Vyrovnaný sluchátkový zesilovač pro sluchově postižené: 10 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Moje potřeby

Před několika měsíci jsem byl vybaven sluchadly pro kompenzaci ztráty citlivosti na vysoké frekvence, což způsobilo ztlumení zvuků a potíže s rozlišováním sybillantů (např. „S“a „F“). Pomůcky však při používání sluchátek nepřináší žádný užitek, protože mikrofony jsou za uchem. Po experimentování s indukčním krční smyčkou a přímým vstupem do mých sluchadel (ani jedno neposkytlo uspokojivé výsledky) jsem přišel s nápadem na sluchátkový zesilovač s nastavitelnou frekvenční charakteristikou navržený tak, aby odpovídal mým sluchadlům.

Pokud máte nějaký další požadavek na vyrovnání, pak by tento projekt mohl být snadno přizpůsoben. Poskytuje boost (nebo cut, s triviální modifikací) na 3 středových frekvencích. Lze jej však rozšířit na více frekvenčních pásem.

Výsledek

To, co jsem skončil, byl úhledný malý 6 cm čtvercový box s 3,5 mm jackem a Bluetooth vstupy a 3,5 mm jack výstupem pro sluchátka. Zjistil jsem, že zlepšení poslechu hudby je velkolepé a velké zlepšení řeči.

Co vám tento Instructable dá

Hned na úvod uvedu, že se nejedná o projekt pro začátečníky. Budete potřebovat rozumnou úroveň pájecích dovedností, a pokud to budete chtít upravit (jak můžete), budete se muset naučit Eagle pro rozložení desky a TinkerCAD pro 3D tištěný box. Obojí mi chvíli trvalo, než jsem zvládl, ale ani jedno nebylo těžké. Očekávám, že se lidé z mých Instructables něco naučí (pokud už nevíte víc než já), nebudou jen slepě následovat pokyny.

Pokud jste nikdy nepájili součásti pro povrchovou montáž, nenechte se odradit - není to tak těžké, jak byste si mohli myslet. Úvod najdete v této příručce.

Z tohoto projektu získáte:

• Soubory návrhu Eagle (schéma a rozložení desky)
• Tabulka aplikace Excel ztělesňující návrhové rovnice, která vám umožní přizpůsobit ekvalizaci vašim potřebám
• TinkerCAD design pro 3D tištěný box.

Vzhledem k tomu, že minimální objednávka vlastní desky s plošnými spoji byla 5 kusů, rezervuji 3 holé desky (jedna prodaná). Ty jsou nyní v prodeji na eBay - viz

Krok 1: Proces návrhu: požadavky a strategie

Když jsem začal přemýšlet o tomto projektu, jednou z prvních otázek v mé mysli bylo, zda použít analogové nebo digitální filtry. Keith Walker mě ve vlákně na fóru All About Circuits upozornil na velmi levný (analogový) grafický ekvalizér z Dálného východu (ilustrovaný výše), který použil k vyřešení stejného problému. Tak jsem si jeden objednal jako důkaz koncepce.

Fungovalo to dobře, ale bylo to příliš objemné pro přenosné použití a vyžadovalo to kladné i záporné napájecí lišty, což znamenalo další nepříjemnosti. Ale potvrdilo to přístup a typ filtračních obvodů, které se mají použít.

Upřesnil jsem své požadavky na následující:

• Musí být kompaktní, přenosný a napájený dobíjecí baterií.
• Měl by přijímat vstup buď z 3,5mm jacku, nebo Bluetooth.
• Musí mít oddělené levé a pravé stereo kanály.

V mnoha předchozích projektech jsem použil konvenční součástky s průchozím otvorem a 0,3 DIL integrované obvody na stripboard, ale to by bylo příliš objemné. Rozhodl jsem se tedy, že budu muset navrhnout vlastní PCB (pro mě nová zkušenost) pomocí povrchu montáž komponent (s nimiž mám skromné zkušenosti). Také bych musel navrhnout krabici s 3D tiskem (moje zkušenost s 3D designem byla velmi omezená).

Možnost Bluetooth by bylo snadné přidat pomocí některého z různých levných modulů Bluetooth, které jsou k dispozici.

Existují 2 nebo 3 vyhrazené integrované obvody grafického ekvalizéru, na které jsem se podíval, ale použití levných čtyřnásobných zesilovačů se nakonec zdálo jednodušší a vyžadovalo pouze tolik externích komponent.

Krok 2: Podrobný design

Základní obvodový prvek, který jsem použil, je známý jako gyrátor. Používá operační zesilovač k přeměně capcitoru na virtuální induktor. Tento a ještě jeden kondenzátor vytváří vyladěný obvod, který poskytuje buď snížení, nebo zesílení v určitém rozsahu frekvencí. Velmi mnoho návrhů grafického ekvalizéru používá prakticky identický design a nemá smysl se od něj odchýlit. Příkladem je tento z Electronics Today International, září 27. strana 27. Tento článek velmi jasně vysvětluje, jak obvod funguje.

Upravil jsem to pouze pomocí čtyř zesilovačů, které by běžely z jednoho zdroje 5 V, a přidáním integrovaného obvodu sluchátkového zesilovače, aby bylo zajištěno, že bude dostatečně řídit sluchátka. Také jsem nahradil každý potenciometr potenciometrem a rezistorem, aby poskytoval pouze zesílení a jemnější ovládání, protože jsem nepotřeboval řez.

Schéma a rozvržení desky (obě generované pomocí Eagle) jsou uvedeny výše.

Skvělou vlastností Eagle je, že obsahuje balíček simulace obvodu Spice, který umožňuje ověřit návrh a předpovědět frekvenční odezvu před tím, než se odhodlá k výrobě DPS.

Deska poskytuje 2 vstupy, 3,5mm jack konektor a pájecí podložky pro připojení modulu přijímače Bluetooth. Ty jsou efektivně paralelní. Napájení může být dodáváno buď přes mini-USB zásuvku nebo pájecí podložky. Použil jsem spíše mini než micro-USB, protože zásuvka micro-USB by byla docela obtížná na ruční pájení a také byla méně robustní.

Krok 3: Instalace a nastavení Eagle

Pokud chcete odeslat návrh desky na výrobu, upravit rozložení nebo jednoduše upravit křivku odezvy, budete muset nainstalovat Eagle. Pokud (stejně jako já, když jsem zahájil tento projekt) s ním nejste obeznámeni, web SparkFun má řadu užitečných návodů na

První, na co se podívat, je Jak nainstalovat a nastavit Eagle.

To zahrnuje instalaci knihoven SparkFun. Stažený zip soubor obsahuje složku SparkFun-Eagle-Libraries-master, kterou byste měli zkopírovat do EAGLE / libraries

Musíte také importovat mé soubory schémat a rozložení Eagle a mé modely Spice. (Spice je software pro simulaci obvodů, který nám umožňuje simulovat frekvenční odezvu zesilovače.)

Všechny jsou zahrnuty v souboru zip, ze kterého si můžete stáhnout

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Otevřete soubor zip a přetáhněte složky projektů a koření do složky EAGLE. (Bude již obsahovat prázdnou složku projektů.)

Nyní byste měli být připraveni spustit Eagle.

V levém podokně otevřete Projekty, poté projekty a poté ekvalizovaný sluchátkový zesilovač.

Poklepejte na soubory Headphone_Amp.brd a Headphone_Amp.sch. Ty se otevřou v samostatných oknech, první ukazuje rozložení desky a druhé schematické.

Na schématu najděte a klikněte na tlačítko Simulovat.

Tím se otevře nastavení simulace. Klikněte na přepínač AC Sweep, nastavte Type na Dec (výchozí) a Start a End Freq na 100, respektive 10 000. Klikněte na tlačítko Simulovat vpravo dole. Po pauze by se měl zobrazit graf frekvenční odezvy, jak je znázorněno v dalším kroku.

Krok 4: Vylepšení křivky odezvy

Vaše uši se velmi pravděpodobně budou lišit od těch mých, takže v první řadě potřebujete kopii svého audiogramu. Váš audiolog by vám to měl poskytnout, ale pokud máte dobré sluchátka, můžete si vlastní vyrobit na

To by vám mělo poskytnout dobrou představu o tom, kolik boostu potřebujete na různých frekvencích. V mém případě se moje ztráta sluchu rychle zvyšuje nad 3 kHz, takže je nemožné to kompenzovat mnohem výše. V každém případě několik experimentů analyzujících spektrum různých zdrojů pomocí Audacity naznačilo, že nad tím asi moc nechybí.

V současné podobě vám projekt umožňuje upravit frekvenční odezvu na 3 středových frekvencích 1,5, 2,3 a 3,3 kHz nezávisle na levém a pravém kanálu. Můžete se těchto frekvencí držet, nebo je změnit (viz další krok).

Ve složce EAGLE / spice najdete modely pro 3 trimpoty POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl a POT_VR131.mdl. Ty ovládají odezvu na 3 frekvencích. Když otevřete některý z nich pomocí textového editoru (např. Poznámkový blok), zobrazí se řádek jako:

.param VAR = 50

Změňte číslo na cokoli mezi 0 a 100, aby reprezentovalo pozici odpovídajícího trimpotu, a tedy posílení na této frekvenci na cokoli od nuly do maxima.

Nyní znovu spusťte simulaci (před kliknutím na Simulovat klikněte na Aktualizovat seznam), abyste zjistili, jak nyní vypadá odpověď na frekvenci.

Krok 5: Změna středových frekvencí

Do složky Eagle Project jsem vložil excelovou tabulku Calc.xlsx. Otevřete to v Excelu (nebo pokud nemáte Excel, LibreOffice Calc, který je zdarma). Tato tabulka ztělesňuje konstrukční výpočty pouze pro jednu ze 3 sekcí filtru.

První pole vám umožňuje vypočítat střední frekvenci a faktor Q pro dané hodnoty R1, R2, C1 a C2. (Faktor Q nebo Quality určuje šířku pásma. Vyšší hodnota poskytuje užší pásmo a větší podporu. Hodnoty kolem 4 se zdají fungovat dobře, pokud je každá frekvence zhruba o 50% větší než předchozí.)

Ve skutečnosti je pravděpodobnější, že budete chtít zvolit frekvence a vypočítat hodnoty složek. Vzhledem k požadované frekvenci a třem ze čtyř hodnot složek vám druhé pole umožňuje vypočítat hodnotu 4. složky.

Komponenty mají upřednostňovanou hodnotu (například řada E12), takže si můžete vybrat nejbližší upřednostňovanou hodnotu k vypočítané hodnotě a vrátit ji zpět do prvního pole, abyste zjistili, jaká skutečná frekvence dává.

Poté musíte své hodnoty zapojit do schématu Eagle a simulaci zopakovat.

Vyvolejte schéma a na levém panelu klikněte na ikonu hodnoty součásti a poté klikněte na součást, kterou chcete změnit. (Simulace je nastavena tak, aby fungovala pouze na dolním nebo levém kanálu.) Zobrazí se upozornění, že komponenta nemá žádnou uživatelem definovatelnou hodnotu. Chcete to změnit? Samozřejmě, že ano! Do pole, které se objeví, zadejte novou hodnotu.

Klikněte na tlačítko Simulovat, poté na Aktualizovat seznam netů a poté na Simulovat.

Krok 6: Požadované součásti

Budete samozřejmě potřebovat desku s obvody. Pokud nepoužijete jednu z mých náhradních holých desek, budete muset odeslat soubory Eagle k výrobě. Většina výrobců vyžaduje design jako sadu souborů Gerber. Spíše než duplikovat pokyny zde, hledejte online Eagle export gerber nebo se podívejte na návod Sparkfun.

Samostatné Gerberovy soubory popisují měděné vrstvy, pájecí masku, sítotisk, vrtání a frézování obrysu desky.

Odesláním souborů online výrobci je ověří a upozorní na případné chybějící základní soubory. Ale nebude vás upozorňovat, pokud chybí soubor sítotisku, což byla moje chyba. To je oddělené od obrysů zařízení.

K osazení desky budete potřebovat následující komponenty.

• Quad op zesilovač TL084 SOIC -14 - 2 vypnuto
• Zesilovač LM4880M SOIC 250 mW - 1 vypnuto
• Sortiment odporů 0603 SMD
• Sortiment keramických kondenzátorů 0603 SMD 100 pF - 1 μF
• 5K Trim Pot 3362P -502 - 6 off
• Vícevrstvý keramický vícevrstvý kondenzátor 10uF 16V SMD 0805 - 4 vyp
• 2917 (EIA7343) 100μF 16V tantalový kondenzátor - 2 vypnuto
• 2917 (EIA7343) 470μF 10V tantalový kondenzátor - 2 vypnuto
• Mini USB zásuvka 5-pin SMD
• 3,5 mm průchozí otvor pro stereofonní konektor pro montáž na desku plošných spojů - 2 vypnuté
• 3 mm modrá LED (nebo podle vašeho výběru barvy)

Pro kompletní bateriovou jednotku se vstupem Bluetooth budete dále potřebovat:

• Modul přijímače Bluetooth podporující A2DP, jako je tento
• Baterie LiPo: 503035 3,7 V 500 mAh
• Nabíječka TP4056 LiPo se vstupem mini-USB (nebo microUSB, pokud dáváte přednost), jako je tento
• 3V - 5V boost převodník, jako je tento
• Mini SPDT posuvný přepínač

Poznámka: Nabíječka LiPo bude pravděpodobně nastavena na nabíjecí proud 1A, což je na baterii 500mAhr příliš. Je důležité, abyste odstranili programovací odpor rychlosti nabíjení (normálně 1,2K připojený ke kolíku 2 čipu TP4056) a nahradili jej jedním z 3,3k.

Použil jsem LiPo baterii zakončenou vodičem, ale ta s miniaturním konektorem JST by umožnila připojení pouze po zapojení a dvojité kontrole všeho ostatního a také usnadnila výměnu.

Upřednostňuje se modul Bluetooth, který poběží na 3,3 V nebo 5 V, protože pak může odebírat své napájení přímo z baterie, což snižuje digitální šum na 5 V napájení na hlavní desce s obvody.

Pokud zvolíte modul Bluetooth podporující AVRCP i A2DP, můžete přidat tlačítka pro zvýšení/snížení hlasitosti a další/předchozí stopu.

Mnoho modulů Bluetooth má diodu LED pro povrchovou montáž, která indikuje stav připojení, a nabíječka TP4056 má červené a zelené diody LED pro povrchovou montáž, které indikují stav nabití. Krabice, jako je ta, kterou jsem vytvořil, je pravděpodobně skryje, takže je lze nahradit (viz později):

• 3mm modrá LED
• 3mm červená/zelená LED se společnou anodou.

Krok 7: Použití holé desky prototypu

Pokud jste získali jednu z mých náhradních prototypových desek, je třeba si uvědomit několik drobných chyb.

• V horní části desky není žádná hedvábná obrazovka. Bude užitečné mít vytištěnou kopii rozvržení desky po ruce při vyplňování.
• Několik průchodů mělo spojit horní a spodní pozemní letadla, které ne. To nemá žádný důsledek.
• C3 byl původně 100uF, v balení 2917. Tato hodnota byla příliš velká a nyní je 1 uF 0603. Aby to odpovídalo, budete muset ze základny oškrábat trochu pájeného odporu, jak je znázorněno na fotografii.

Zisk je nastaven hodnotami rezistorů R106 a R206. 22k dává zhruba jednotný zisk. Protože možná budete chtít experimentovat s různými hodnotami, poskytl jsem jak odporové podložky 0603 SMD, tak otvory s roztečí 0,3 pro drátové rezistory.

Krok 8: Zabalení

3D tisknutelný design krabice, kterou jsem použil, najdete na tinkercad.com. Vůle byly příliš těsné, takže jsem zvětšil délku a šířku krabice o 1 mm.

Spodní část krabice obsahuje přihrádky pro baterii, nabíječku, 5V posilovač a modul Bluetooth. Deska zesilovače sluchátek se vejde nahoru. Víko je uchyceno dvěma samořeznými šrouby M2x5 mm.

Široce dostupné jsou identické nabíjecí a 5V boost moduly, ale existuje mnoho různých Bluetooth modulů. Pokud se některý z nich liší od mého, budete muset upravit design krabice.

Jakmile jsou moduly na svém místě, můžete moduly snadno uchovat pomocí tavného lepidla.

Krok 9: Zapojení

Pro účely testování jsem připojil všechny moduly na kus lepenky pomocí blu-tac. Z toho jsem zjistil, že směrování pozemních spojení bylo kritické. Uzemnění z modulu Bluetooth musí být přeneseno do sluchátkového zesilovače spolu s letovým a pravým kanálem, ale poté musí být uzemnění z distribuční desky vedeno k modulu Bluetooth, nikoli ke sluchátkovému zesilovači, jinak budete mít spoustu digitálního šumu z modulu Bluetooth na výstupu.

Přepínač zapnutí/vypnutí jsem namontoval na malý kousek lišty, 6 pásků široký o 5 dlouhých a s výřezem 2x4 pro spínač. Slouží také jako deska pro distribuci energie. Když byl plně zapojen, přilepil jsem spínač na místo (s připevněnou lištou) pomocí epoxidového lepidla. Pokud bych projekt opakoval, zajistil bych přepínač na desce sluchátkového zesilovače.

K zapojení potřebujete docela tenký lankový vodič, takže jsem rozdělil délku duhového páskového kabelu, což mi dalo jednotlivé dráty různých barev. Normálně byste vodiče protáhli otvorem v desce a pájili na druhé straně, ale s různými moduly na místě v základně krabice jsem musel pájet na stejnou stranu desky, ze které vstupoval drát, s odizolováním trochu větší izolace, než by bylo nutné. Musel jsem namontovat lištovou desku měděnou stranou nahoru a podobně k ní pájet spoje.

Chtěl jsem, aby LED diody na nabíječce a Bluetooth modulech byly viditelné, a tak jsem odstranil integrované LED diody SMD a zapojil podložky do 3mm LED. Vyvrtal jsem do krabice otvory, protože jsem je nedovolil ve své 3D tištěné krabici. Spojil jsem je s pájecími podložkami na modulech pájitelným smaltovaným drátem. Ten je potažen samovolně tavícím polyuretanem, který se taví pod žárem páječky.

Pro nabíjecí modul jsem použil červeno/zelenou LED se společnou anodou. Společná anoda musí být připojena k kterékoli z LED diod SMD nejblíže k okraji desky (což můžete potvrdit multimetrem). Pokud má váš modul Bluetooth SMD LED, budete muset polaritu určit pomocí multimetru. Některé moduly mají připojení pro externí LED.

Před vložením sluchátkového zesilovače do krabice přes ostatní moduly jsem shledal nezbytným umístit malé kousky PVC pásky na vrcholy dvou elektrolytických kondenzátorů na modulu Bluetooth a na nabíjecí zásuvce mini-USB, aby se předešlo zkratům spodní strana sluchátkového zesilovače.

Krok 10: Vylepšení

Pokud bych z toho chtěl udělat produkt, nepochybně jsou věci, které bych změnil, ale protože jsem ze sebe udělal gadget, který slouží mému účelu, přejdu k dalším projektům.

Okruh:

• Bipolární napájecí zdroj mohl být lepší. Protože proud odebíraný operačními zesilovači je malý, záporné napájení by snadno poskytl kapacitní měnič napětí čerpadla, jako je MAX660.
• S bipolárním napájením by operační zesilovače nepotřebovaly zesilovač 5V. Sluchátkový zesilovač LM4880 bude pracovat na surovém výstupním napětí z baterie LiPo, ačkoli maximální výstupní výkon bude snížen z 250 mW na kanál na přibližně 100 mW na kanál.

Deska:

• Velikost desky je přesně to, co vyplynulo z procesu rozložení, ale rozmáčknutím na přesnou velikost, například 6 x 6 cm, by se design krabice trochu usnadnil.
• Stejně tak by bylo hezčí umístit vstupní a výstupní 3,5mm konektory do řady a přesně doprostřed obou stran. To by také usnadnilo design krabice.
• Bylo by snadné integrovat nabíjecí obvod LiPo. Při bipolárním napájení by nebyl zapotřebí 3 - 5V zesilovač, což šetří 2 samostatné moduly.
• S jednoduchou nabíječkou TP4056, která se používá, může být baterie přebitá, pokud se ji pokusíte nabít se zapnutou jednotkou. Mírně sofistikovanější nabíječky obsahují jednoduchý ochranný obvod, který by stálo za to zahrnout.
• S výše uvedenými úpravami by pak mohl být spínač namontován na desku. Způsob montáže přepínače do 3D tištěného boxu nebyl ideální.
• 2pólový 3cestný přepínač by umožňoval napájení modulu Bluetooth pouze v případě potřeby.

Krabice:

• Montáž modulů do 2 vrstev ztížila montáž, než bylo nutné, a do tenčí, ale větší krabice se možná lépe vešla kapsa.
• Přepínač lze snadno nechtěně zapnout. Bylo by snadné zahrnout stráže kolem něj do návrhu 3D tisku, aby se tomu zabránilo.

Další aplikace:

Pokud, jako audiofil, chcete ekvalizovaný sluchátkový zesilovač poskytující zesílení i snížení na různých frekvencích, můžete použít v podstatě stejný design.

Chcete -li zvýšit i snížit, eliminujte R113, R123, R133 a R213, R223, R233 (nebo nahraďte rezistory 0Ω) a vyměňte trimpoty za 10k (posuvné hrnce, pokud dáváte přednost).

Můžete přidat tolik instancí obvodu gyrátoru, kolik potřebujete.