Сборка четырехканального микрофонного предусилителя SSM2019 с фантомным питанием: 9 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Как вы, возможно, заметили из некоторых других моих инструкций, у меня есть страсть к аудио. Я тоже любитель DIY, вернувшись назад. Когда мне потребовалось еще четыре канала микрофонных предусилителей для расширения моего аудиоинтерфейса USB, я понял, что это был проект «сделай сам».

Несколько лет назад я купил аудиоинтерфейс Focusrite USB. Он имеет четыре микрофонных предусилителя и четыре линейных входа, а также несколько цифровых входов. Это отличное оборудование, отвечающее моим потребностям. Так было до тех пор, пока я не собрал кучу микрофонов. Итак, я решил устранить это несоответствие. Так родился четырехканальный микрофонный предусилитель SSM2019!

У меня было несколько дизайнерских целей для этого проекта.

Это было бы максимально просто и использовало минимум компонентов

У него было бы фантомное питание, чтобы я мог использовать все микрофоны Pimped Alice, которые я построил

У него будет вход с высоким импедансом (Hi-Z) на каждом канале для пьезопреобразователей - мой будущий проект. Это было бы легко добавить, если бы корпус и блок питания уже были частью основного проекта

У него были бы профессиональные характеристики звука: чистый, низкий уровень искажений и низкий уровень шума. Так же хорошо или лучше, чем существующие предусилители в моем интерфейсе Focusrite

Шаг 1: Дизайн

Я начал изучать то, что уже было там. Я очень хорошо знаком с аналоговым дизайном и положил глаз на SSM2019, поскольку раньше использовал его старшего родственника, ныне устаревшего SSM2017. SSM2019 доступен в 8-контактном DIP-корпусе, что означает, что его можно легко использовать. Я наткнулся на фантастическую информацию о конструкции микрофонного предусилителя от That Corp. (См. Справочный раздел). К сожалению, все их специальные микросхемы предусилителя представляют собой небольшие корпуса для поверхностного монтажа. И характеристики лишь ненамного лучше, чем у SSM2019. Я аплодирую им за их обмен знаниями и информацию о дизайне. Характеристики SSM2019 просто фантастические, и, как и большинство современных звуковых операционных усилителей, по производительности он превосходит остальную часть сигнальной цепи. Я использовал два каскада с фиксированным усилением с потенциометром, позволяющим регулировать сигнал между ними. Это упрощает конструкцию и устраняет необходимость в поиске запчастей; такие как потенциометры защиты от запирания и многоконтактные переключатели с уникальными номиналами резисторов. Он также поддерживает уровень шума THD + ниже 0,01%.

В процессе проектирования меня осенило фантомное питание. Большинство людей считают 48 Вольт «стандартом». Это было очень важно, когда фантомное питание использовалось для смещения капсюля конденсаторных микрофонов. В настоящее время в большинстве конденсаторных микрофонов используется фантомное питание для создания стабильного источника более низкого напряжения. Они используют стабилитрон внутри для генерации 6–12 В постоянного тока. Это напряжение используется для работы внутренней электроники и для генерации более высокого напряжения для поляризации капсулы. На самом деле это лучший способ сделать это. Вы получаете хорошее стабильное напряжение на капсуле, которое при необходимости может быть выше 48 В. Спецификация фантомного питания для микрофонов требует 48, 24 и 12 В. В каждом из них используются резисторы связи разных номиналов. 48 В использует 6,81 кОм, 24 В с 1,2 кОм и 12 В использует 680 Ом. По сути, фантомное питание необходимо для передачи определенного количества энергии на микрофон. Мое прозрение было таким: напряжение должно быть достаточно высоким для работы внутреннего стабилитрона 12 В. Если бы я использовал +15 В, доступный в моем проекте, и соответствующее значение резистора связи, он должен работать нормально. Это фактически решает две другие проблемы. Во-первых, не нужен отдельный источник питания только для фантомного питания. Во-вторых, что более важно для моего дизайна, это простота. Поддерживая напряжение фантомного питания на уровне или ниже, чем напряжение питания для SSM2019, мы устраняем множество дополнительных схем, необходимых для защиты. Ребята из That Corp представили на AES две статьи под названием «Призрачная угроза» и «Призрачная угроза 48V возвращается». Они специально предназначены для решения проблем, связанных с зарядкой конденсатора 47–100 мкФ до 48 В в цепи. Случайное замыкание может вызвать множество проблем. Энергия, запасенная в конденсаторе, является функцией квадрата напряжения, поэтому, просто переходя с 48 В до 15 В, мы уменьшаем запасенную энергию в 10 раз. Мы также предотвращаем превышение напряжения питания на любом из входных сигнальных контактов SSM2019. Прочтите руководство по проектированию этого корпуса, чтобы ознакомиться с примерами того, что необходимо для создания пуленепробиваемого предусилителя.

Чтобы быть прозрачным, я начал этот проект, думая, что собираюсь использовать фантомное питание 24 В постоянного тока, а затем, в процессе устранения неполадок источника питания, пришел к идее использовать уже имеющийся +15. Изначально я поместил блок питания в корпус предусилителя. Это вызвало множественные проблемы с гудением и гудением. В итоге я получил большую часть блока питания во внешнем корпусе, а в нем были только регуляторы напряжения. Конечным результатом является очень тихий предусилитель, который находится на одном уровне, если не лучше, чем внутренние в моем интерфейсе Focusrite. Цель дизайна №4 достигнута!

Давайте посмотрим на схему и посмотрим, что происходит. Блок SSM2019 в синем прямоугольнике - главная цепь. Два резистора 820 Ом подключают фантомное питание из светло-зеленой области, где тумблер подает +15 к конденсатору 47 мкФ через резистор 47 Ом. Оба резистора 820 Ом находятся на стороне «+» конденсаторов связи емкостью 47 мкФ, которые передают сигнал микрофона. С другой стороны конденсаторов связи находятся два резистора 2,2 кОм, которые связывают другую сторону конденсаторов с землей и поддерживают на входах SSM2019 потенциал земли постоянного тока. В технических данных указано 10K, но указано, что они должны быть как можно меньше, чтобы минимизировать шум. Я выбрал 2,2 кОм меньше, но это не сильно повлияет на входное сопротивление всей схемы. Резистор 330 Ом устанавливает усиление SSM2019 на +30 дБ. Я выбрал это значение, поскольку оно обеспечивает минимальное необходимое мне усиление. При таком усилении и +/- 15 В перемычки питания не должны быть проблемой. Конденсатор 200 пФ на входных контактах предназначен для защиты от электромагнитных и радиочастотных помех для SSM2019. Это сразу в паспорте для защиты RF. На разъеме XLR также есть два конденсатора емкостью 470 пФ для защиты от радиочастот. На стороне входа сигнала у нас есть тумблер DPDT, действующий как переключатель выбора фазы. Я хотел иметь возможность использовать пьезоконтактный датчик на гитаре (или других акустических инструментах), одновременно используя микрофон. Это позволяет при необходимости менять фазу микрофона. Если бы не это, я бы исключил это, так как большинство программ записи позволяют инвертировать фазу после записи. Выходной сигнал SSM2019 поступает на потенциометр 10K для регулировки уровня на следующем этапе.

Теперь перейдем к стороне высокого импеданса. В красном прямоугольнике - классический неинвертирующий буфер на основе одной секции двойного операционного усилителя OPA2134. Это мой любимый операционный усилитель для аудио. Очень низкий уровень шума и искажений. Как и SSM2019, он не будет самым слабым звеном в сигнальной цепи. Конденсатор 0,01 мкФ передает сигнал через входное гнездо ¼”. Резистор 1M обеспечивает опорную массу. Интересно, что шум резистора 1M можно услышать, если полностью повернуть уровень входа высокого Z. Однако, когда подключен пьезоэлектрический датчик, емкость пьезоэлектрического датчика образует RC-фильтр с резистором 1M. Это снижает уровень шума (и это, в первую очередь, неплохо). С выхода операционного усилителя мы переходим к потенциометру 10K для окончательной регулировки уровня.

Последней частью схемы является суммирующий усилитель конечного каскада усиления, построенный вокруг второй части операционного усилителя OPA2134. См. Зеленый прямоугольник на иллюстрациях. Это инвертирующий каскад с коэффициентом усиления, установленным соотношением резистора 22 кОм и резистора (резисторов) 2,2 кОм, что дает нам усиление 10 или +20 дБ. Конденсатор 47 пФ на резисторе 22 кОм предназначен для обеспечения стабильности и защиты от радиочастот. Потенциометры 10K линейные. Это означает, что когда дворник перемещается по диапазону вращения, сопротивление от начальной точки изменяется линейно с изменением вращения. В середине вы получите по 5К с обоих концов. Однако мы слышим иначе. Слышим логарифмически. Вот почему для измерения уровней звука используются децибелы (дБ). Используя линейный потенциометр 10 кОм, питающий резистор 2,2 кОм, мы добиваемся более естественного изменения уровня. Операционный усилитель поддерживает инвертирующий вход на виртуальной земле. Для сигналов переменного тока резистор 2,2 кОм подключен к виртуальной земле. Средняя точка вращения составляет примерно -12 дБ, а последняя восьмая поворота отличается только на 1,2 дБ. Это кажется намного более плавным, чем у многих других предусилителей, в которых потенциометр изменяет усиление предусилителя. Он работает лучше, чем предусилители с потенциометром регулировки усиления. Обычно последнее увеличение приводит к быстрому увеличению конечного усиления и небольшому заметному шуму. Focusrite реагирует именно так. У меня нет. Сигнал выводится из операционного усилителя через резистор 47 Ом. Это защищает операционный усилитель и сохраняет его стабильность при прокладке длинного кабеля, если вам это понадобится. И последнее, что касается двух микросхем IC. Это оба устройства с высокой пропускной способностью и высоким коэффициентом усиления. У них должен быть хороший байпас питания с конденсаторами емкостью 0,1 мкФ, установленными рядом с выводами питания. Это предотвратит появление странных вещей и сделает их красивыми и стабильными.

Подводя итог, можно сказать, что есть две ступени с фиксированным усилением: 30 дБ и 20 дБ, что дает общее усиление 50 дБ. Регулировка уровня осуществляется путем изменения уровня сигнала между двумя каскадами усиления. На каждом канале также имеется вход с высоким сопротивлением, который идеально подходит для пьезодатчиков и других инструментов (гитара и бас), которым требуется небольшая регулировка уровня перед записью. И все это с очень низким уровнем искажений и шума. Фантомное питание составляет 15 В постоянного тока, что должно работать с большинством современных конденсаторных микрофонов. Заметным исключением является Neumann U87 Ai. Этот микрофон - моя гордость и радость. Внутри он имеет стабилитрон 33 В для промежуточного источника питания. Для меня это не такая уж проблема, поскольку у моего Focusrite фантомное питание 48 В. Все остальное у меня работает нормально.

Источник питания:

Блок питания выполнен в классическом стиле старой школы. В нем используется трансформатор с отводом по центру, мостовой выпрямитель и два больших конденсатора фильтра. Трансформатор имеет центральное ответвление 24 В переменного тока. Это означает, что мы можем заземлить центральный ответвитель и получить 12 В переменного тока с каждой ноги. Подождите, разве мы не используем +/- 15 В постоянного тока? Как это работает? Происходит две вещи: во-первых, 12В переменного тока - это среднеквадратичное значение. Для синусоидальной волны пиковое напряжение в 1,4 раза выше (технически это квадратный корень из двух), так что пиковое напряжение составляет 17 вольт. Во-вторых, трансформатор рассчитан на питание 12 В переменного тока при полной нагрузке. Это означает, что при небольшой нагрузке (а эта схема не потребляет много энергии) у нас есть еще более высокое напряжение. В результате для выпрямителей напряжения доступно около 18 В постоянного тока. Мы используем линейные регуляторы напряжения 7815 и 7915, и я выбрал те из National Japan Radio, которые имеют пластиковый корпус. Это означает, что вам не понадобится изолятор между регулятором и корпусом при их установке. Изначально я встроил источник питания в корпус микрофонного предусилителя. Это не сработало, так как у меня был какой-то гул и гудение, все это было связано с тем, насколько близко мой трансформатор находился к внутренней проводке микрофона. В итоге я поместил трансформатор, выпрямитель и большие крышки фильтра в отдельную коробку. Я использовал 4-контактный разъем XLR, который был у меня в корзине для запчастей, чтобы подать нерегулируемый постоянный ток в основной корпус, где регуляторы установлены близко к основной плате. Как упоминалось ранее, изначально я собирался использовать 24 В постоянного тока для фантомного питания и в итоге не сделал этого, что упростило мою схему и избавилось от регулятора 24 В (и трансформатора более высокого напряжения!)

Шаг 2: конструкция: кейс

Дело:

Если вы еще не заметили, моя схема раскраски и маркировка довольно крутые. Мой ребенок выполнял школьный проект, и у нас были доступны три цвета аэрозольной краски, поэтому по прихоти я использовал все три. Тогда мне пришла в голову идея просто вручную раскрасить этикетку желтой эмалью и маленькой кисточкой. Практически единственный в мире, который выглядит так! Я получил свой чемодан в магазине «Таннер Электроникс» в Далласе. Я нашел его в сети в Mouser и других местах. Это Hammond P / N 1456PL3. Вы можете пометить его и раскрасить по-другому, это зависит от вас!

Шаг 3: Строительство: монтажная плата

Печатная плата:

Я построил схему на макетной плате. Сначала создайте один канал, чтобы проект работал должным образом. Затем построили остальные три канала. См. Фото 1 и 2 для макета. Мои OPA2134 от Burr Brown, который был приобретен TI в 2000 году. Я купил 100 из них в свое время, и некоторые из них до сих пор хранятся. Обратите внимание на колпачки байпаса 0,1 мкФ, установленные на нижней стороне платы. Это важно для стабильности микросхем IC.

Шаг 4: Конструкция: Разъемы и элементы управления на передней панели:

Разъемы и элементы управления на передней панели:

В зависимости от выбора вашего случая ваш макет может отличаться. Я использовал”гнезда для крепления на панели Switchcraft, которые соединяют переднюю панель с землей. Чтобы свести к минимуму контуры заземления, подключите заземление разъема XLR (контакт 1) как можно более короткой длины к передней панели. Для моей схемы я подключил их к заземляющему проводу входных разъемов «Hi Z». Я предварительно подключил переключатели реверса фазы, соединив два внешних соединения двухполюсного переключателя двойного направления (DPDT). Затем микрофонный вход от XLR пойдет на центральные выводы, а одно из внешних соединений - на печатную плату. Таким образом, при изменении положения переключателя фаза меняется на противоположную. Перед установкой разъемов XLR припаяйте два конденсатора емкостью 470 пФ для защиты от радиочастотных / электромагнитных помех. Позже это значительно упростит задачу! Установите потенциометры на лицевую панель. Я использовал небольшой маркер или другой маркер, чтобы пометить предметы на внутренней панели, чтобы потом можно было установить соединения. И напомнить мне, какой вывод потенциометров нужно подключить к земле. Затем соедините все заземляющие соединения горшков с помощью общего неизолированного неизолированного провода. Позже это соединение будет подключено к общей точке заземления.

Шаг 5: Строительство: внутренняя проводка

Внутренние соединения:

Что касается сигнальных проводов микрофона, я скрутил вместе провода 22 калибра и подключил входные разъемы XLR к тумблерам выбора фазы. Их скручивание сводит к минимуму любые паразитные электромагнитные и радиочастотные помехи. Теоретически внутри металлического корпуса у нас не должно быть ничего, так как все в этом проекте представляет собой чисто аналоговую схему. Пока не беспокойтесь о фазе. Будьте последовательны в том, как подключены все каналы. При тестировании выясним, какое положение переключателя будет «нормальным», а какое обратным.

Для остальной аудиопроводки я использовал экранированный одножильный провод и подключил экран к земле только на одном конце. Это сохраняет наши сигналы экранированными и предотвращает образование контуров заземления. У меня был рулон 26-го калибра экранированного провода типа «E», который я получил в избытке от Skycraft в Орландо давным-давно. Есть продавцы, которые продают его в Интернете, или вы можете использовать другой экранированный одиночный провод. Для каждого соединения я подготовил отрезок с экраном, открытым на одном конце, а на другом - только центральным проводником. Я наложил термоусадочную пленку на неподключенный конец экрана, чтобы изолировать его. Смотрите фото. Работайте методично и подключайте что-то одно за раз. Затем я связал каждую группу из четырех проводов вместе, чтобы все было как можно аккуратнее.

Шаг 6: Строительство: источник питания

Источник питания:

Я собрал свой запас в небольшой проектной коробке. Есть ОДНА вещь, которую вы должны сделать, чтобы сделать это безопасным и соответствовать коду. У вас должен быть предохранитель на первичной обмотке трансформатора. Я использовал линейный держатель предохранителя с предохранителем на ампер. Это сработает, если трансформатор потребляет более 25 Вт, чего не должно быть. Все это потребляет максимум 2 Вт с четырьмя подключенными микрофонами.

Регуляторы напряжения:

Подготовьте регуляторы напряжения перед установкой на панель, припаяв два конденсатора фильтра, 10 мкФ на входе и 0,1 мкФ на выходе. Я также подключил к ним входные провода, чтобы в дальнейшем не запутаться. Помните: 7815 и 7915 имеют разную проводку. См. Технические данные для нумерации контактов и соединений. После того, как все установлено, пора выполнить все внутренние соединения.

Подключение питания и заземления:

Я использовал провод с цветовой кодировкой для подключения выводов питания постоянного тока к печатной плате. В случае проекта все заземляющие соединения возвращаются к одной точке подключения. Это типовая схема заземления «звезда». Потому что я уже построил блок питания внутри. Внутри корпуса у меня остались два больших конденсатора фильтра. Я сохранил их и использовал для подачи постоянного тока. У меня уже был выключатель питания в корпусе (DPDT), и я использовал его для переключения нерегулируемого питания постоянного тока +/- на регуляторы. Я напрямую подключил заземляющий провод.

Как только все соединения будут выполнены, сделайте перерыв и вернитесь позже, чтобы все проверить! Это самый ответственный шаг.

Я рекомендую вам проверить источник питания и убедиться, что полярность правильная, и у вас есть + 15 В постоянного тока и -15 В постоянного тока от регуляторов, прежде чем подключать их к печатной плате. Я установил два светодиода на свою панель, чтобы показать, что есть питание. Вам не обязательно этого делать, но это хорошее дополнение. Вам понадобится токоограничивающий резистор, подключенный последовательно к каждому светодиоду. От 680 Ом до 1К подойдет.

Шаг 7: Строительство: коммутационные кабели

Коммутационные кабели:

Эта часть может быть отдельной инструкцией. Чтобы это можно было использовать, вам необходимо подключить все четыре канала к линейным входам интерфейса Focusrite. Я планирую разместить их рядом друг с другом, поэтому мне понадобилось четыре коротких соединительных кабеля. В Redco я нашел отличный одножильный кабель, который оказался прочным и недорогим. У них также есть хорошие вилки диаметром ¼ дюйма. Кабель имеет внешний экран из медной оплетки и внутренний экран из токопроводящей пластмассы. Это необходимо удалить при прокладке соединительных кабелей. Смотрите последовательность фотографий моего метода сборки кабеля. Мне нравится брать экран и обматывать его вокруг заземляющего контакта”разъема, а затем припаивать. Это делает кабель довольно прочным. Хотя вы всегда должны отсоединять соединительный кабель, удерживая его за разъем, иногда случаются несчастные случаи. Этот метод помогает.

Шаг 8: Тестирование и использование

Тестирование и использование:

Первое, что нам нужно сделать, это определить полярность переключателей фазы. Для этого вам понадобятся два одинаковых микрофона. Что, я полагаю, у вас есть, иначе вам не понадобился бы четырехканальный предусилитель! Подключите один к микрофонному входу предусилителя Focusrite, а другой к одному из четырех каналов микрофонного предусилителя. Переместите оба изображения в центр. Держите микрофоны близко друг к другу и говорите, пой или напевайте, проходя ртом мимо двух микрофонов. Наушники действительно помогают с этой частью. Вы не должны слышать ноль или провал на выходе, если микрофоны синхронизированы друг с другом. Переключите фазу микрофона и повторите. Если они не совпадают по фазе, вы услышите ноль или падение уровня. Вы должны очень быстро определить, какая позиция находится в фазе, а какая не в фазе.

Я заметил, что с регулятором уровня примерно на полпути я получаю номинальное усиление для моих микрофонов, и это примерно соответствует тому, где я обычно устанавливаю ручку усиления предусилителя Focusrite примерно на 1-2 часа. Интересно, что в спецификации Focusrite до 50 дБ усиления. Когда я его полностью поверну (без подключенного микрофона), я слышу легкое шипение. Он чуть громче моего предусилителя на базе SSM2019. У меня нет сложного тестового оборудования. Тем не менее, у меня есть большой опыт как в студийном, так и в живом звуке, и этот предусилитель - лучший исполнитель.

Что касается входов Hi-Z, я припаял пьезодиск к разъему 1/4 дюйма и убедился, что все работает и диапазон усиления правильный. Я планирую протестировать это на акустической гитаре в ближайшем будущем.

Я очень рад, что для записи доступны все восемь каналов микрофонных входов. У меня есть пара микрофонов MS и 8 микрофонов Pimped Alice. Это позволит мне поэкспериментировать с разными положениями микрофона одновременно. Это также открывает дверь для проекта, который я давно хотел попробовать - микрофона Ambisonic. Один с четырьмя внутренними капсулами, предназначенный для захвата объемного звука и разнонаправленного звука.

Следите за обновлениями, чтобы увидеть еще несколько инструкций по микрофону!

Шаг 9: ссылки

Это обширная информация по аналоговому аудио, конструкции микрофонного предусилителя и правильному заземлению аудиосхем.

Использованная литература:

Технический паспорт SSM2019

Лист данных OPA2134

Фантомное питание википедия

Эта корпорация «Призрачная угроза»

Аналоговые секреты этой корпорации, о которых ваша мать никогда вам не рассказывала

Эта корпорация: больше аналоговых секретов, которые ваша мать вам никогда не рассказывала

Микрофонные предусилители That Corp Design

Заземление звука Whitlock, Whitlock

Рейн «примечание 151»: заземление и экранирование.