Настольный усилитель с аудиовизуализацией, двоичными часами и FM-приемником: 8 шагов (с изображениями)

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

Мне нравятся усилители, и сегодня я поделюсь своим маломощным настольным усилителем, который я сделал недавно. Разработанный мною усилитель обладает некоторыми интересными особенностями. Он имеет встроенные двоичные часы и может отображать время и дату, а также может визуализировать звук, часто называемый анализатором звукового спектра. Вы можете использовать его как FM-приемник или MP3-плеер. Если вам нравится мой усилитель часов, выполните следующие действия, чтобы сделать свою копию.

Шаг 1. Хорошие советы по проектированию усилителя

Создать бесшумную аудиосхему хорошего качества действительно сложно даже для опытного дизайнера. Итак, вы должны следовать нескольким советам, чтобы улучшить свой дизайн.

Власть

Усилители громкоговорителей обычно получают питание непосредственно от основного напряжения системы и требуют относительно большого тока. Сопротивление на трассе приведет к падению напряжения, которое снизит напряжение питания усилителя и приведет к потере мощности в системе. Сопротивление следа также вызывает преобразование обычных колебаний питающего тока в колебания напряжения. Чтобы максимизировать производительность, используйте короткие широкие дорожки для всех источников питания усилителя.

Заземление

Заземление играет единственную и наиболее важную роль в определении того, реализуется ли системой потенциал устройства. Плохо заземленная система, вероятно, будет иметь высокие искажения, шум, перекрестные помехи и восприимчивость к радиочастотам. Хотя можно задаться вопросом, сколько времени следует уделять заземлению системы, тщательно разработанная схема заземления предотвращает возникновение большого количества проблем.

Земля в любой системе должна служить двум целям. Во-первых, это обратный путь для всех токов, протекающих к устройству. Во-вторых, это опорное напряжение как для цифровых, так и для аналоговых цепей. Заземление было бы простым упражнением, если бы напряжение во всех точках земли могло быть одинаковым. На самом деле это невозможно. Все провода и дорожки имеют конечное сопротивление. Это означает, что всякий раз, когда через землю протекает ток, будет соответствующее падение напряжения. Любая проволочная петля также образует индуктор. Это означает, что всякий раз, когда ток течет от батареи к нагрузке и обратно к батарее, путь тока имеет некоторую индуктивность. Индуктивность увеличивает сопротивление земли на высоких частотах.

Хотя проектирование лучшей наземной системы для конкретного применения - непростая задача, некоторые общие рекомендации применимы ко всем системам.

1. Создание непрерывной заземляющей плоскости для цифровых цепей: цифровой ток в заземляющей плоскости имеет тенденцию следовать по тому же маршруту, что и исходный сигнал. Этот путь создает наименьшую площадь контура для тока, тем самым сводя к минимуму влияние антенны и индуктивность. Лучший способ гарантировать, что все дорожки цифровых сигналов имеют соответствующий путь заземления, - это установить непрерывную заземляющую поверхность на слое, непосредственно примыкающем к сигнальному слою. Этот слой должен охватывать ту же область, что и трасса цифрового сигнала, и иметь как можно меньше прерываний в его непрерывности. Все прерывания в плоскости заземления, включая переходные отверстия, вызывают протекание тока заземления по большему контуру, чем это необходимо, тем самым увеличивая излучение и шум.
2. Разделяйте токи заземления: токи заземления для цифровых и аналоговых цепей должны быть разделены, чтобы предотвратить добавление шума цифровыми токами к аналоговым цепям. Лучший способ добиться этого - правильное размещение компонентов. Если все аналоговые и цифровые схемы разместить на отдельных частях печатной платы, токи заземления, естественно, будут изолированы. Чтобы это работало хорошо, аналоговая секция должна содержать только аналоговые схемы на всех слоях печатной платы.
3. Используйте метод заземления звездой для аналоговых цепей: усилители мощности звука имеют тенденцию потреблять относительно большие токи, которые могут отрицательно повлиять как на их собственные, так и на другие опорные точки заземления в системе. Чтобы предотвратить эту проблему, обеспечьте выделенные обратные пути для заземления мощности мостового усилителя и заземления разъема наушников. Изоляция позволяет этим токам течь обратно в батарею, не влияя на напряжение других частей заземляющего слоя. Помните, что эти выделенные обратные пути не следует прокладывать под дорожками цифровых сигналов, поскольку они могут блокировать обратные цифровые токи.
4. Максимальное повышение эффективности байпасных конденсаторов: почти всем устройствам требуются байпасные конденсаторы для обеспечения мгновенного тока. Чтобы свести к минимуму индуктивность между конденсатором и выводом питания устройства, расположите эти конденсаторы как можно ближе к контакту питания, который они обходят. Любая индуктивность снижает эффективность шунтирующего конденсатора. Точно так же конденсатор должен иметь низкоомное соединение с землей, чтобы минимизировать высокочастотный импеданс конденсатора. Непосредственно подключите заземляющую сторону конденсатора к заземляющей пластине, а не прокладывайте его через дорожку.
5. Залить всю неиспользуемую область печатной платы землей: всякий раз, когда два куска меди проходят рядом друг с другом, между ними образуется небольшая емкостная связь. Путем наводнения на землю вблизи сигнальных трасс нежелательная высокочастотная энергия в сигнальных линиях может быть шунтирована на землю через емкостную связь.

Старайтесь держать блоки питания, трансформаторы и цифровые схемы с шумом подальше от вашей аудиосистемы. Используйте отдельное заземление для аудиосхемы, и желательно не использовать заземляющие пластины для аудиосхем. Заземление (GND) аудиоусилителя очень важно по сравнению с землей других транзисторов, IC и т. Д., Если между ними есть шум заземления, то усилитель будет выводить его.

Рассмотрите возможность питания важных микросхем и всего чувствительного, используя резистор 100R между ними и + V. Включите электрический конденсатор приличного размера (например, 220 мкФ) на стороне IC резистора. Если IC потребляет большую мощность, убедитесь, что резистор может справиться с ней (выберите достаточно высокую мощность и при необходимости обеспечьте медный теплоотвод печатной платы) и имейте в виду, что на резисторе будет падение напряжения.

Для трансформаторных конструкций вы хотите, чтобы конденсаторы выпрямителя располагались как можно ближе к выводам выпрямителя и подключались через свои собственные толстые дорожки из-за больших зарядных токов в самом начале выпрямленной синусоидальной волны. Поскольку выходное напряжение выпрямителя превышает затухающее напряжение конденсатора, в цепи зарядки создается импульсный шум, который может передаваться в аудиосхему, если они используют один и тот же кусок меди в любой из линий электропередачи. Вы не можете избавиться от импульсного зарядного тока, поэтому гораздо лучше держать конденсатор локально по отношению к мостовому выпрямителю, чтобы минимизировать эти сильноточные импульсы энергии. Если аудиоусилитель находится рядом с выпрямителем, не размещайте большой конденсатор рядом с усилителем, чтобы избежать этого конденсатора, вызывающего эту проблему, но если есть небольшое расстояние, то можно дать усилителю собственный конденсатор, поскольку он становится плавающим. заряжается от источника питания и имеет относительно высокий импеданс из-за длины меди.

Найдите регуляторы напряжения, которые используются звуковой схемой, рядом с выпрямителями / входом блока питания, а также подключите их собственными соединениями.

Сигналы

По возможности избегайте входных и исходящих аудиосигналов на ИС, идущих параллельно на печатной плате, так как это может вызвать колебания, которые передаются с выхода обратно на вход. Помните, что всего 5 мВ может вызвать много шума!

Держите цифровые заземляющие поверхности вдали от заземления аудиосигнала и звуковых цепей в целом. Гул можно ввести в звук просто из-за того, что треки находятся слишком близко к цифровым плоскостям.

При взаимодействии с другим оборудованием, если питание какой-либо другой платы, которая включает в себя аудиосхему (будет подавать или принимать аудиосигнал), убедитесь, что есть только одна точка, в которой GND соединяется между двумя платами, и в идеале это должно быть на соединении аналогового аудиосигнала. точка.

Для соединений ввода-вывода сигналов с другими устройствами / внешним миром это хороший идеальный вариант - использовать резистор 100R между цепями GND и внешним миром GND для всего (включая цифровые части схемы), чтобы остановить создание контуров заземления.

Конденсаторы

Используйте их везде, где хотите изолировать секции друг от друга. Используемые значения: - 220 нФ - типичное значение, 100 нФ - это нормально, если вы хотите уменьшить размер / стоимость, лучше не опускаться ниже 100 нФ.

Не используйте керамические конденсаторы. Причина в том, что керамические конденсаторы создают пьезоэлектрический эффект для сигнала переменного тока, который вызывает шум. Используйте полиэтилен любого типа - лучше всего полипропилен, но подойдет любой. Истинные аудиоголовки также говорят, что не используют электролитические фильтры в линии, но многие дизайнеры обходятся без проблем - это, вероятно, для приложений с высокой степенью чистоты, а не для стандартного звукового дизайна.

Не используйте танталовые конденсаторы в любом месте тракта аудиосигнала (некоторые разработчики могут не согласиться, но они могут вызвать ужасные проблемы).

Общепринятым заменителем поликарбоната является ПФС (полифениленсульфид).

Высококачественная поликарбонатная пленка, полистирольная пленка и тефлоновые конденсаторы, а также керамические конденсаторы NPO / COG имеют очень низкие коэффициенты напряжения емкости и, следовательно, очень низкие искажения, а результаты очень четкие как с анализаторами спектра, так и с ушами.

Избегайте керамических диэлектриков с высоким содержанием K, они имеют высокий коэффициент напряжения, что, как я полагаю, могло бы привести к некоторым искажениям, если бы они использовались в каскаде регулировки тембра.

Размещение компонентов

Первым шагом при проектировании любой печатной платы является выбор места для размещения компонентов. Эта задача называется «планировка этажа». Тщательное размещение компонентов может облегчить маршрутизацию сигналов и разделение заземления. Это сводит к минимуму поглощение шума и требуемую площадь платы.

Должно быть выбрано размещение компонента в аналоговой секции. Компоненты следует размещать так, чтобы минимизировать расстояние, на которое проходят аудиосигналы. Расположите аудиоусилитель как можно ближе к разъему для наушников и громкоговорителю. Такое расположение минимизирует электромагнитное излучение от усилителей динамиков класса D и минимизирует шумовую восприимчивость сигналов наушников с низкой амплитудой. Разместите устройства, передающие аналоговый звук, как можно ближе к усилителю, чтобы минимизировать шум на входах усилителя. Все трассы входного сигнала будут действовать как антенны для РЧ-сигналов, но сокращение трасс помогает снизить эффективность антенны для частот, обычно вызывающих озабоченность.

Шаг 2. Вам нужно…

1. Микросхема усилителя звука TEA2025B (ebay.com)

2. 6 электролитических конденсаторов емкостью 100 мкФ (ebay.com)

3. 2 электролитических конденсатора емкостью 470 мкФ (ebay.com)

4. 2 шт. Конденсатора 0,22 мкФ

5. 2 керамических конденсатора 0,15 мкФ

6. Двойной потенциометр регулировки громкости (50–100 К) (ebay.com)

7. 2 динамика 4 Ом 2,5 Вт

8. Модуль приемника MP3 + FM (ebay.com)

9. Светодиодная матрица с драйвером IC (Adafruit.com)

10. Плата Vero и некоторые провода.

11. Arduino UNO (Adafruit.com).

12. Модуль DS1307 RTC (Adafruit.com)

Шаг 3: Изготовление схемы усилителя

Согласно прилагаемой принципиальной схеме припаяйте все компоненты к печатной плате. Используйте точное значение для конденсаторов. Соблюдайте полярность электролитических конденсаторов. Старайтесь размещать все конденсаторы как можно ближе к ИС, чтобы минимизировать шум. Напрямую припаяйте ИС, не используя базу ИС. Убедитесь, что вы прорезали дорожки между двумя сторонами интегральной схемы усилителя. Все паяные соединения должны быть безупречными. Это схема аудиоусилителя, поэтому будьте профессиональны при подключении пайки, особенно к заземлению (GND).

Шаг 4: Тестирование цепи с динамиком

Выполнив все подключения и пайку, подключите два динамика 4 Ом 2,5 Вт к цепи усилителя. Подключите источник звука к цепи и включите его. Если все пойдет хорошо, вы получите звук без шума.

Я использовал микросхему усилителя звука TEA2025B для усиления звука. Это красивый чип аудиоусилителя, работающий в широком диапазоне напряжений (от 3 до 9 В). Таким образом, вы можете проверить его с любым напряжением в пределах диапазона. Я использую адаптер 9V и работает нормально. ИС может работать в режиме двойного или мостового соединения. Более подробную информацию о микросхеме усилителя можно найти в таблице данных.

Шаг 5: Подготовка передней панели точечной матрицы

Для визуализации аудиосигнала и отображения даты и времени я установил матричный дисплей на лицевой стороне коробки усилителя. Чтобы сделать работу качественно, я использовал вращающийся инструмент, чтобы вырезать рамку по размеру матрицы. Если в вашем дисплее нет встроенного чипа драйвера, используйте его отдельно. Я предпочитаю двухцветную матрицу от Adafruit. После выбора идеального матричного дисплея подогнать дисплей к основанию с помощью горячего клея.

Мы подключим его к плате Arduino позже. Двухцветный дисплей от Adafruit использует протокол i2c для связи с микроконтроллером. Итак, мы подключим вывод SCL и SDA микросхемы драйвера к плате Arduino.

Шаг 6: Программирование с помощью Arduino

Подключите интеллектуальный двухцветный матричный дисплей Adafruit как:

1. Подключите вывод Arduino 5V к выводу LED матрица +.
2. Подключите контакт GND Arduino к контакту GND микрофонного усилителя и контакту светодиодной матрицы.
3. Вы можете использовать макетную шину питания или у Arduino есть несколько доступных контактов GND. Подключите аналоговый контакт 0 Arduino к контакту аудиосигнала.
4. Подключите контакты SDA и SCL Arduino к контактам D (данные) и C (часы) рюкзака матрицы соответственно.
5. На более ранних платах Arduino не было контактов SDA и SCL - вместо этого использовались аналоговые контакты 4 и 5.
6. Загрузите приложенную программу и проверьте, работает она или нет:

Начните с загрузки репозитория Piccolo с Github. Нажмите кнопку «скачать ZIP». Как только это будет завершено, распакуйте полученный ZIP-файл на жестком диске. Внутри будут две папки: «Piccolo» следует переместить в вашу обычную папку с альбомом Arduino. «Ffft» следует переместить в папку «Библиотеки» Arduino (внутри папки скетчей - если ее там нет, создайте ее). Если вы не знакомы с установкой библиотек Arduino, следуйте этому руководству. И никогда не устанавливайте в папку библиотеки рядом с самим приложением Arduino … правильным местом всегда является подкаталог вашей домашней папки! Если вы еще не установили библиотеку светодиодных рюкзаков Adafruit (для использования светодиодной матрицы), загрузите и установите Это тоже. Как только папки и библиотеки будут расположены, перезапустите Arduino IDE, и эскиз «Piccolo» должен быть доступен из меню File-> Sketchbook.

Открыв эскиз Piccolo, выберите тип платы Arduino и последовательный порт в меню «Инструменты». Затем нажмите кнопку Загрузить. Через мгновение, если все пойдет хорошо, вы увидите сообщение «Загрузка завершена». Если все пойдет хорошо, вы увидите звуковой спектр для любого аудиовхода.

Если ваша система работает хорошо, загрузите скетч complete.ino, прилагаемый к шагу добавления двоичных часов с аудиовизуализацией. Для любого аудиовхода динамик будет отображать звуковой спектр, в противном случае - время и дату.

Шаг 7: исправляем все вместе

Теперь прикрепите схему усилителя, которую вы построили на предыдущем этапе, к коробке с помощью горячего клея. Следуйте изображениям, прилагаемым к этому шагу.

После подключения схемы усилителя подключите модуль приемника MP3 + FM в коробку. Перед тем, как закрепить его клеем, сделайте тест, чтобы убедиться, что он работает. Если все работает нормально, зафиксируйте клеем. Аудиовыход модуля MP3 должен быть соединен со входом схемы усилителя.

Шаг 8: внутренние соединения и конечный продукт

Если динамик принимает звуковой сигнал, он показывает звуковой спектр, в противном случае дату и время отображаются в двоичном формате BCD. Если вам нравится программирование и цифровые технологии, то я уверен, что вам нравятся двоичные файлы. Мне нравятся двоичные и двоичные часы. Раньше я делал двоичные наручные часы, и формат времени точно такой же, как у моих предыдущих часов. Итак, для иллюстрации формата времени я добавил предыдущее изображение моих часов, не создавая другое.

Спасибо.

Четвертая премия в конкурсе схем 2016

Первый приз в конкурсе усилителей и динамиков 2016