Гитарный усилитель мощностью 18 Вт с цифровым управлением: 7 ступеней

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Пару лет назад я построил гитарный усилитель мощностью 5 Вт, который был своего рода решением для моей аудиосистемы в то время, а недавно я решил построить новый, гораздо более мощный и без использования аналоговых компонентов для пользовательского интерфейса. как поворотные потенциометры и тумблеры.

Гитарный усилитель мощностью 18 Вт с цифровым управлением - это автономный моно-гитарный усилитель мощностью 18 Вт с цифровым управлением, оснащенный системой эффектов задержки и элегантным жидкокристаллическим дисплеем, обеспечивающим точную информацию о том, что происходит в цепи.

Особенности проекта:

• Полностью цифровое управление: вход пользовательского интерфейса представляет собой поворотный энкодер со встроенным переключателем.
• ATMEGA328P: микроконтроллер (используемый как система, подобная Arduino): все настраиваемые параметры управляются программно пользователем.
• ЖК-дисплей: действует как выход пользовательского интерфейса, поэтому параметры устройства, такие как усиление / громкость / глубина задержки / время задержки, можно наблюдать в большом приближении.
• Цифровые потенциометры: используются в подсхемах, что делает управление устройством полностью цифровым.
• Каскадная система: каждая цепь в предварительно определенной системе представляет собой отдельную систему, которая использует только линии электропитания, что позволяет относительно легко устранять неисправности в случае сбоев.
• Предварительный усилитель: основан на интегральной схеме LM386, с очень простой схематической конструкцией и минимальным количеством деталей.
• Схема эффекта задержки: основана на интегральной схеме PT2399, может быть куплена на eBay как отдельная ИС (я сам спроектировал всю схему задержки) или может использоваться как полный модуль с возможностью замены поворотных потенциометров дигипотами.
• Усилитель мощности: основан на модуле TDA2030, который уже содержит все периферийные схемы для его работы.
• Источник питания: устройство питается от старого внешнего источника питания постоянного тока 19 В для ноутбука, поэтому устройство содержит понижающий модуль постоянного и переменного тока в качестве предварительного регулятора для LM7805, благодаря чему он рассеивает гораздо меньше тепла во время использования устройства.

После того, как мы рассмотрели всю краткую информацию, приступим к ее созданию!

Шаг 1. Идея

Как видно на блок-схеме, устройство работает как классический подход к конструкции гитарного усилителя с небольшими вариациями схемы управления и пользовательского интерфейса. Всего мы рассмотрим три группы схем: аналоговые, цифровые и схемы питания, где каждая группа состоит из отдельных подсхем (эта тема будет хорошо объяснена в дальнейших шагах). Чтобы облегчить понимание структуры проекта, давайте объясним эти группы:

1. Аналоговая часть: Аналоговые схемы расположены в верхней половине блок-схемы, как это видно выше. Эта часть отвечает за все сигналы, которые проходят через устройство.

Джек 1/4 - это гитарный моновход устройства и расположен на границе между коробкой и припаянной электронной схемой.

Следующим этапом является предварительный усилитель на базе интегральной схемы LM386, который чрезвычайно прост в использовании в подобных аудиоприложениях. LM386 получает питание 5 В постоянного тока от основного источника питания, где его параметры, усиление и громкость регулируются с помощью цифровых потенциометров.

Третий каскад - усилитель мощности на интегральной схеме TDA2030 с питанием от внешнего источника постоянного тока 18 ~ 20В. В этом проекте коэффициент усиления, выбранный на усилителе мощности, остается постоянным в течение всего времени работы. Поскольку устройство не представляет собой единую упакованную печатную плату, рекомендуется использовать собранный модуль TDA2030A и прикрепить его к прототипу платы, подключив только контакты ввода / вывода и питания.

2. Цифровая часть. Цифровые схемы расположены в нижней половине блок-схемы. Они отвечают за пользовательский интерфейс и управление аналоговыми параметрами, такими как время / глубина задержки, громкость и усиление.

Кодер со встроенным переключателем SPST определяется как ввод пользовательского управления. Поскольку он собран как единая деталь, единственная необходимость для правильной работы - это установка подтягивающих резисторов программно или физически (мы увидим это на шаге схемы).

Микропроцессор как «главный мозг» в схеме - ATMEGA328P, который используется в этом устройстве в стиле Arduino. Это устройство, которое имеет всю цифровую власть над схемой и управляет всем, что делать. Программирование осуществляется через интерфейс SPI, поэтому мы можем использовать любой подходящий USB-программатор ISP или приобретенный отладчик AVR. В случае, если вы хотите использовать Arduino в качестве микроконтроллера в схеме, это возможно путем компиляции прилагаемого кода C, который присутствует на этапе программирования.

Цифровые потенциометры представляют собой пару двойных интегральных схем, управляемых через SPI interace с помощью микроконтроллера, с общим количеством 4 потенциометров для полного контроля над всеми параметрами:

ЖК-дисплей - это вывод пользовательского интерфейса, который позволяет нам узнать, что происходит внутри коробки. В этом проекте я использовал, наверное, самый популярный ЖК-дисплей 16x2 среди пользователей Arduino.

3. Источник питания: источник питания отвечает за подачу энергии (напряжения и тока) для всей системы. Поскольку схема усилителя мощности питается напрямую от внешнего адаптера ноутбука, а все остальные схемы питаются от 5 В постоянного тока, существует потребность в понижающем или линейном стабилизаторе постоянного тока. В случае подключения линейного регулятора 5V к внешнему 20V, когда ток проходит через линейный регулятор к нагрузке, на регуляторе 5V рассеивается огромное количество тепла, чего мы не хотим. Итак, между линией 20 В и линейным регулятором 5 В (LM7805) есть понижающий преобразователь DC-DC на 8 В, который действует как предварительный регулятор. Такое крепление предотвращает большие потери на линейном регуляторе, когда ток нагрузки достигает высоких значений.

Шаг 2: Детали и инструменты

Электронные части:

1. Модули:

• PT2399 - Модуль микросхемы Echo / delay.
• LM2596 - понижающий модуль DC-DC
• TDA2030A - модуль усилителя мощности 18 Вт
• 1602A - Обычный ЖК-дисплей 16x2 символов.
• Поворотный энкодер со встроенным переключателем SPST.

2. Интегральные схемы:

• LM386 - Моно усилитель звука.
• LM7805 - линейный регулятор 5 В.
• MCP4261 / MCP42100 - двойные цифровые потенциометры 100 кОм
• ATMEGA328P - микроконтроллер

3. Пассивные компоненты:

А. Конденсаторы:

• 5 х 10 мкФ
• 2 х 470 мкФ
• 1 х 100 мкФ
• 3 х 0,1 мкФ

Б. Резисторы:

• 1 х 10R
• 4 x 10 КБ

C. Потенциометр:

1 х 10 тыс

(Необязательно) Если вы не используете модуль PT2399 и хотите построить схему самостоятельно, вам потребуются следующие детали:

• PT2399
• 1 резистор 100 кОм
• 2 x 4,7 мкФ конденсатор
• 2 x 3,9 нФ конденсатор
• 2 резистора 15 кОм
• Резистор 5 x 10 кОм
• 1 x резистор 3,7 кОм
• 1 х 10 мкФ конденсатор
• 1 х 10 нФ конденсатор
• 1 резистор 5,6 кОм
• Конденсатор 2 x 560 пФ
• Конденсатор 2 x 82 нФ
• Конденсатор 2 x 100 нФ
• 1 х 47 мкФ конденсатор

4. Разъемы:

• 1 x 1/4-дюймовый разъем Mono jack
• 7 двойных клеммных колодок
• 1 x гнездовой 6-контактный рядный разъем
• 3 x 4-контактных разъема JST
• 1 x штекерный разъем питания

Механических частей:

• Динамик с допустимой мощностью не менее 18 Вт
• Деревянный корпус
• Деревянная рамка для вырезки пользовательского интерфейса (для ЖК-дисплея и поворотного энкодера).
• Поролоновая резина для динамиков и пользовательского интерфейса
• 12 шурупов для сверления деталей
• 4 крепежных болта и гайки для рамки ЖК-дисплея
• 4 резиновые ножки для устойчивых колебаний устройства (резонансный механический шум - обычное дело в конструкции усилителя).
• Ручка поворотного энкодера

Инструменты:

• Электрическая отвертка
• Пистолет для горячего клея (при необходимости)
• (Необязательно) Лабораторный источник питания
• (Необязательно) Осциллограф
• (Необязательно) Генератор функций
• Паяльник / станция
• Маленький резак
• Малые плоскогубцы
• Олово для пайки
• Пинцет
• Обмотка проволоки
• Буровые долота
• Малогабаритная пила для распила дерева
• Нож
• Шлифовальный напильник

Шаг 3: Пояснение к схеме

Поскольку мы знакомы с блок-схемой проекта, мы можем перейти к схемам, учитывая все, что нам нужно знать о работе схемы:

Схема предварительного усилителя: LM386 подключается с минимальным вниманием к деталям, без необходимости использования внешних пассивных компонентов. В случае, если вы хотите изменить частотную характеристику входного аудиосигнала, например, усиление низких частот или регулировку тембра, вы можете обратиться к таблице данных LM386, разговор о которой не повлияет на принципиальную схему этого устройства, за исключением небольших изменений в соединениях предварительного усилителя.. Поскольку мы используем один источник постоянного тока 5 В для ИС, к выходу ИС необходимо добавить развязывающий конденсатор (C5) для удаления постоянного тока из сигнала. Как можно видеть, сигнальный контакт разъема 1/4 (J1) подключен к контакту 'A' цифрового потенциометра, а неинвертирующий вход LM386 подключен к контакту 'B' цифрового потенциометра, поэтому в результате мы имеем простой делитель напряжения, управляемый микроконтроллером через интерфейс SPI.

Схема эффекта задержки / эха: Эта схема основана на ИС эффекта задержки PT2399. Эта схема кажется сложной в соответствии с ее таблицей данных, и ее очень легко запутать, припаяв ее совсем. Рекомендуется приобретать полный модуль PT2399, который уже собран, и единственное, что нужно сделать, - это снять с модуля поворотные потенциометры и присоединить линии цифровых датчиков (Wiper, «A» и «B»). Я использовал ссылку в таблице на дизайн эффекта эха, с цифровыми цифрами, прикрепленными к выбору периода времени колебаний и громкости сигнала обратной связи (то, что мы должны называть - «глубиной»). Вход схемы задержки, называемый линией DELAY_IN, подключен к выходу схемы предварительного усилителя. Это не упоминается в схемах, потому что я хотел, чтобы все схемы разделяли только линии питания, а сигнальные линии соединялись внешними кабелями. Вы можете подумать: «Как же неудобно!», Но дело в том, что при построении схемы аналоговой обработки гораздо проще устранять неполадки по частям в каждой схеме в проекте. Рекомендуется добавить байпасные конденсаторы к выводу источника питания 5 В постоянного тока из-за его шумной области.

Источник питания: устройство питается от внешнего разъема питания от адаптера переменного / постоянного тока 20 В, 2 А. Я обнаружил, что лучшим решением для уменьшения большого количества рассеиваемой мощности на линейном регуляторе в виде тепла является добавление понижающего преобразователя DC-DC на 8 В (U10). LM2596 - это понижающий преобразователь, используемый во многих приложениях и популярный среди пользователей Arduino, который на eBay стоит менее 1 доллара. Мы знаем, что у этого линейного регулятора есть падение напряжения на его пропускной способности (в случае 7805 теоретическое приближение составляет около 2,5 В), поэтому между входом и выходом LM7805 есть безопасный зазор в 3 В. Не рекомендуется пренебрегать линейным регулятором и подключать lm2596 напрямую к линии 5V из-за шума переключения, пульсации которого могут повлиять на стабильность мощности схем.

Усилитель мощности: это просто, как кажется. Поскольку в этом проекте я использовал модуль TDA2030A, единственное требование - подключить выводы питания и линии ввода / вывода усилителя мощности. Как уже упоминалось ранее, вход усилителя мощности подключается к выходу схемы задержки через внешний кабель с помощью разъемов. Используемый в устройстве динамик подключается к выходу усилителя мощности через специальную клеммную колодку.

Цифровые потенциометры: вероятно, самые важные компоненты во всем устройстве, позволяющие управлять им в цифровом виде. Как видите, есть два типа дигипотов: MCP42100 и MCP4261. Они имеют одинаковую распиновку, но различаются связью. Когда я создавал этот проект, у меня на складе было только два последних цифровых дигипота, поэтому я просто использовал то, что у меня было, но я рекомендую использовать два дигипота одного типа: MCP42100 или MCP4261. Каждый цифровой процессор управляется интерфейсом SPI, контактами совместного использования часов (SCK) и ввода данных (SDI). Контроллер SPI ATMEGA328P может управлять несколькими устройствами, управляя отдельными выводами выбора микросхемы (CS или CE). В этом проекте он спроектирован таким образом, где выводы включения микросхемы SPI подключены к отдельным выводам микроконтроллера. PT2399 и LM386 подключены к источнику питания 5 В, поэтому нам не нужно беспокоиться о колебаниях напряжения в цепи цифровых резисторов внутри микросхем (это подробно описано в таблице данных, в разделе диапазона уровней напряжения на внутренних коммутирующих резисторах).

Микроконтроллер: как уже упоминалось, основан на ATMEGA328P в стиле Arduino, с одним пассивным компонентом - подтягивающим резистором (R17) на выводе сброса. 6-контактный разъем (J2) используется для программирования устройства через USB-программатор ISP через интерфейс SPI (да, тот же интерфейс, к которому подключены цифровые устройства). Все контакты подключены к соответствующим компонентам, которые представлены на принципиальной схеме. Настоятельно рекомендуется устанавливать байпасные конденсаторы рядом с выводами источника питания 5 В. Конденсаторы, которые вы видите возле контактов энкодера (C27, C28), используются для предотвращения скачков состояния энкодера на этих контактах.

ЖК-дисплей: жидкокристаллический дисплей подключается классическим способом с 4-битной передачей данных и двумя дополнительными контактами для фиксации данных - выбор регистра (RS) и включение (E). ЖК-дисплей имеет постоянную яркость и переменную контрастность, которые можно регулировать с помощью одного триммера (R18).

Пользовательский интерфейс: поворотный энкодер устройства имеет встроенную кнопку SPST, где все его соединения привязаны к описанным контактам микроконтроллера. Рекомендуется подключить подтягивающий резистор к каждому выводу энкодера: A, B и SW, вместо использования внутреннего подтягивающего резистора. Убедитесь, что контакты энкодера A и B подключены к контактам внешнего прерывания микроконтроллера: INT0 и INT1, чтобы соответствовать коду устройства и надежности при использовании компонента энкодера.

Разъемы и клеммные колодки JST: Каждая аналоговая цепь: предварительный усилитель, задержка и усилитель мощности изолированы на припаянной плате и соединены кабелями между клеммными колодками. Энкодер и ЖК-дисплей присоединяются к кабелям JST и подключаются к припаянной плате через разъемы JST, как описано выше. Гнездо для подключения внешнего источника питания и гитарный вход 1/4 моно-джек подключаются через клеммные колодки.

Шаг 4: пайка

После непродолжительной подготовки необходимо представить себе точное размещение всех компонентов на плате. Желательно начинать процесс пайки с предварительного усилителя и заканчивать со всей цифровой схемой.

Вот пошаговое описание:

1. Припаять схему предварительного усилителя. Проверьте его соединения. Убедитесь, что линии заземления совпадают со всеми соответствующими линиями.

2. Припаяйте модуль / микросхему PT2399 со всей периферийной схемой в соответствии с принципиальной схемой. Поскольку я спаял всю схему задержки, вы можете видеть, что есть много общих линий, которые можно легко припаять в соответствии с функцией каждого контакта PT2399. Если у вас есть модуль PT2399, просто отпаяйте поворотные потенциометры и припаяйте провода цепи цифрового потенциометра к этим освобожденным контактам.

3. Припаяйте модуль TDA2030A, убедитесь, что выходной разъем динамика расположен лицевой стороной по центру вне платы.

4. Припаять цепь питания. Разместите байпасные конденсаторы согласно принципиальной схеме.

5. Припаиваем схему микроконтроллера к разъему для программирования. Попробуйте его запрограммировать, убедитесь, что он не дает сбоев в процессе.

6. Припаяйте цифровые потенциометры.

7. Припаяйте все разъемы JST в областях, соответствующих каждому линейному соединению.

8. Включите плату, если у вас есть функциональный генератор и осциллограф, проверьте реакцию каждой аналоговой цепи на входной сигнал шаг за шагом (рекомендуется: 200 мВ, 1 кГц).

9. Проверьте реакцию цепи на усилителе мощности и цепи / модуле задержки отдельно.

10. Подключите динамик к выходу усилителя мощности и генератор сигналов ко входу, убедитесь, что вы слышите тон.

11. Если все проведенные нами тесты прошли успешно, можно переходить к этапу сборки.

Шаг 5: Сборка

Наверное, это самая сложная часть проекта с точки зрения технического подхода, если только в вашем инвентаре нет полезных инструментов для распиловки дерева. У меня был очень ограниченный набор инструментов, поэтому мне пришлось пойти тяжелым путем - вырезать коробку вручную с помощью шлифовального файла. Давайте рассмотрим основные шаги:

1. Подготовка коробки:

1.1 Убедитесь, что у вас деревянный корпус, размеры которого соответствуют расположению динамика и электронной платы.

1.2 Обрежьте область для динамика, настоятельно рекомендуется прикрепить рамку из поролона к области выреза динамика, чтобы предотвратить резонансные колебания.

1.3 Вырежьте отдельную деревянную рамку для пользовательского интерфейса (ЖК-дисплея и кодировщика). Отрежьте подходящую область для ЖК-дисплея, убедитесь, что направление ЖК-дисплея не перевернуто по сравнению с видом на переднюю часть корпуса. После этого просверлите отверстие для датчика угла поворота. Затяните ЖК-дисплей с 4 винтами для сверления и датчик угла поворота соответствующей металлической гайкой.

1.4 Поместите поролон на деревянную рамку интерфейса пользователя по всему периметру. Это также поможет предотвратить резонансные ноты.

1.5 Найдите место, где будет расположена электронная плата, затем просверлите 4 отверстия в деревянном корпусе.

1.6 Подготовьте сторону, где будут расположены входной разъем для внешнего источника питания постоянного тока и вход для гитары 1/4 дюйма, просверлите два отверстия подходящего диаметра. Убедитесь, что эти разъемы имеют ту же распиновку, что и электронная плата (т.е. полярность). После этого, припаять по две пары проводов на каждый вход.

2. Соединение деталей:

2.1 Прикрепите динамик к выбранной области, убедитесь, что два провода подключены к контактам динамика с помощью 4 винтов.

2.2 Прикрепите панель пользовательского интерфейса к выбранной стороне корпуса. Не забудьте про поролон.

2.3 Соедините все цепи вместе через клеммные колодки

2.4 Подключите ЖК-дисплей и энкодер к плате через разъемы JST.

2.5 Подключите динамик к выходу модуля TDA2030A.

2.6 Подключите входы питания и гитары к клеммным колодкам платы.

2.7 Поместите доску на место просверленных отверстий, закрепите доску 4 шурупами снаружи деревянного корпуса.

2.8 Соедините все деревянные части корпуса вместе, чтобы он выглядел как сплошная коробка.

Шаг 6: Программирование и код

Код устройства подчиняется правилам семейства микроконтроллеров AVR и соответствует микроконтроллеру ATMEGA328P. Код написан в Atmel Studio, но есть возможность запрограммировать плату Arduino с помощью Arduino IDE, которая имеет тот же микроконтроллер ATMEGA328P. Автономный микроконтроллер можно запрограммировать через USB-адаптер отладки в соответствии с Atmel Studio или с помощью программатора USP ISP, который можно купить на eBay. Обычно используется программное обеспечение для программирования AVRdude, но я предпочитаю ProgISP - простое программное обеспечение для программирования через USB-порт с очень удобным пользовательским интерфейсом.

Все необходимые пояснения по коду можно найти в прикрепленном файле Amplifice.c.

Прикрепленный файл Amplifice.hex можно загрузить прямо на устройство, если он полностью соответствует схематической диаграмме, которую мы наблюдали ранее.

Шаг 7: Тестирование

Что ж, после того, как все, что мы хотели, сделано, пора тестировать. Я предпочел тестировать устройство с моей древней дешевой гитарой и простой пассивной схемой регулировки тембра, которую я построил много лет назад без всякой причины. Устройство протестировано также с цифровым и аналоговым процессором эффектов. Ничего особенного в том, что PT2399 имеет такую небольшую оперативную память для хранения аудиосэмплов, используемых в последовательностях задержки, когда время между отсчетами эхо-сигнала слишком велико, эхо-сигнал оцифровывается с большой потерей переходных битов, что считается искажением сигнала. Но то «цифровое» искажение, которое мы слышим, может быть полезным как положительный побочный эффект работы устройства. Все зависит от приложения, которое вы хотите создать с помощью этого устройства (кстати, я как-то назвал его «Amplifice V1.0»).

Надеюсь, вы найдете это руководство полезным.

Спасибо за прочтение!