Digitálně ovládaný 18W kytarový zesilovač: 7 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Před několika lety jsem postavil 5W kytarový zesilovač, což bylo v té době řešení mého audio systému, a nedávno jsem se rozhodl postavit nový, mnohem výkonnější a bez použití analogových komponent pro uživatelské rozhraní, jako otočné potenciometry a kolébkové spínače.

Digitálně ovládaný 18W kytarový zesilovač je samostatný, digitálně ovládaný 18W mono kytarový zesilovač s připojením systému delay efekt a elegantním displejem z tekutých krystalů, který poskytuje přesné informace o tom, co se děje v obvodu.

Vlastnosti projektu:

• Plně digitální ovládání: Vstupem uživatelského rozhraní je rotační kodér s integrovaným přepínačem.
• ATMEGA328P: Je mikrořadič (používá se jako systém podobný Arduinu): Všechny nastavitelné parametry jsou programově ovládány uživatelem.
• LCD: funguje jako výstup uživatelského rozhraní, takže parametry zařízení, jako je zisk/hlasitost/hloubka zpoždění/doba zpoždění, lze pozorovat ve velké aproximaci.
• Digitální potenciometry: Používají se v dílčích obvodech, čímž je ovládání zařízení plně digitální.
• Kaskádový systém: Každý obvod v předdefinovaném systému je samostatný systém, který sdílí pouze napájecí vedení, schopný relativně snadného řešení problémů v případě poruch.
• Předzesilovač: Na základě integrovaného obvodu LM386 s velmi jednoduchým schematickým designem a požadavkem na minimální díly.
• Obvod s efektem zpoždění: Je založen na integrovaném obvodu PT2399, lze jej zakoupit na eBay jako samostatný IC (celý obvod zpoždění jsem navrhl sám) nebo jej lze použít jako kompletní modul se schopností nahradit rotační potenciometry digipoty.
• Výkonový zesilovač: Je založen na modulu TDA2030, který již obsahuje všechny periferní obvody pro svou činnost.
• Napájení: Zařízení je napájeno starým externím napájecím zdrojem 19 V DC pro notebook, takže zařízení obsahuje zeslabený modul DC-DC jako předregulátor pro LM7805, díky čemuž odvádí mnohem méně tepla při spotřebě energie zařízení.

Poté, co jsme pokryli všechny krátké informace, pojďme je vytvořit!

Krok 1: Idea

Jak vidíte v blokovém schématu, zařízení funguje jako klasický přístup k návrhu kytarového zesilovače s mírnými odchylkami v řídicím obvodu a uživatelském rozhraní. Existují celkem tři skupiny obvodů, o kterých budeme rozšiřovat: Analogový, digitální a napájecí zdroj, kde každá skupina sestává ze samostatných dílčích obvodů (téma bude dobře vysvětleno v dalších krocích). Abychom porozuměli struktuře projektu, je mnohem snazší vysvětlit tyto skupiny:

1. Analogová část: Analogové obvody jsou umístěny v horní polovině blokového diagramu, jak je vidět výše. Tato část má na starosti všechny signály, které procházejí zařízením.

1/4 jack je mono kytarový vstup zařízení a nachází se na rozhraní mezi krabicí a pájeným elektronickým obvodem.

Další fází je předzesilovač založený na integrovaném obvodu LM386, který je v takových zvukových aplikacích extrémně snadno použitelný. LM386 je napájen 5 V DC z hlavního napájecího zdroje, kde jsou jeho parametry, zisk a hlasitost ovládány pomocí digitálních potenciometrů.

Třetím stupněm je výkonový zesilovač založený na integrovaném obvodu TDA2030, napájený externím napájecím zdrojem 18 ~ 20V DC. V tomto projektu zůstává zisk zvolený na výkonovém zesilovači po celou dobu provozu konstantní. Vzhledem k tomu, že zařízení není jedinou zabalenou deskou plošných spojů, doporučuje se použít sestavený modul TDA2030A a připojit jej k prototypovému bardu připojením pouze pinů I/O a napájecího zdroje.

2. Digitální část: Digitální obvody jsou umístěny ve spodní polovině blokového schématu. Mají na starosti ovládání uživatelského rozhraní a analogových parametrů, jako je čas/hloubka zpoždění, hlasitost a zesílení.

Kodér s integrovaným přepínačem SPST je definován jako vstup ovládání uživatele. Vzhledem k tomu, že je sestaven jako jeden díl, jedinou potřebou správné funkce je programové nebo fyzické připojení výsuvných odporů (uvidíme v kroku schématu).

Mikroprocesor jako „hlavní mozek“v obvodu je ATMEGA328P, který se v tomto zařízení používá ve stylu podobném Arduinu. Je to zařízení, které má veškerou digitální energii v obvodech a velí všemu, co má dělat. Programování se provádí přes rozhraní SPI, takže můžeme použít jakýkoli vhodný programátor USB ISP nebo zakoupený debugger AVR. V případě, že chcete použít Arduino jako mikrokontrolér v obvodu, je to možné pomocí kompilace připojeného C kódu, který je přítomen v kroku programování.

Digitální potenciometry jsou pár dvojitých integrovaných obvodů řízených pomocí rozhraní SPI pomocí mikrokontroléru, s celkovým počtem 4 potenciometrů pro plnou kontrolu nad všemi parametry:

LCD je výstup uživatelského rozhraní, který nám dává vědět, co se děje uvnitř krabice. V tomto projektu jsem použil pravděpodobně nejpopulárnější 16x2 LCD mezi uživateli Arduina.

3. Napájení: Napájení je určeno k dodávce energie (napětí a proudu) do celého systému. Protože obvod výkonového zesilovače je napájen přímo z externího adaptéru notebooku a všechny zbývající obvody jsou napájeny z 5 V DC, je zapotřebí krokového nebo lineárního regulátoru DC-DC. V případě umístění 5V lineárního regulátoru na externí 20V, když proud prochází lineárním regulátorem do zátěže, se na 5V regulátoru rozptýlí obrovské množství tepla, to nechceme. Mezi 20V lineárním a 5V lineárním regulátorem (LM7805) je tedy 8V DC-DC krokový převodník, který funguje jako předregulátor. Takové uchycení zabraňuje obrovskému rozptylu na lineárním regulátoru, když zátěžový proud dosahuje vysokých hodnot.

Krok 2: Díly a nástroje

Elektronické součástky:

1. Moduly:

• PT2399 - IC modul Echo / delay.
• LM2596-Snižovací modul DC-DC
• TDA2030A - 18W modul výkonového zesilovače
• 1602A - Běžný LCD 16x2 znaků.
• Rotační kodér s integrovaným přepínačem SPST.

2. Integrované obvody:

• LM386 - Mono audio zesilovač.
• LM7805 - 5V lineární regulátor.
• MCP4261/MCP42100 - duální digitální potenciometry 100 KOhm
• ATMEGA328P - Mikrokontrolér

3. Pasivní součásti:

A. Kondenzátory:

• 5 x 10 uF
• 2 x 470 uF
• 1 x 100 uF
• 3 x 0,1 uF

B. Rezistory:

• 1 x 10R
• 4 x 10 tis

C. Potenciometr:

1 x 10 tis

(Volitelné) Pokud nepoužíváte modul PT2399 a máte zájem o stavbu obvodu sami, jsou vyžadovány tyto součásti:

• PT2399
• 1 x 100K odpor
• 2 x 4,7uF kondenzátor
• 2 x 3,9nF kondenzátor
• 2 x 15K odpor
• Rezistor 5 x 10K
• 1 x 3,7K odpor
• 1 x 10uF kondenzátor
• 1 x 10nF kondenzátor
• 1 x 5,6K odpor
• 2 x 560pF kondenzátor
• 2 x 82nF kondenzátor
• 2 x 100nF kondenzátor
• 1 x 47uF kondenzátor

4. Konektory:

• 1 x 1/4 "mono konektor
• 7 x Dvojité svorkovnice
• 1 x samičí 6pinový řadový konektor
• 3 x 4kolíkové konektory JST
• 1 x konektor napájecího konektoru

Mechanické části:

• Reproduktor s příkonem rovným nebo vyšším než 18 W.
• Dřevěný výběh
• Dřevěný rámeček pro oříznutí uživatelského rozhraní (pro LCD a rotační kodér).
• Pěnová guma pro oblasti reproduktorů a uživatelského rozhraní
• 12 vrtacích šroubů pro díly
• 4 x upevňovací šrouby a matice pro rámeček LCD
• 4 x gumová noha pro stabilní oscilace zařízení (mechanický šum rezonance je běžná věc v konstrukci zesilovače).
• Knoflík pro rotační kodér

Nástroje:

• Elektrický šroubovák
• Pistole na lepení za horka (je-li to nutné)
• (Volitelné) Laboratorní napájecí zdroj
• (Volitelné) Osciloskop
• (Volitelné) Generátor funkcí
• Páječka / stanice
• Malá řezačka
• Malý kleště
• Pájecí cín
• Pinzeta
• Balicí drát
• Vrtání bitů
• Malá pila na řezání dřeva
• Nůž
• Brusný soubor

Krok 3: Vysvětlení schémat

Protože jsme obeznámeni s blokovým schématem projektu, můžeme přistoupit ke schématům, přičemž vezmeme v úvahu všechny věci, které potřebujeme vědět o provozu obvodu:

Obvod předzesilovače: LM386 je připojen s ohledem na minimální počet součástí, bez nutnosti používat externí pasivní komponenty. V případě, že chcete změnit frekvenční odezvu na vstup zvukového signálu, například zesílení basů nebo ovládání tónu, můžete se obrátit na technický list LM386, o kterém to nebude mít vliv na schematický diagram tohoto zařízení, s výjimkou mírných změn připojení předzesilovače. Protože pro IC používáme jediné napájení 5 V DC, musí být na výstup IC přidán oddělovací kondenzátor (C5) pro odstranění DC signálu. Jak je vidět, signální kolík 1/4 konektoru (J1) je připojen ke kolíku digipotu 'A' a neinvertující vstup LM386 je připojen ke kolíku digitpotu 'B', takže ve výsledku máme jednoduché dělič napětí, ovládaný mikrokontrolérem přes rozhraní SPI.

Obvod efektu zpoždění / ozvěny: Tento obvod je založen na integrovaném efektu zpoždění PT2399. Tento obvod se zdá být podle jeho datového listu komplikovaný a je velmi snadné si jej splést s jeho úplným pájením. Doporučuje se zakoupit kompletní modul PT2399, který je již sestaven, a jediné, co musíte udělat, je odpojit rotační potenciometry od modulu a připojit digipotové linky (stěrač, „A“a „B“). Použil jsem odkaz na datový list k návrhu efektu ozvěny, přičemž digipoty jsou připojeny k výběru časového období oscilací a objemu signálu zpětné vazby (Co bychom měli nazývat - „hloubka“). Vstup zpožďovacího obvodu, označovaný jako linka DELAY_IN, je připojen k výstupu obvodu předzesilovače. Ve schématech to není uvedeno, protože jsem chtěl, aby všechny obvody sdílely pouze elektrické vedení a signální vedení jsou propojena s externími kabely. „Jak to není pohodlné!“, Můžete si myslet, ale jde o to, že při budování analogového procesního obvodu je mnohem snazší odstraňovat problémy po částech u každého obvodu v projektu. Vzhledem k jeho hlučné oblasti se doporučuje přidat na pin napájecího zdroje 5 V DC obtokové kondenzátory.

Napájení: Zařízení je napájeno prostřednictvím externího napájecího konektoru pomocí 20V 2A AC/DC adaptéru. Zjistil jsem, že nejlepším řešením, jak snížit velké množství ztrátového výkonu na lineárním regulátoru ve formě tepla, je přidat 8V DC-DC krokový převodník (U10). LM2596 je převodník bucků používaný v mnoha aplikacích a oblíbený mezi uživateli Arduina, který stojí na eBay méně než 1 $. Víme, že lineární regulátor má na svém výkonu pokles napětí (v případě 7805 je teoretická aproximace kolem 2,5V), takže mezi vstupem a výstupem LM7805 je bezpečná mezera 3V. Nedoporučuje se zanedbávat lineární regulátor a připojovat lm2596 přímo k vedení 5V, protože spínací šum, jehož zvlnění napětí může ovlivnit stabilitu napájení obvodů.

Zesilovač výkonu: Je to jednoduché, jak se zdá. Protože jsem v tomto projektu použil modul TDA2030A, jediným požadavkem je připojit napájecí piny a I/O linky výkonového zesilovače. Jak již bylo zmíněno dříve, vstup zesilovače je připojen k výstupu zpožďovacího obvodu pomocí externího kabelu pomocí konektorů. Reproduktor použitý v zařízení je připojen k výstupu výkonového zesilovače prostřednictvím vyhrazené svorkovnice.

Digitální potenciometry: Pravděpodobně nejdůležitější součásti celého zařízení, díky čemuž je možné jej ovládat digitálně. Jak vidíte, existují dva typy digipotů: MCP42100 a MCP4261. Sdílejí stejný vývod, ale liší se v komunikaci. Když jsem postavil tento projekt, mám v zásobě jen dva poslední digipoty, takže jsem použil to, co jsem měl, ale doporučuji použít dva digipoty stejného typu, buď MCP42100 nebo MCP4261. Každý digipot je řízen rozhraním SPI, sdílenými hodinami (SCK) a piny pro vstup dat (SDI). SPI řadič ATMEGA328P je schopen zpracovávat více zařízení ovládáním oddělených pinů pro výběr čipu (CS nebo CE). Je to tak navrženo v tomto projektu, kde jsou piny umožňující SPI čip připojeny k samostatným pinům mikrokontroléru. PT2399 a LM386 jsou připojeny k napájení 5V, takže se nemusíme starat o kolísání napětí v síti odporů digipot uvnitř integrovaných obvodů (je pokryto z velké části v datovém listu, v části rozsahu úrovně napětí na vnitřních spínacích odporech).

Mikrokontrolér: Jak již bylo zmíněno, založený na Arduino stylu ATMEGA328P, s potřebou jediné pasivní komponenty-pull-up rezistoru (R17) na resetovacím pinu. 6pinový konektor (J2) se používá pro programování zařízení přes USB ISP programátor přes rozhraní SPI (Ano, stejné rozhraní, ke kterému jsou připojeny digipoty). Všechny piny jsou připojeny k příslušným komponentám, které jsou uvedeny ve schematickém diagramu. Důrazně doporučujeme přidat obtokové kondenzátory poblíž kolíků napájecího zdroje 5V. Kondenzátory, které vidíte v blízkosti kolíků kodéru (C27, C28), slouží k zabránění odrážení stavu kodéru na těchto pinech.

LCD: Displej z tekutých krystalů je připojen klasickým způsobem se 4bitovým přenosem dat a dalšími dvěma piny pro aretaci dat - Registrovat výběr (RS) a Povolit (E). LCD má konstantní jas a variabilní kontrast, které lze upravit jediným trimrem (R18).

Uživatelské rozhraní: Rotační kodér zařízení má vestavěné tlačítko SPST, kde jsou všechna jeho připojení svázána s popsanými piny mikrokontroléru. Namísto použití vnitřního výsuvu se doporučuje připojit vývodový odpor na pin každého kodéru: A, B a SW. Ujistěte se, že piny kodéru A a B jsou připojeny k kolíkům externího přerušení mikrokontroléru: INT0 a INT1, aby odpovídaly kódu a spolehlivosti zařízení při použití komponenty kodéru.

Konektory JST a svorkovnice: Každý analogový obvod: předzesilovač, zpoždění a výkonový zesilovač jsou izolovány na pájené desce a jsou propojeny kabely mezi svorkovnicemi. Kodér a LCD jsou připojeny ke kabelům JST a připojeny k pájecí desce pomocí konektorů JST, jak je popsáno výše. Vstup externího napájecího konektoru a 1/4 mono jack kytarový vstup jsou propojeny pomocí svorkovnic.

Krok 4: Pájení

Po krátké přípravě je třeba si představit přesné umístění všech komponent na desku. Je výhodné zahájit proces pájení z předzesilovače a dokončit všechny digitální obvody.

Zde je podrobný popis:

1. Pájecí obvod předzesilovače. Zkontrolujte jeho připojení. Zajistěte, aby byly pozemní čáry sdíleny na všech příslušných linkách.

2. Pájejte modul/integrovaný obvod PT2399 se všemi periferními obvody podle schematického diagramu. Protože jsem připájel celý zpožďovací obvod, můžete vidět, že existuje mnoho sdílených linek, které lze snadno pájet podle každé funkce pinu PT2399. Pokud máte modul PT2399, pak stačí odpájet rotační potenciometry a pájet digitální potenciometrové síťové linky na tyto uvolněné piny.

3. Pájejte modul TDA2030A, ujistěte se, že výstupní konektor reproduktoru je vycentrován mimo desku.

4. Pájecí obvod napájení. Umístěte obtokové kondenzátory podle schematického diagramu.

5. Pájecí obvod mikrokontroléru s jeho programovacím konektorem. Zkuste to naprogramovat, ujistěte se, že to v tomto případě neselže.

6. Pájecí digitální potenciometry

7. Pájejte všechny konektory JST v oblastech podle každého připojení linky.

8. Zapněte desku, pokud máte funkční generátor a osciloskop, zkontrolujte odezvu každého analogového obvodu na vstupní signál krok za krokem (doporučeno: 200 mVpp, 1 KHz).

9. Samostatně zkontrolujte odezvu obvodu na výkonovém zesilovači a zpožďovacím obvodu/modulu.

10. Připojte reproduktor k výstupu výkonového zesilovače a generátoru signálu ke vstupu, ujistěte se, že uslyšíte tón.

11. Pokud jsou všechny testy, které jsme provedli, úspěšné, můžeme přistoupit ke kroku montáže.

Krok 5: Montáž

Pravděpodobně se jedná o nejtěžší část projektu z hlediska technického přístupu, pokud nemáte ve skladě nějaké užitečné nástroje pro řezání dřeva. Měl jsem velmi omezenou sadu nástrojů, takže jsem byl nucen jít tvrdou cestou - řezací box ručně brusným pilníkem. Pojďme se zabývat základními kroky:

1. Příprava krabice:

1.1 Ujistěte se, že máte dřevěnou skříň s odpovídajícími rozměry pro rozmístění reproduktorů a elektronických desek.

1.2 Odřízněte oblast reproduktoru, důrazně doporučujeme připevnit rámeček z pěnové gumy k výřezu reproduktoru, aby se zabránilo rezonančním vibracím.

1.3 Vyřízněte samostatný dřevěný rám pro uživatelské rozhraní (LCD a kodér). Ořízněte příslušnou oblast pro LCD a ujistěte se, že směr LCD není převrácen na pohled zepředu. Poté, co je toto dokončeno, vyvrtejte otvor pro rotační kodér. Upevněte LCD pomocí 4 vrtacích šroubů a rotačního kodéru příslušnou kovovou maticí.

1.4 Umístěte pěnovou gumu na dřevěný rám uživatelského rozhraní po celém jeho obvodu. To také pomůže zabránit rezonančním poznámkám.

1.5 Vyhledejte místo, kde bude umístěna elektronická deska, a poté vyvrtejte 4 otvory do dřevěného krytu

1.6 Připravte stranu, kde bude umístěn vstupní konektor externího napájecího zdroje DC a vstup kytary 1/4 , vyvrtejte dva otvory s odpovídajícím průměrem. Ujistěte se, že tyto konektory sdílejí stejný vývod jako elektronická deska (tj. Polaritu). Poté pájet dva páry vodičů pro každý vstup.

2. Připojení částí:

2.1 Připojte reproduktor do vybrané oblasti a ujistěte se, že jsou dva vodiče připojeny ke kolíkům reproduktoru pomocí 4 vrtacích šroubů.

2.2 Připojte panel uživatelského rozhraní na vybranou stranu skříně. Nezapomeňte na pěnovou gumu.

2.3 Spojte všechny obvody dohromady pomocí svorkovnic

2.4 Připojte LCD a kodér k desce pomocí konektorů JST.

2.5 Připojte reproduktor k výstupu modulu TDA2030A.

2.6 Připojte napájecí a kytarové vstupy ke svorkovnicím desky.

2.7 Vyhledejte desku v poloze vyvrtaných otvorů, připevněte desku 4 vrtacími šrouby z vnější strany dřevěného krytu.

2.8 Připojte všechny dřevěné části skříně dohromady tak, aby to vypadalo jako pevná krabice.

Krok 6: Programování a kód

Kód zařízení splňuje pravidla rodiny mikrokontrolérů AVR a odpovídá MCU ATMEGA328P. Kód je napsán v Atmel Studio, ale existuje možnost naprogramovat desku Arduino pomocí Arduino IDE, které má stejné MCU ATMEGA328P. Samostatný mikrokontrolér lze naprogramovat pomocí USB ladicího adaptéru podle Atmel Studio nebo pomocí USP ISP programátoru, který lze zakoupit na eBay. Programovací software, který se běžně používá, je AVRdude, ale já dávám přednost programu ProgISP - jednoduchému programovacímu programu USB ISP s velmi přátelským uživatelským rozhraním.

Veškeré potřebné vysvětlení ke kódu najdete v přiloženém souboru Amplifice.c.

Připojený soubor Amplifice.hex lze nahrát přímo do zařízení, pokud plně odpovídá schematickému diagramu, který jsme dříve pozorovali.

Krok 7: Testování

Když je vše, co jsme chtěli, hotovo, je čas na testování. Raději jsem testoval zařízení s mojí starodávnou levnou kytarou a jednoduchým obvodem pro ovládání pasivního tónu, který jsem před lety postavil bez důvodu. Zařízení je testováno také s digitálním i analogovým efektovým procesorem. Není příliš skvělé, že PT2399 má tak malou RAM pro ukládání zvukových vzorků používaných ve zpožděných sekvencích, když je čas mezi vzorky echa příliš velký, ozvěna se digitalizuje s velkou ztrátou přechodových bitů, což je považováno za zkreslení signálu. Ale to „digitální“zkreslení, které slyšíme, může být užitečné jako pozitivní vedlejší účinek provozu zařízení. Vše závisí na aplikaci, kterou chcete s tímto zařízením dělat (což jsem mimochodem nějak nazval „Amplifice V1.0“).

Doufám, že vám tento návod bude užitečný.

Děkuji za přečtení!