariadeniami poháňaním oddelených pinov pre výber čipu (CS alebo CE). Je to navrhnuté týmto spôsobom v tomto projekte, kde sú piny umožňujúce čip SPI pripojené k samostatným kolíkom mikrokontroléra. PT2399 a LM386 sú pripojené k napájaniu 5V, takže sa nemusíme starať o kolísanie napätia v sieti rezistorov digipot vo vnútri integrovaných obvodov (Je to pokryté z veľkej časti v technickom liste, v časti rozsahu úrovne napätia na vnútorných spínacích odporoch).

Mikrokontrolér: Ako už bolo spomenuté, založený na Arduino štýle ATMEGA328P, s potrebou jedného pasívneho komponentu-výsuvného odporu (R17) na resetovacom kolíku. 6-kolíkový konektor (J2) sa používa na programovanie zariadení cez USB ISP programátor prostredníctvom rozhrania SPI (Áno, rovnaké rozhranie, ku ktorému sú pripojené digipoty). Všetky kolíky sú pripojené k príslušným komponentom, ktoré sú uvedené v schematickom diagrame. V blízkosti kolíkov napájania 5V sa dôrazne odporúča pridať obtokové kondenzátory. Kondenzátory, ktoré vidíte v blízkosti kolíkov kodéra (C27, C28), slúžia na zabránenie odrážaniu stavu snímača na týchto kolíkoch.

LCD: Displej z tekutých kryštálov je prepojený klasickým spôsobom so 4 -bitovým prenosom dát a ďalšími dvoma pinmi zaistenia údajov - Zvoľte register (RS) a Povoliť (E). Displej LCD má konštantný jas a variabilný kontrast, ktoré je možné nastaviť jediným trimrom (R18).

Užívateľské rozhranie: Rotačný kodér zariadenia má vstavané tlačidlo SPST, kde sú všetky jeho pripojenia viazané na popísané kolíky mikrokontroléra. Odporúča sa namiesto interného výsuvu pripojiť na kolík každého snímača: A, B a SW pull-up odpor. Uistite sa, že piny kodéra A a B sú pripojené k externým prerušovacím kolíkom mikrokontroléra: INT0 a INT1, aby zodpovedali kódu a spoľahlivosti zariadenia pri použití komponentu snímača.

Konektory a svorkovnice JST: Každý analógový obvod: predzosilňovač, oneskorovací a výkonový zosilňovač sú izolované na spájkovanej doske a sú prepojené káblami medzi koncovými blokmi. Kodér a LCD sú pripevnené k káblom JST a pripojené k spájkovanej doske pomocou konektorov JST, ako je popísané vyššie. Vstup pre externý napájací konektor a 1/4 mono jack gitarový vstup sú prepojené pomocou svorkovníc.

Krok 4: Spájkovanie

Po krátkej príprave je potrebné si predstaviť presné umiestnenie všetkých komponentov na doske. Je lepšie začať proces spájkovania z predzosilňovača a skončiť so všetkými digitálnymi obvodmi.

Tu je podrobný popis:

1. Spájkovací obvod predzosilňovača. Skontrolujte jeho pripojenia. Zaistite, aby boli pozemné čiary zdieľané na všetkých príslušných linkách.

2. Spájkujte modul/integrovaný obvod PT2399 so všetkými periférnymi obvodmi podľa schematického diagramu. Pretože som spájkoval celý oneskorovací obvod, môžete vidieť, že existuje veľa zdieľaných liniek, ktoré je možné ľahko spájkovať podľa každej pinovej funkcie PT2399. Ak máte modul PT2399, stačí odpájať rotačné potenciometre a spájkovať digitálne potenciometrové siete k týmto uvoľneným kolíkom.

3. Spájkujte modul TDA2030A a uistite sa, že výstupný konektor reproduktora je vycentrovaný mimo dosky.

4. Napájací obvod spájky. Umiestnite obtokové kondenzátory podľa schematického diagramu.

5. Spájkový obvod mikrokontroléra s programovacím konektorom. Skúste ho naprogramovať a uistite sa, že v tomto procese nezlyhá.

6. Spájkovacie digitálne potenciometre

7. Spájkujte všetky konektory JST v oblastiach podľa zapojenia každého vedenia.

8. Zapnite dosku, ak máte funkčný generátor a osciloskop, krok za krokom skontrolujte odozvu každého analógového obvodu na vstupný signál (odporúčané: 200 mVpp, 1 KHz).

9. Samostatne skontrolujte odozvu obvodu na výkonovom zosilňovači a oneskorovacom obvode/module.

10. Pripojte reproduktor k výstupu zosilňovača a generátora signálu k vstupu a uistite sa, že počujete tón.

11. Ak sú všetky testy, ktoré sme vykonali, úspešné, môžeme pristúpiť k montážnemu kroku.

Krok 5: Zostavenie

Pravdepodobne je to najťažšia časť projektu z hľadiska technického prístupu, pokiaľ nemáte vo sklade nejaké užitočné nástroje na rezanie dreva. Mal som veľmi obmedzenú sadu nástrojov, a tak som bol nútený ísť ťažkou cestou - rezací box ručne brúsnym pilníkom. Pozrime sa na základné kroky:

1. Príprava škatule:

1.1 Uistite sa, že máte drevený kryt s príslušnými rozmermi pre umiestnenie reproduktorov a elektronických dosiek.

1.2 Odrežte oblasť reproduktora, dôrazne sa odporúča pripevniť rám penovej gumy na oblasť výrezu reproduktora, aby sa zabránilo rezonančným vibráciám.

1.3 Vyrežte samostatný drevený rám pre užívateľské rozhranie (LCD a kodér). Odrežte vhodnú oblasť pre LCD displej a uistite sa, že smer LCD nie je obrátený na pohľad spredu krytu. Po dokončení tohto postupu vyvŕtajte otvor pre rotačný snímač. Upevnite LCD monitor pomocou 4 vŕtacích skrutiek a rotačného snímača vhodnou kovovou maticou.

1.4 Položte penovú gumu na drevený rám používateľského rozhrania po celom obvode. To pomôže predchádzať aj rezonujúcim poznámkam.

1.5 Nájdite miesto, kde bude umiestnená elektronická doska, a potom vyvŕtajte 4 otvory do dreveného krytu

1.6 Pripravte stranu, na ktorej bude umiestnený vstupný konektor externého zdroja jednosmerného prúdu a vstup gitary 1/4 , vyvŕtajte dva otvory s príslušnými priemermi. Zaistite, aby tieto konektory zdieľali rovnaký vývod ako elektronickú dosku (tj. Polaritu). Potom spájkujte dva páry vodičov pre každý vstup.

2. Pripojenie dielov:

2.1 Pripojte reproduktor k vybranej oblasti a uistite sa, že sú dva vodiče pripojené k kolíkom reproduktora pomocou 4 skrutiek.

2.2 Pripojte panel používateľského rozhrania na zvolenú stranu krytu. Nezabudnite na penovú gumu.

2.3 Pripojte všetky obvody dohromady pomocou svorkovníc

2.4 Pripojte LCD a kodér k doske pomocou konektorov JST.

2.5 Pripojte reproduktor k výstupu modulu TDA2030A.

2.6 Pripojte napájacie a gitarové vstupy k svorkovniciam dosky.

2.7 Dosku umiestnite do polohy vyvŕtaných otvorov, upevnite dosku pomocou 4 skrutiek z vonkajšej strany dreveného krytu.

2.8 Pripojte všetky drevené časti krytu dohromady, aby to vyzeralo ako pevná škatuľa.

Krok 6: Programovanie a kód

Kód zariadenia dodržiava pravidlá rodiny mikrokontrolérov AVR a zodpovedá MCU ATMEGA328P. Kód je napísaný v programe Atmel Studio, ale existuje možnosť naprogramovať dosku Arduino s Arduino IDE, ktoré má rovnaký MCU ATMEGA328P. Samostatný mikrokontrolér je možné naprogramovať pomocou USB ladiaceho adaptéra podľa programu Atmel Studio alebo pomocou programátora ISP ISP, ktorý je možné zakúpiť na eBay. Programovací softvér, ktorý sa bežne používa, je AVRdude, ale ja dávam prednosť ProgISP - jednoduchému programovaciemu programu USB ISP s veľmi príjemným užívateľským rozhraním.

Všetky potrebné vysvetlenia o kóde nájdete v priloženom súbore Amplifice.c.

Pripojený súbor Amplifice.hex je možné nahrať priamo do zariadenia, ak úplne zodpovedá schematickému diagramu, ktorý sme predtým pozorovali.

Krok 7: Testovanie

Keď je všetko, čo sme chceli, hotové, je čas na testovanie. Radšej som testoval zariadenie so svojou starodávnou lacnou gitarou a jednoduchým obvodom na ovládanie pasívneho tónu, ktorý som postavil pred rokmi bez dôvodu. Zariadenie je testované aj s digitálnym aj analógovým efektovým procesorom. Nie je príliš skvelé, že PT2399 má takú malú pamäť RAM na ukladanie zvukových vzoriek používaných v oneskorovacích sekvenciách, keď je čas medzi vzorkami ozveny príliš veľký, ozvena sa digitalizuje s veľkou stratou prechodových bitov, čo sa považuje za skreslenie signálu. Toto „digitálne“skreslenie, ktoré počujeme, môže byť užitočné ako pozitívny vedľajší účinok činnosti zariadenia. Všetko závisí od aplikácie, ktorú chcete s týmto zariadením vytvoriť (čo som mimochodom nejako nazval „Amplifice V1.0“).

Dúfam, že vám tento návod bude užitočný.

Vďaka za prečítanie!