Stolní zesilovač se zvukovou vizualizací, binárními hodinami a FM přijímačem: 8 kroků (s obrázky)

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

Mám rád zesilovače a dnes se podělím o svůj nízkoenergetický stolní zesilovač, který jsem nedávno vyrobil. Zesilovač, který jsem navrhl, má několik zajímavých funkcí. Má integrované binární hodiny a může poskytovat čas a datum a může vizualizovat zvuk, často nazývaný analyzátor zvukového spektra. Můžete jej použít jako FM přijímač nebo MP3 přehrávač. Pokud se vám líbí můj hodinový zesilovač, vytvořte si vlastní kopii podle následujících pokynů.

Krok 1: Dobré tipy pro návrh zesilovače

Navrhnout kvalitní zvukový obvod bez šumu je opravdu těžké i pro zkušeného designéra. Abyste svůj návrh vylepšili, měli byste dodržovat několik tipů.

Napájení

Zesilovače reproduktorů jsou obvykle napájeny přímo z napětí hlavního systému a vyžadují relativně vysoký proud. Odpor ve stopě bude mít za následek poklesy napětí, které sníží napájecí napětí zesilovače a odpadní energii v systému. Trasovací odpor také způsobí, že se normální kolísání napájecího proudu převede na kolísání napětí. Chcete -li maximalizovat výkon, použijte krátké široké stopy pro všechny napájecí zdroje zesilovače.

Základy

Uzemnění hraje jedinou, nejvýznamnější roli při určování, zda systém využívá potenciálu zařízení. Špatně uzemněný systém bude mít pravděpodobně vysoké zkreslení, šum, přeslechy a náchylnost k RF. Ačkoli lze zpochybnit, kolik času by mělo být věnováno uzemnění systému, pečlivě navržené schéma uzemnění brání vzniku mnoha problémů.

Země v každém systému musí sloužit dvěma účelům. Za prvé, je to zpáteční cesta pro všechny proudy proudící do zařízení. Za druhé, je to referenční napětí pro digitální i analogové obvody. Uzemnění by bylo jednoduché, pokud by napětí ve všech bodech země mohlo být stejné. Ve skutečnosti to není možné. Všechny vodiče a stopy mají konečný odpor. To znamená, že kdykoli zemí protéká proud, dojde k odpovídajícímu poklesu napětí. Jakákoli smyčka drátu také tvoří induktor. To znamená, že kdykoli proud teče z baterie do zátěže a zpět do baterie, proudová cesta má nějakou indukčnost. Indukčnost zvyšuje impedanci země na vysokých frekvencích.

Přestože navrhování nejlepšího pozemního systému pro konkrétní aplikaci není jednoduchý úkol, některé obecné pokyny platí pro všechny systémy.

1. Vytvořte spojitou zemskou rovinu pro digitální obvody: Digitální proud v základní rovině má tendenci sledovat stejnou trasu, jakou prošel původní signál. Tato cesta vytváří nejmenší smyčkovou oblast pro proud, čímž se minimalizují efekty antény a indukčnost. Nejlepší způsob, jak zajistit, aby všechny stopy digitálního signálu měly odpovídající pozemní cestu, je vytvořit souvislou zemskou rovinu na vrstvě bezprostředně sousedící se signálovou vrstvou. Tato vrstva by měla pokrývat stejnou oblast jako stopa digitálního signálu a měla by mít co nejméně přerušení v její kontinuitě. Všechna přerušení v pozemní rovině, včetně průchodek, způsobují, že zemní proud protéká větší smyčkou, než je ideální, čímž se zvyšuje záření a hluk.
2. Udržujte oddělené zemní proudy: Zemní proudy pro digitální a analogové obvody musí být odděleny, aby digitální proudy nevytvářely šum v analogových obvodech. Nejlepší způsob, jak toho dosáhnout, je správné umístění komponent. Pokud jsou všechny analogové a digitální obvody umístěny na samostatné části desky plošných spojů, zemní proudy budou přirozeně izolovány. Aby to dobře fungovalo, musí analogová sekce obsahovat pouze analogové obvody na všech vrstvách desky plošných spojů.
3. Pro analogové obvody použijte techniku uzemnění hvězdy: Zesilovače zvukového výkonu mají tendenci odebírat relativně velké proudy, které mohou nepříznivě ovlivnit jejich vlastní i další pozemní reference v systému. Abyste tomuto problému předešli, zajistěte vyhrazené návratové cesty pro uzemnění přemostěného zesilovače a uzemnění konektoru pro sluchátka. Izolace umožňuje, aby tyto proudy proudily zpět do baterie, aniž by to ovlivnilo napětí ostatních částí pozemní roviny. Pamatujte, že tyto vyhrazené zpětné cesty by neměly být směrovány pod trasami digitálního signálu, protože by mohly blokovat digitální zpětné proudy.
4. Maximalizujte účinnost obtokových kondenzátorů: Téměř všechna zařízení vyžadují obtokové kondenzátory k zajištění okamžitého proudu. Aby se minimalizovala indukčnost mezi kondenzátorem a napájecím kolíkem zařízení, umístěte tyto kondenzátory co nejblíže napájecímu kolíku, který obcházejí. Jakákoli indukčnost snižuje účinnost obtokového kondenzátoru. Podobně musí být kondenzátor vybaven nízkoimpedančním spojením se zemí, aby se minimalizovala vysokofrekvenční impedance kondenzátoru. Přímo připojte zemnící stranu kondenzátoru k zemnící rovině, místo abyste ji vedli trasováním.
5. Zaplavte veškerou nevyužitou oblast PCB zemí: Kdykoli dva kusy mědi poběží blízko sebe, vytvoří se mezi nimi malá kapacitní spojka. Běžící povodeň poblíž signálních stop může být nechtěná vysokofrekvenční energie v signálních linkách posunuta k zemi prostřednictvím kapacitní spojky.

Snažte se, aby napájecí zdroje, transformátor a hlučné digitální obvody byly mimo vaše zvukové obvody. Pro zvukové obvody použijte samostatné uzemnění a pro zvukové obvody je dobré nepoužívat zemnící roviny. Uzemnění (GND) připojení zvukového zesilovače je velmi důležité ve srovnání s uzemněním jiných tranzistorů, IC atd., Pokud je mezi těmito dvěma zemní šum, zesilovač ho vydá.

Zvažte napájení důležitých integrovaných obvodů a čehokoli citlivého pomocí odporu 100R mezi nimi a +V. Na straně IC rezistoru vložte vhodný kondenzátor (např. 220uF). Pokud IC bude přitahovat hodně energie, pak zajistěte, aby to rezistor zvládl (vyberte dostatečně vysoký výkon a v případě potřeby zajistěte měděný chladič PCB) a mějte na paměti, že na rezistoru dojde k poklesu napětí.

U návrhů založených na transformátorech chcete, aby kondenzátory usměrňovače byly co nejblíže kolíkům usměrňovače a aby byly připojeny prostřednictvím vlastních silných kolejí kvůli velkým nabíjecím proudům na samotném pohledu na usměrněnou sinusovou vlnu. Vzhledem k tomu, že výstupní napětí usměrňovače překračuje rozpadající se napětí kondenzátoru, vzniká v nabíjecím obvodu impulzní šum, který se může přenášet do zvukového obvodu, pokud sdílejí stejný kus mědi v kterémkoli z elektrických vedení. Nemůžete se zbavit pulzního nabíjecího proudu, takže je mnohem lepší udržet kondenzátor lokálně na můstkovém usměrňovači, aby se minimalizovaly tyto vysoce proudové impulsy energie. Pokud je v blízkosti usměrňovače zvukový zesilovač, nenacházejte vedle zesilovače velký kondenzátor, aby se tento problém nezpůsobil tímto kondenzátorem, ale pokud je k dispozici malý odstup, je dobré dát zesilovači vlastní kondenzátor, jak se bude vznášet nabitý z napájecího zdroje a má vzhledem k délce mědi relativně vysokou impedanci.

Vyhledejte a napěťové regulátory, které používají zvukové obvody, v blízkosti vstupu usměrňovačů / napájecího zdroje a připojte je také pomocí vlastních připojení.

Signály

Pokud je to možné, vyhněte se vstupním a výstupním zvukovým signálům do a z integrovaných obvodů, které běží paralelně na desce plošných spojů, protože to může způsobit oscilace, které se přivádějí z výstupu zpět na vstup. Pamatujte, že pouhých 5 mV může způsobit spoustu hukotů!

Udržujte digitální pozemní letadla mimo dosah zvukového GND a zvukových obvodů obecně. Hluk lze do zvuku vnést jednoduše ze stop, které jsou příliš blízko digitálních rovin.

Při připojování k jinému zařízení, pokud napájíte jinou desku, která obsahuje zvukové obvody (bude vydávat nebo přijímat zvukový signál), zajistěte, aby mezi dvěma deskami byl pouze 1 bod, ve kterém se GND spojuje, a to by v ideálním případě mělo být na připojení analogového zvukového signálu směřovat.

Pro připojení signálu IO k jiným zařízením / vnějšímu světu je dobré použít rezistor 100R mezi obvody GND a GND vnějšího světa pro všechno (včetně digitálních částí obvodu), aby se zabránilo vytváření zemních smyček.

Kondenzátory

Použijte je všude tam, kde chcete izolovat části od sebe. Použité hodnoty:- 220 nF je typické, 100 nF je v pořádku, pokud chcete snížit velikost / náklady, nejlépe neklesnout pod 100 nF.

Nepoužívejte keramické kondenzátory. Důvodem je, že keramické kondenzátory dávají piezoelektrický efekt střídavému signálu, který způsobuje šum. Použijte Poly nějakého typu - nejlepší je polypropylen, ale jakýkoli. Skutečné zvukové hlavy také říkají, že nepoužívají elektrolytické in-line, ale mnoho návrhářů to dělá bez problémů-to je pravděpodobné pro aplikace s vysokou čistotou, nikoli pro standardní standardní zvukový design.

Nepoužívejte tantalové kondenzátory kdekoli v cestách zvukových signálů (někteří návrháři mohou nesouhlasit, ale mohou způsobit hrozné problémy)

Obecně přijímanou náhradou za polykarbonát je PPS (polyfenylen sulfid).

Vysoce kvalitní polykarbonátové fólie a polystyrenové fólie a teflonové kondenzátory a keramické kondenzátory NPO/COG mají velmi nízké koeficienty kapacity a tím i velmi nízké zkreslení a výsledky jsou velmi jasné pomocí spektrálních analyzátorů i uší.

Vyhněte se keramickým dielektrikum s vysokým K, mají koeficient vysokého napětí, který by podle mě mohl vést k určitému zkreslení, pokud by byly použity ve fázi ovládání tónu.

Umístění komponentů

Prvním krokem každého návrhu desky plošných spojů je výběr umístění komponent. Tento úkol se nazývá „podlahové plánování“. Pečlivé umístění komponent může usnadnit směrování signálu a rozdělení na zem. Minimalizuje snímání hluku a potřebnou plochu desky.

Je nutné vybrat umístění součásti v analogové sekci. Součásti by měly být umístěny tak, aby se minimalizovala vzdálenost, kterou urazí zvukové signály. Umístěte zesilovač zvuku co nejblíže ke konektoru pro sluchátka a reproduktoru. Toto umístění minimalizuje EMI záření z reproduktorových zesilovačů třídy D a minimalizuje citlivost signálů sluchátek s nízkou amplitudou na hluk. Umístěte zařízení poskytující analogový zvuk co nejblíže zesilovači, aby se minimalizovalo zachycení šumu na vstupech zesilovače. Všechny stopy vstupního signálu budou fungovat jako antény pro RF signály, ale zkrácení trasování pomůže snížit účinnost antény pro frekvence, které jsou obvykle znepokojující.

Krok 2: Potřebujete…

1. Integrovaný zesilovač zvuku TEA2025B (ebay.com)

2. 6 ks 100uF elektrolytický kondenzátor (ebay.com)

3. 2 ks 470uF elektrolytický kondenzátor (ebay.com)

4. 2 ks 0,22uF kondenzátor

5. 2 ks 0,15uF keramický kondenzátor

6. Potenciometr duálního ovládání hlasitosti (50 - 100K) (ebay.com)

7. 2 ks 4 ohmový 2,5W reproduktor

8. Modul přijímače MP3 + FM (ebay.com)

9. LED matice s ovladačem IC (Adafruit.com)

10. Vero Board & Some Wire.

11. Arduino UNO (Adafruit.com)

12. Modul DS1307 RTC (Adafruit.com)

Krok 3: Vytvoření obvodu zesilovače

Podle přiloženého schématu zapojení připájejte všechny součásti na desku plošných spojů. Pro kondenzátory použijte přesnou hodnotu. Dávejte pozor na polaritu elektrolytických kondenzátorů. Pokuste se udržet veškerý kondenzátor co nejblíže integrovanému obvodu, aby se minimalizoval šum. Přímé pájení IC bez použití IC báze. Ujistěte se, že jste prořízli stopy mezi oběma stranami integrovaného obvodu zesilovače. Všechny pájecí spoje by měly být dokonalé. Jedná se o obvod zesilovače zvuku, takže o pájecím spojení buďte profesionální, zejména o uzemnění (GND).

Krok 4: Testování obvodu s reproduktorem

Po dokončení veškerého připojení a pájení připojte dva 4 ohmové 2,5W reproduktory k obvodu zesilovače. Připojte zdroj zvuku k obvodu a zapněte jej. Pokud vše půjde dobře, budete mít zvuk bez šumu.

Pro zesílení zvuku jsem použil IC zesilovač zvuku TEA2025B. Je to pěkný čip zesilovače zvuku, který pracuje v širokém rozsahu napětí (3 V až 9 V). Můžete jej tedy vyzkoušet s jakýmkoli napětím v rozsahu. Používám 9V adaptér a funguje dobře. IC může pracovat v režimu duálního nebo mostového připojení. Další podrobnosti o čipu zesilovače naleznete v datovém listu.

Krok 5: Příprava předního panelu Dot Matrix

Pro vizualizaci zvukového signálu a zobrazení data a času jsem na přední stranu boxu zesilovače nastavil jehličkový displej. Abych práci zvládl pěkně, použil jsem rotační nástroj k oříznutí rámu podle velikosti matice. Pokud váš displej nemá integrovaný čip ovladače, použijte jej samostatně. Dávám přednost Bi-color matrix od Adafruit. Po výběru dokonalého maticového displeje upravte displej k základně horkým lepidlem.

Později jej připojíme k desce Arduino. Dvoubarevný displej od společnosti Adafruit používá ke komunikaci s mikrokontrolérem protokol i2c. Takže připojíme SCL a SDA pin IC ovladače k desce Arduino.

Krok 6: Programování pomocí Arduina

Připojte Adafruit Smart dvoubarevný jehličkový displej jako:

1. Připojte pin Arduino 5V k matici LED + pin.
2. Připojte pin GND Arduino jak k GND pinu mikrofonu, tak ke kolíku LED matice.
3. Můžete použít napájecí lištu nebo Arduino má k dispozici několik pinů GND. Připojte analogový pin Arduino 0 ke kolíku zvukového signálu.
4. Připojte piny Arduino SDA a SCL k kolíkům D (data) a C (hodiny) matice batohu.
5. Dřívější desky Arduino neobsahují piny SDA a SCL - místo toho použijte analogové piny 4 a 5.
6. Nahrajte připojený program a vyzkoušejte, zda funguje nebo ne:

Začněte stažením úložiště Piccolo z Githubu. Vyberte tlačítko „stáhnout ZIP“. Jakmile to bude hotové, rozbalte výsledný soubor ZIP na pevném disku. Uvnitř budou dvě složky: „Piccolo“by mělo být přesunuto do vaší obvyklé složky skicáře Arduino. „Ffft“by mělo být přesunuto do vaší složky „Knihovny“Arduino (uvnitř složky skicáře - pokud tam není, vytvořte si ji). Pokud nejste obeznámeni s instalací knihoven Arduino, postupujte podle tohoto tutoriálu. A nikdy neinstalujte do složky Library sousedící se samotnou aplikací Arduino … správné umístění je vždy podadresář vaší domovské složky! Pokud jste ještě nenainstalovali knihovnu Adafruit LED Backpack Library (pro použití matice LED), stáhněte si ji a nainstalujte Jakmile jsou složky a knihovny umístěny, restartujte Arduino IDE a skica „Piccolo“by měla být k dispozici v nabídce Soubor-> Skicář.

Když je skica Piccolo otevřená, vyberte v nabídce Nástroje typ desky Arduino a sériový port. Poté klikněte na tlačítko Nahrát. Pokud vše půjde dobře, po chvíli se zobrazí zpráva „Odesílání bylo dokončeno“. Pokud vše půjde dobře, uvidíte zvukové spektrum pro jakýkoli zvukový vstup.

Pokud váš systém funguje dobře, nahrajte náčrt Complete.ino připojený s krokem pro přidání binárních hodin se zvukovou vizualizací. U jakéhokoli zvukového vstupu reproduktor zobrazí zvukové spektrum, jinak zobrazí čas a datum.

Krok 7: Oprava všech věcí dohromady

Nyní připojte obvod zesilovače, který jste postavili v předchozí fázi, k krabici horkým lepidlem. Postupujte podle obrázků připojených k tomuto kroku.

Po připojení obvodu zesilovače nyní připojte modul přijímače MP3 + FM do krabice. Před upevněním lepidlem proveďte test, abyste se ujistili, že funguje. Pokud to funguje dobře, opravte to lepidlem. Zvukový výstup modulu MP3 by měl být spojen se vstupem obvodu zesilovače.

Krok 8: Interní připojení a konečný produkt

Pokud reproduktor přijímá a zvukový signál, ukazuje zvukové spektrum, jinak zobrazuje datum a čas v binárním formátu BCD. Pokud máte rádi programování a digitální technologie, jsem si jist, že máte rádi binární. Mám rád binární a binární hodiny. Dříve jsem vyráběl binární náramkové hodinky a časový formát je úplně stejný jako mé předchozí hodinky. Pro ilustraci formátu času jsem tedy přidal předchozí obrázek hodinek, aniž bych vytvořil další.

Děkuji.

Čtvrtá cena v Obvodové soutěži 2016

První cena v soutěži zesilovačů a reproduktorů 2016