Stolný zosilňovač so zvukovou vizualizáciou, binárnymi hodinami a FM prijímačom: 8 krokov (s obrázkami)

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

Mám rád zosilňovače a dnes sa podelím o svoj stolný zosilňovač s nízkym výkonom, ktorý som nedávno vyrobil. Zosilňovač, ktorý som navrhol, má niekoľko zaujímavých funkcií. Má integrované binárne hodiny a môže ukazovať čas a dátum a môže vizualizovať zvuk, ktorý sa často nazýva analyzátor zvukového spektra. Môžete ho použiť ako FM prijímač alebo MP3 prehrávač. Ak sa vám páči môj zosilňovač hodín, postupujte podľa nižšie uvedených krokov a vytvorte si vlastnú kópiu.

Krok 1: Tipy na dobrý návrh zosilňovača

Navrhnúť kvalitný zvukový obvod bez šumu je skutočne náročné aj pre skúseného dizajnéra. Preto by ste mali dodržiavať niekoľko tipov, aby bol váš návrh lepší.

Moc

Zosilňovače reproduktorov sú typicky napájané priamo z napätia hlavného systému a vyžadujú relatívne vysoký prúd. Odpor v stopách bude mať za následok poklesy napätia, ktoré znižujú napájacie napätie zosilňovača a plytvanie energiou v systéme. Stopový odpor tiež spôsobuje, že sa normálne kolísanie napájacieho prúdu zmení na kolísanie napätia. Na maximalizáciu výkonu použite krátke široké stopy pre všetky napájacie zdroje zosilňovača.

Uzemnenie

Uzemnenie hrá jedinú a najdôležitejšiu úlohu pri určovaní, či systém dosahuje potenciál zariadenia. Zle uzemnený systém bude mať pravdepodobne vysokú citlivosť, šum, presluchy a RF. Napriek tomu, že je možné spochybniť, koľko času je potrebné venovať uzemneniu systému, starostlivo navrhnutá schéma uzemnenia zabraňuje vzniku veľkého počtu problémov.

Zem v každom systéme musí slúžiť dvom účelom. Po prvé, je to spätná cesta pre všetky prúdy prúdiace do zariadenia. Za druhé, je to referenčné napätie pre digitálne aj analógové obvody. Uzemnenie by bolo jednoduché, ak by napätie vo všetkých bodoch zeme mohlo byť rovnaké. V skutočnosti to nie je možné. Všetky vodiče a stopy majú obmedzený odpor. To znamená, že kedykoľvek prúdi zemou prúd, dôjde k zodpovedajúcemu poklesu napätia. Akákoľvek slučka drôtu tiež tvorí induktor. To znamená, že kedykoľvek prúd prúdi z batérie do záťaže a späť do batérie, prúdová cesta má určitú indukčnosť. Indukčnosť zvyšuje impedanciu zeme pri vysokých frekvenciách.

Aj keď navrhnutie najlepšieho pozemného systému pre konkrétnu aplikáciu nie je jednoduchou úlohou, niektoré všeobecné pokyny platia pre všetky systémy.

1. Vytvorte spojitú pozemnú rovinu pre digitálne obvody: Digitálny prúd v základnej rovine má tendenciu sledovať rovnakú cestu, ktorou prešiel pôvodný signál. Táto cesta vytvára najmenšiu oblasť slučky pre prúd, čím sa minimalizujú efekty a indukčnosť antény. Najlepším spôsobom, ako zaistiť, aby všetky stopy digitálnych signálov mali zodpovedajúcu pozemnú cestu, je vytvoriť súvislú základnú rovinu na vrstve bezprostredne susediacej so vrstvou signálu. Táto vrstva by mala pokrývať rovnakú oblasť ako stopa digitálneho signálu a mala by mať čo najmenej prerušení v jej kontinuite. Všetky prerušenia v pozemnej rovine, vrátane priechodov, spôsobujú, že zemný prúd prúdi vo väčšej slučke, ako je ideálne, čím sa zvyšuje žiarenie a hluk.
2. Udržujte oddelené zemné prúdy: Zemné prúdy pre digitálne a analógové obvody musia byť oddelené, aby digitálne prúdy nevytvárali hluk do analógových obvodov. Najlepším spôsobom, ako to dosiahnuť, je správne umiestnenie komponentov. Ak sú všetky analógové a digitálne obvody umiestnené na oddelených častiach dosky plošných spojov, zemné prúdy budú prirodzene izolované. Aby to fungovalo dobre, analógová sekcia musí obsahovať iba analógové obvody na všetkých vrstvách dosky plošných spojov.
3. Na analógové obvody použite techniku uzemnenia hviezdy: Zvukové výkonové zosilňovače majú tendenciu čerpať relatívne veľké prúdy, ktoré môžu nepriaznivo ovplyvniť ich vlastné aj iné referenčné body v systéme. Aby ste tomuto problému predišli, poskytnite vyhradené spiatočné cesty pre uzemnenie premosteného zosilňovača a uzemnenie konektora pre slúchadlá. Izolácia umožňuje týmto prúdom prúdiť späť do batérie bez ovplyvnenia napätia ostatných častí pozemnej roviny. Pamätajte si, že tieto vyhradené spätné cesty by nemali byť vedené pod stopami digitálneho signálu, pretože by mohli blokovať digitálne spätné prúdy.
4. Maximalizujte účinnosť obtokových kondenzátorov: Takmer všetky zariadenia vyžadujú na zaistenie okamžitého prúdu obtokové kondenzátory. Aby ste minimalizovali indukčnosť medzi kondenzátorom a napájacím kolíkom zariadenia, umiestnite tieto kondenzátory čo najbližšie k napájaciemu kolíku, ktorý obchádzajú. Akákoľvek indukčnosť znižuje účinnosť obtokového kondenzátora. Podobne musí byť kondenzátor vybavený nízkoimpedančným spojením so zemou, aby sa minimalizovala vysokofrekvenčná impedancia kondenzátora. Priamo pripojte uzemnenú stranu kondenzátora k základnej rovine, a nie ho veďte cez stopu.
5. Zaplavte všetky nevyužité oblasti plošných spojov zemou: Kedykoľvek sa dva kusy medi pohybujú blízko seba, vytvorí sa medzi nimi malá kapacitná spojka. Spustením povodne v blízkosti signálnych stôp môže byť nechcená vysokofrekvenčná energia v signálnych linkách posunutá na zem cez kapacitnú väzbu.

Napájacie zdroje, transformátor a hlučné digitálne obvody sa snažte držať mimo zvukových obvodov. Pre zvukové obvody používajte oddelené uzemnenie a pre zvukové obvody je dobré nepoužívať uzemňovacie roviny. Uzemnenie (GND) zvukového zosilňovača je veľmi dôležité v porovnaní s uzemnením iných tranzistorov, integrovaných obvodov atď., Ak je medzi týmito dvoma zemný šum, zosilňovač ho vydá.

Zvážte napájanie dôležitých integrovaných obvodov a čohokoľvek citlivého pomocou odporu 100R medzi nimi a +V. Na strane IC rezistora zapojte kondenzátor slušnej veľkosti (napr. 220uF). Ak IC bude ťahať veľa energie, potom zaistite, aby to rezistor zvládol (zvoľte dostatočne vysoký výkon a v prípade potreby zabezpečte chladenie medi doskou plošných spojov) a majte na pamäti, že na rezistore dôjde k poklesu napätia.

V prípade návrhov založených na transformátoroch chcete, aby kondenzátory usmerňovača boli čo najbližšie k kolíkom usmerňovača a aby boli prepojené vlastnými hrubými dráhami v dôsledku veľkých nabíjacích prúdov pri samotnom pohľade na usmernenú sinovú vlnu. Pretože výstupné napätie usmerňovača prekračuje rozpadajúce sa napätie kondenzátora, v nabíjacom obvode vzniká impulzný šum, ktorý sa môže preniesť do zvukového obvodu, ak zdieľajú rovnaký kus medi v ktoromkoľvek z elektrických vedení. Pulzného nabíjacieho prúdu sa nemôžete zbaviť, takže je oveľa lepšie udržať kondenzátor v mieste mostíkového usmerňovača, aby sa minimalizovali tieto vysokoprúdové impulzy energie. Ak je v blízkosti usmerňovača zvukový zosilňovač, neumiestňujte vedľa neho veľký kondenzátor, aby ste predišli problémom s týmto kondenzátorom, ale ak je vzdialenosť malá, je dobré dať zosilňovaču vlastný kondenzátor, pretože sa vznáša nabitý z napájacieho zdroja a má vzhľadom na dĺžku medi relatívne vysokú impedanciu.

Vyhľadajte a napäťové regulátory, ktoré používajú zvukové obvody, v blízkosti vstupu usmerňovača / zdroja a pripojte ich tiež pomocou vlastných prepojení.

Signály

Ak je to možné, vyhýbajte sa vstupným a výstupným zvukovým signálom do a z integrovaných obvodov, ktoré bežia paralelne na doske plošných spojov, pretože to môže spôsobiť oscilácie, ktoré sa prenášajú z výstupu späť na vstup. Pamätajte si, že iba 5 mV môže spôsobiť veľa bzučania!

Udržujte digitálne uzemňovacie roviny mimo zvukového GND a zvukových obvodov všeobecne. Hluk je možné do zvuku zaviesť jednoducho zo stôp, ktoré sú príliš blízko digitálnych lietadiel.

Pri pripájaní k inému zariadeniu, ak napájate inú dosku, ktorá obsahuje zvukové obvody (bude dávať alebo prijímať zvukový signál), zaistite, aby bol medzi dvoma doskami iba 1 bod, v ktorom sa GND pripája, a to by v ideálnom prípade malo byť pri pripojení zvukového analógového signálu bod.

Na pripojenie IO signálu k iným zariadeniam / vonkajšiemu svetu je dobré použiť odpor 100R medzi obvodmi GND a GND vonkajšieho sveta na všetko (vrátane digitálnych častí obvodu) na zastavenie vytvárania zemných slučiek.

Kondenzátory

Použite ich všade tam, kde chcete navzájom izolovať sekcie. Hodnoty, ktoré treba použiť:- 220 nF je typických, 100 nF je v poriadku, ak chcete znížiť veľkosť / náklady, najlepšie neklesnúť pod 100 nF.

Nepoužívajte keramické kondenzátory. Dôvodom je, že keramické kondenzátory poskytujú piezoelektrický efekt striedavému signálu, ktorý spôsobuje šum. Použite nejaký druh polyetylénu - najvhodnejší je polypropylén, ale postačí akýkoľvek. Skutočné zvukové hlavy tiež hovoria, že nepoužívajú elektrolytiku in-line, ale mnoho dizajnérov to robí bez problémov-je to pravdepodobne pre aplikácie s vysokou čistotou, nie pre štandardný štandardný zvukový dizajn.

Nepoužívajte tantalové kondenzátory kdekoľvek v cestách zvukového signálu (niektorí návrhári môžu nesúhlasiť, ale môžu spôsobiť hrozné problémy)

Všeobecne akceptovanou náhradou za polykarbonát je PPS (polyfenylénsulfid).

Vysokokvalitné polykarbonátové fólie a polystyrénové fólie a teflónové kondenzátory a keramické kondenzátory NPO/COG majú kapacitné koeficienty veľmi nízkeho napätia a tým aj veľmi nízke skreslenie a výsledky sú veľmi jasné pomocou spektrálnych analyzátorov a uší.

Vyhnite sa keramickým dielektrikom s vysokým K, ktoré majú koeficient vysokého napätia, čo by mohlo viesť k určitému skresleniu, ak by boli použité v štádiu ovládania tónu.

Umiestnenie komponentov

Prvým krokom akéhokoľvek návrhu DPS je výber umiestnenia komponentov. Táto úloha sa nazýva „plánovanie podlahy“. Starostlivé umiestnenie komponentov môže uľahčiť smerovanie signálu a rozdelenie uzemnenia. Minimalizuje zachytávanie hluku a potrebnú plochu dosky.

Je potrebné vybrať umiestnenie komponentu v analógovej sekcii. Komponenty by mali byť umiestnené tak, aby sa minimalizovala vzdialenosť, ktorou prejdú zvukové signály. Zosilňovač zvuku umiestnite čo najbližšie ku konektoru pre slúchadlá a reproduktoru. Toto umiestnenie minimalizuje vyžarovanie EMI z reproduktorových zosilňovačov triedy D a minimalizuje citlivosť šumu na signály slúchadiel s nízkou amplitúdou. Umiestnite zariadenia dodávajúce analógový zvuk čo najbližšie k zosilňovaču, aby ste minimalizovali zachytávanie šumu na vstupoch zosilňovača. Všetky stopy vstupných signálov budú fungovať ako antény pre RF signály, ale skrátenie stôp pomôže znížiť účinnosť antény pre frekvencie, ktoré sú zvyčajne znepokojujúce.

Krok 2: Potrebujete…

1. IC zosilňovača zvuku TEA2025B (ebay.com)

2. 6 ks 100uF elektrolytický kondenzátor (ebay.com)

3. 2 ks 470uF elektrolytický kondenzátor (ebay.com)

4. 2 ks 0,22uF kondenzátor

5. 2 ks 0,15uF keramický kondenzátor

6. Potenciometer na ovládanie duálneho objemu (50 - 100 kB) (ebay.com)

7. 2 ks 4 ohmový 2,5W reproduktor

8. Modul prijímača MP3 + FM (ebay.com)

9. LED matica s ovládačom IC (Adafruit.com)

10. Vero Board & Some Wire.

11. Arduino UNO (Adafruit.com)

12. Modul DS1307 RTC (Adafruit.com)

Krok 3: Vytvorenie obvodu zosilňovača

Podľa priloženej schémy zapojenia spájkujte všetky komponenty na DPS. Pre kondenzátory používajte presné hodnoty. Dávajte pozor na polaritu elektrolytických kondenzátorov. Pokúste sa udržať všetok kondenzátor čo najbližšie k IC, aby ste minimalizovali šum. Priamo spájkujte IC bez použitia základne IC. Uistite sa, že ste prerušili stopy medzi dvoma stranami integrovaného obvodu zosilňovača. Všetky spájkovacie spoje by mali byť dokonalé. Toto je obvod zosilňovača zvuku, preto sa obráťte na profesionála ohľadom spájkovacieho pripojenia, najmä pokiaľ ide o uzemnenie (GND).

Krok 4: Testovanie obvodu s reproduktorom

Po dokončení všetkého pripojenia a spájkovaní pripojte dva 4 ohmové 2,5 W reproduktory k obvodu zosilňovača. Pripojte zdroj zvuku k obvodu a zapnite ho. Ak všetko pôjde dobre, budete mať zvuk bez šumu.

Na zosilnenie zvuku som použil IC zosilňovača zvuku TEA2025B. Je to pekný čip zosilňovača zvuku, ktorý pracuje v širokom rozsahu napätia (3 V až 9 V). Môžete to teda vyskúšať s akýmkoľvek napätím v rozsahu. Používam 9V adaptér a funguje dobre. IC môže pracovať v režime duálneho alebo mostového pripojenia. Bližšie informácie o čipe zosilňovača nájdete v technickom liste.

Krok 5: Príprava predného panela Dot Matrix

Na vizualizáciu zvukového signálu a zobrazenie dátumu a času som nastavil bodový maticový displej na prednej strane zosilňovača. Aby som prácu pekne vykonal, použil som rotačný nástroj na orezanie rámu podľa veľkosti matice. Ak váš displej nemá integrovaný čip ovládača, použite ho osobitne. Preferujem dvojfarebnú matricu od spoločnosti Adafruit. Po výbere perfektného maticového displeja nastavte displej na základňu horúcim lepidlom.

Neskôr ho pripojíme k doske Arduino. Dvojfarebný displej od spoločnosti Adafruit používa na komunikáciu s mikrokontrolérom protokol i2c. Pripojíme teda SCL a SDA pin IC vodiča k doske Arduino.

Krok 6: Programovanie s Arduino

Pripojte dvojfarebný bodový maticový displej Adafruit Smart ako:

1. Pripojte 5V pin Arduino k LED matici + pin.
2. Pripojte pin Arduino GND k kolíku GND mikrofónu a LED maticového kolíka.
3. Môžete použiť napájaciu lištu, alebo Arduino má k dispozícii viacero pinov GND. Pripojte analógový pin Arduino 0 k pinu zvukového signálu.
4. Pripojte piny Arduino SDA a SCL k kolíkom matice D (údaje) a C (hodiny) matice batohu.
5. Skoršie dosky Arduino neobsahujú piny SDA a SCL - namiesto toho použite analógové piny 4 a 5.
6. Nahrajte priložený program a vyskúšajte, či funguje alebo nie:

Začnite stiahnutím úložiska Piccolo z Githubu. Vyberte tlačidlo „stiahnuť ZIP“. Akonáhle je to hotové, dekomprimujte výsledný súbor ZIP na pevnom disku. Vo vnútri budú dva priečinky: „Piccolo“by sa malo presunúť do vášho bežného priečinka so skicármi Arduino. „Ffft“by ste mali presunúť do priečinka Arduino „Libraries“(do priečinka skicár - ak tam nie je, vytvorte ho). Ak nie ste oboznámení s inštaláciou knižníc Arduino, postupujte podľa tohto tutoriálu. A nikdy neinštalujte do priečinka Library vedľa samotnej aplikácie Arduino … správne umiestnenie je vždy podadresárom vášho domovského priečinka! Ak ste ešte nenainštalovali knižnicu Adafruit LED Backpack Library (na použitie matice LED), stiahnite si a nainštalujte to tiež. Akonáhle sú priečinky a knižnice umiestnené, reštartujte Arduino IDE a skica „Piccolo“by mala byť k dispozícii v ponuke Súbor-> Skicár.

Keď je skica Piccolo otvorená, v ponuke Nástroje vyberte typ dosky Arduino a sériový port. Potom kliknite na tlačidlo Nahrať. Ak všetko pôjde dobre, po chvíli sa vám zobrazí správa „Odovzdávanie bolo dokončené“. Ak všetko pôjde dobre, uvidíte zvukové spektrum pre akýkoľvek zvukový vstup.

Ak váš systém funguje dobre, nahrajte náčrt Complete.ino, ktorý je súčasťou kroku na pridanie binárnych hodín, so zvukovou vizualizáciou. Reproduktor pri akomkoľvek zvukovom vstupe zobrazí zvukové spektrum, v opačnom prípade zobrazí čas a dátum.

Krok 7: Oprava všetkých vecí dohromady

Teraz pripojte obvod zosilňovača, ktorý ste postavili v predchádzajúcej fáze, k krabici horúcim lepidlom. Postupujte podľa obrázkov priložených k tomuto kroku.

Po pripojení obvodu zosilňovača teraz do krabice pripojte modul prijímača MP3 + FM. Pred upevnením lepidlom urobte test, aby ste sa presvedčili, že funguje. Ak to funguje dobre, opravte ho lepidlom. Zvukový výstup modulu MP3 by mal byť prepojený so vstupom obvodu zosilňovača.

Krok 8: Interné pripojenia a konečný produkt

Ak reproduktor prijíma a zvukový signál, zobrazuje zvukové spektrum, inak zobrazuje dátum a čas v binárnom formáte BCD. Ak máte radi programovanie a digitálne technológie, som si istý, že máte radi binárne súbory. Mám rád binárne a binárne hodiny. Predtým som vyrobil binárne náramkové hodinky a časový formát je úplne rovnaký ako moje predchádzajúce hodinky. Na ilustráciu formátu času som teda pridal predchádzajúci obrázok svojich hodiniek bez toho, aby som vytvoril ďalšie.

Ďakujem.

Štvrtá cena v súťaži obvodov 2016

Prvá cena v súťaži zosilňovačov a reproduktorov 2016