Sestavte čtyřkanálový mikrofonní předzesilovač SSM2019 s fantomovým napájením: 9 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Jak jste si mohli všimnout z některých mých dalších Instructables, mám vášeň pro zvuk. Jsem také kutil, který se vrací zpět. Když jsem k rozšíření svého audio rozhraní USB potřeboval další čtyři kanály mikrofonních předzesilovačů, věděl jsem, že jde o kutilský projekt.

Před několika lety jsem si koupil audio rozhraní Focusrite USB. Má čtyři mikrofonní předzesilovače a čtyřřádkové vstupy spolu s některými digitálními vstupy. Je to skvělý kus hardwaru a splnil mé potřeby. To bylo do té doby, než jsem postavil hromadu mikrofonů. Takže jsem se rozhodl tento rozpor vyřešit. Zrodil se tedy čtyřkanálový mikrofonní předzesilovač SSM2019!

Pro tento projekt jsem měl několik návrhových cílů.

Bylo by to co nejjednodušší a použít minimum komponent

Mělo by to fantomové napájení, které by mi umožnilo používat všechny mikrofony Pimped Alice, které jsem postavil

Mělo by to vstup s vysokou impedancí (Hi-Z) na každém kanálu pro piezoelektrické snímače, můj budoucí projekt. To by bylo snadné doplnit, kdyby pouzdro a napájecí zdroj byly již součástí hlavního projektu

Mělo by profesionální zvukové specifikace: čisté, nízké zkreslení a nízký šum. Dobrý nebo lepší než stávající předzesilovače v mém rozhraní Focusrite

Krok 1: Design

Začal jsem studovat to, co už tam bylo. Jsem velmi dobře obeznámen s analogovým designem a podíval jsem se na SSM2019, protože předtím používal jeho staršího bratrance, nyní zastaralý SSM2017. SSM2019 je k dispozici v 8pólovém DIP balíčku, což znamená, že jej lze snadno naložit na chleba. Narazil jsem na fantastické informace o designu mikrofonního předzesilovače od společnosti That Corp. (Viz referenční část) Bohužel všechny jejich specifické čipy předzesilovače jsou malé balíčky pro povrchovou montáž. A specifikace jsou jen o málo lepší než SSM2019. Tleskám jim za sdílení znalostí a informace o designu. Specifikace na SSM2019 jsou fantastické a jako většina zvukových operačních zesilovačů v dnešní době budou výkonově převyšovat zbytek signálního řetězce. Použil jsem dva stupně pevného zisku s potenciometrem umožňujícím úpravu signálu mezi nimi. Díky tomu je design jednoduchý a eliminuje potřebu náročného shánění dílů; jako jsou potenciometry antilog a vícekontaktní spínače s jedinečnými hodnotami odporu. Také udržuje hluk THD + hluboko pod 0,01%

Během procesu navrhování jsem měl zjevení o fantomové energii. Většina lidí si myslí, že 48 voltů je „standard“. To sahá daleko zpět a bylo důležité, když bylo napětí fantomového napájení použito k předpětí kapsle kondenzátorových mikrofonů. V současné době většina kondenzátorových mikrofonů využívá fantomové napájení k vytvoření stabilního zdroje s nižším napětím. Interně používají Zener ke generování 6-12VDC. Toto napětí se používá k chodu vnitřní elektroniky a ke generování vyššího napětí k polarizaci kapsle. To je vlastně nejlepší způsob, jak to udělat. Získáte pěkné stabilní napětí kapsle, které může být v případě potřeby vyšší než 48 V. Specifikace fantomového napájení pro mikrofony vyzařuje 48 V, 24 V a 12 V. Každý používá jiné hodnoty vazebních odporů. 48 V používá 6,81 K, 24 V s 1,2 K a 12V používá 680 Ohm. V podstatě je k získání určitého množství energie do mikrofonu zapotřebí fantomové napájení. Moje zjevení bylo toto: Napětí musí být dostatečně vysoké, aby fungoval interní 12V Zener. Pokud jsem použil +15 V k dispozici v mém projektu a příslušnou hodnotu spojovacího odporu, mělo by to fungovat dobře. To ve skutečnosti řeší další dva problémy. Za prvé není potřeba samostatný napájecí zdroj pouze pro fantomové napájení. Za druhé, a pro můj design je důležitější jednoduchost. Udržováním fantomového napájecího napětí na napájecím napětí SSM2019 nebo nižším eliminujeme mnoho dalších obvodů, které jsou potřebné k ochraně. Kluci z That Corp představili na AES dva příspěvky s názvem „The Phantom Menace“a „The 48V Phantom Menace Returns“. Ty se konkrétně zabývají výzvami s kondenzátorem 47-100uF nabitým na 48V v obvodu. Náhodné zkratování může způsobit mnoho problémů. Energie uložená v kondenzátoru je funkcí napětí na druhou, takže pouhým přechodem z 48 V na 15 V snížíme uloženou energii o faktor 10. Rovněž zabráníme napětí nad napájecím napětím na kterémkoli ze vstupních pinů signálu SSM2019. Přečtěte si příručku k návrhu That Corps, kde najdete příklady toho, co je potřeba k vytvoření neprůstřelného předzesilovače.

Abych byl transparentní, zahájil jsem tento projekt v domnění, že budu používat fantomové napájení 24 V DC, a pak v rámci řešení potíží s napájecím zdrojem přišel s nápadem použít již dostupných 15 +15. Zpočátku jsem vložil napájecí zdroj do skříně předzesilovače. To způsobilo několik problémů s bzučením a bzučením. Skončil jsem s velkou částí napájení v externím pouzdře jen s regulátory napětí ve skříni. Konečným výsledkem je velmi tichý předzesilovač, který je na stejné úrovni, ne -li lepší než interní v mém rozhraní Focusrite. Designový cíl č. 4 dosažen!

Podívejme se na obvod a uvidíme, co se děje. Blok SSM2019 v modrém obdélníku je hlavní obvod. Dva odpory 820 ohmů se spojují ve fantomovém napájení ze světle zelené oblasti, kde přepínací spínač platí +15 ke kondenzátoru 47uF přes odpor 47 ohmů. Oba odpory 820 Ohm jsou na straně „+“47UF vazebních kondenzátorů, které přivádějí signál mikrofonu. Na druhé straně spojovacích kondenzátorů jsou dva odpory 2,2 K, které spojují druhou stranu kondenzátorů se zemí a udržují vstupy do SSM2019 na zemním potenciálu DC. Datový list ukazuje 10K, ale uvádí, že by měly být co nejnižší, aby se minimalizoval hluk. Vybral jsem 2,2 K, abych byl nižší, ale nijak výrazně neovlivnil vstupní impedanci celého obvodu. Rezistor 330 Ohm nastavuje zisk SSM2019 na +30 dB. Vybral jsem tuto hodnotu, protože poskytuje minimální zisk, který bych potřeboval. S tímto ziskem a +/- 15V napájecích lišt by neměl být problém. Kondenzátor 200 pf přes vstupní kolíky slouží k ochraně EMI/RF pro SSM2019. Toto je přímo z listu ochrany RF. Na konektoru XLR jsou také dva kondenzátory 470pf pro ochranu RF. Na straně vstupu signálu máme přepínač DPDT, který funguje jako přepínač fáze. Chtěl jsem být schopen používat piezoelektrický snímač na kytaru (nebo jiné akustické nástroje) a současně používat mikrofon. V případě potřeby to umožňuje fázové obrácení mikrofonu. Pokud by tomu tak nebylo, odstranil bych to, protože většina nahrávacích programů vám umožňuje převrátit nahrávání po fázi. Výstup SSM2019 jde do 10K potenciometru pro nastavení úrovně do další fáze.

Nyní na stranu s vysokou impedancí. V červeném obdélníku máme klasický neinvertující buffer založený na jedné sekci duálního operačního zesilovače OPA2134. Toto je můj oblíbený operační zesilovač pro zvuk. Velmi nízký šum a zkreslení. Podobně jako SSM2019 to nebude nejslabší článek signálního řetězce. Kondenzátor 0,01uF spojuje signál ze vstupního konektoru ¼”. 1M odpor poskytoval referenci na zem. Je zajímavé, že šum 1M rezistoru je slyšet otočením úrovně vysokého vstupu Z úplně nahoru. Když je však připojen piezo snímač, kapacita piezo snímače je tvořena RC filtrem s 1M odporem. To snižuje hluk (a to není špatné). Z výstupu operačního zesilovače přejdeme na 10K potenciometr pro konečné nastavení úrovně.

Poslední část obvodu je zesilovač sčítání stupně konečného zisku postavený kolem druhé části operačního zesilovače OPA2134. Viz zelený obdélník na obrázcích. Jedná se o invertující stupeň se ziskem nastaveným poměrem odporu 22K a odporu 2,2K, což nám dává zisk 10 nebo +20 dB. Kondenzátor 47pf přes 22K odpor slouží k zajištění stability a RF ochrany. 10K potenciometry jsou lineární. To znamená, že když se stěrač pohybuje v rozsahu otáčení, odpor od počátečního bodu se mění lineárně se změnou otáčení. Uprostřed získáte 5K za oba konce. Slyšíme však jinak. Slyšíme logaritmicky. Proto se k měření hladin zvuku používají decibely (dB). Použitím 10K lineárního potenciometru napájejícího 2,2K odpor, dosáhneme změny úrovně, která zní mnohem přirozeněji. Operační zesilovač udržuje invertující vstup na virtuální zemi. U střídavých signálů je odpor 2,2K svázán s virtuální zemí. Poloviční bod otáčení je asi -12 dB útlum, přičemž poslední osmina otáčení má rozdíl pouze 1,2 dB. To je mnohem hladší než mnoho jiných předzesilovačů, kde pot mění zisk předzesilovače. Funguje to lépe než předzesilovače, které mají potenciometr pro nastavení zisku. Poslední bit zvýšení obvykle způsobí rychlý náraz v konečném zisku a trochu znatelný hluk. Focusrite reaguje tímto způsobem. Moje ne. Signál je spojen z operačního zesilovače přes odpor 47 Ohm. To chrání operační zesilovač a udržuje jej stabilní při jízdě dlouhého kabelu, pokud byste to museli udělat. Jedna poslední věc pro dva IC čipy. Jedná se o zařízení s vysokou šířkou pásma a vysokým ziskem. Musí mít dobrý obtok napájecího zdroje s kondenzátory.1uF namontovanými v blízkosti napájecích kolíků. To zabraňuje tomu, aby se děly divné věci, a udržuje je pěkné a stabilní.

Když to všechno shrneme, existují dva stupně pevného zisku, 30 dB a 20 dB pro celkový zisk 50 dB. Úprava úrovně se provádí změnou úrovně signálu mezi dvěma stupni zisku. Na každém kanálu je také k dispozici vstup s vysokou impedancí, který je ideální pro piezo snímače a další nástroje (kytara a basa), které před nahráváním potřebují trochu upravit úroveň. Vše s velmi nízkým zkreslením a šumem. Fantomové napájení je 15 V DC, které by mělo fungovat s většinou moderních kondenzátorových mikrofonů. Jednou výraznou výjimkou je Neumann U87 Ai. Ten mikrofon je moje hrdost a radost. Interně má 33V Zener pro přechodné napájení. Pro mě to není tak problém, protože můj Focusrite má 48V fantomové napájení. Zbytek mé práce je v pořádku.

Napájení:

Napájecí zdroj je klasického designu ze staré školy. Používá transformátor se středovým závitem, můstkový usměrňovač a dva velké filtrační kondenzátory. Transformátor je napojen na střed 24VAC. To znamená, že můžeme uzemnit středový kohout a získat 12VAC z každé nohy. Počkejte- nepoužíváme +/- 15VDC? Jak to funguje? Dějí se dvě věci: Nejprve je 12VAC hodnota RMS. Pro sinusovou vlnu je špičkové napětí 1,4krát vyšší (technicky druhá odmocnina ze dvou), takže poskytuje vrchol 17 voltů. Za druhé je transformátor dimenzován na napájení 12 V AC při plném zatížení. To znamená, že při mírném zatížení (a tento obvod nevyužívá mnoho energie) máme ještě vyšší napětí. To vše má za následek, že napěťovým usměrňovačům je k dispozici přibližně 18 V DC. Používáme lineární regulátory napětí 7815 a 7915 a vybral jsem ty z National Japan Radio, které jsou plastové. To znamená, že při jejich montáži nepotřebujete mezi regulátorem a pouzdrem izolátor. Zpočátku jsem postavil napájecí zdroj interně do pouzdra mikrofonního předzesilovače. To nefungovalo příliš dobře, protože jsem měl hukot a bzučení, vše souviselo s tím, jak blízko byl můj transformátor k vnitřnímu zapojení mikrofonu. Nakonec jsem transformátor, usměrňovač a velké víčka filtrů dal do samostatné krabice. Použil jsem 4 koncový XLR konektor, který jsem měl v přihrádce na součásti, aby se neregulované DC dostalo do hlavního pouzdra, kde jsou regulátory namontovány blízko hlavní desky s obvody. Jak již bylo zmíněno dříve, původně jsem používal 24VDC pro fantomové napájení a nakonec jsem to neudělal, čímž jsem zjednodušil svůj obvod a zbavil se 24V regulátoru (a transformátoru vyššího napětí!)

Krok 2: Konstrukce: případ

Pouzdro:

Pokud jste si ještě nevšimli, moje schéma lakování a značení jsou docela funky. Moje dítě dělalo školní projekt a měli jsme k dispozici tři barvy ve spreji, takže jsem z rozmaru použil všechny tři. Pak mě napadlo jen ručně malovat popisky žlutým smaltem a malým štětcem. Prakticky jediný na světě, který vypadá takto! Můj případ jsem dostal od Tanner Electronics v Dallasu, přebytečném obchodě. Našel jsem to online v Mouseru a na dalších místech. Je to Hammond P/N 1456PL3. Možná to budete chtít označit a namalovat jinak, to je na vás!

Krok 3: Konstrukce: obvodová deska

PC deska:

Obvod jsem postavil na prototypovém prkénku. Nejprve se vybudoval jeden kanál, aby se zajistilo, že design funguje podle očekávání. Poté postavil další tři kanály. Rozložení viz fotografie 1 a 2. Moje OPA2134 jsou od společnosti Burr Brown, kterou společnost TI získala v roce 2000. Koupil jsem jich za den 100 a stále jich mám několik. Všimněte si obtokových krytů.1uF, které jsou namontovány na spodní straně desky. Ty jsou důležité pro stabilitu IC čipů.

Krok 4: Konstrukce: Konektory a ovládací prvky na předním panelu:

Konektory a ovládací prvky na předním panelu:

V závislosti na výběru vašeho případu se vaše rozložení může lišit. Použil jsem ¼”konektory pro montáž na panel Switchcraft, které spojí přední panel se zemí. Chcete-li minimalizovat zemní smyčky, připojte k přednímu panelu uzemnění konektoru XLR (Pin-1) s nejkratší možnou délkou. Pro své rozvržení jsem je připojil k zemnicímu vodiči vstupních konektorů „Hi Z“. Přepojil jsem přepínače fázové reverze křížovým propojením dvou vnějších připojení přepínače Double Pole Double Throw (DPDT). Poté vstup mikrofonu z XLR půjde do středových vodičů a jednoho z vnějších připojení k desce s obvody. Tímto způsobem se při změně polohy spínače fáze obrátí. Před montáží konektorů XLR pájejte dva kondenzátory 470 pf pro stínění RF/EMI. Díky tomu to bude později mnohem jednodušší! Namontujte potenciometry na přední panel. Použil jsem malý štítek nebo jiný popisovač na věci na vnitřním panelu, abych později pomohl s připojením. A abych si připomněl, který výstupek potenciometrů by měl být připojen k zemi. Poté spojte všechny uzemňovací hrnce dohromady pomocí běžného neizolovaného holého vodiče. Později toto spojení poběží na společný pozemní bod.

Krok 5: Konstrukce: Vnitřní zapojení

Interní připojení:

U signálních vodičů mikrofonu jsem stočil 22 vodičů k sobě a připojil vstupní XLR konektory k přepínačům fázového výběru. Jejich zkroucení minimalizuje jakékoli bloudivé EMI a RF. Teoreticky bychom neměli mít žádné kovové pouzdro, protože vše v tomto projektu je čistě analogový obvod. O fázi si zatím nedělejte starosti. Buďte konzistentní v tom, jak jsou všechny kanály zapojeny. Při testování zjistíme, která poloha přepínače bude „normální“a která naopak.

Pro zbytek zvukových kabelů jsem použil stínění s jedním vodičem a stínění jsem připojil k zemi pouze na jednom konci. To udržuje naše signály stíněné a zabraňuje zemním smyčkám. Měl jsem svitek stíněného drátu typu „E“o rozměru 26, který jsem již před dlouhou dobou získal ze Skycraft v Orlandu. Existují prodejci, kteří jej prodávají online, nebo můžete použít jiný stíněný jeden vodič. Pro každé připojení jsem připravil jeho délku tak, aby na jednom konci byl odhalený štít a na druhém jen středový vodič. Na štít na nespojeném konci jsem dal nějaké smršťování, abych ho izoloval. Viz fotky. Pracujte metodicky a propojujte jednu věc najednou. Poté jsem každou skupinu čtyř drátů spojil dohromady, aby byly věci co nejčistší.

Krok 6: Konstrukce: Napájení

Zdroj napájení:

Dodávku jsem postavil v menším projektovém boxu. K zabezpečení a splnění kódu musíte udělat JEDNU věc. Na primárním transformátoru musíte mít pojistku. Použil jsem in-line držák pojistek s pojistkou ¼ amp. To bude foukat, pokud transformátor čerpá více než 25 W, což by nemělo. Celá tato věc využívá maximálně 2W se čtyřmi připojenými mikrofony.

Regulátory napětí:

Před montáží na panel připravte regulátory napětí pájením na dva filtrační kondenzátory, 10uF pro vstup a.1uF na výstup. Také jsem k nim připojil vstupní dráty, abych později zamezil záměně. Pamatujte: 7815 a 7915 jsou zapojeny odlišně. Číslování pinů a připojení najdete v listech. Poté, co je vše připojeno, je čas provést všechna interní připojení.

Napájení a uzemnění:

Pro připojení napájecích vodičů DC k desce s obvody jsem použil barevně kódovaný vodič. Všechna zemní spojení běží zpět do jednoho bodu připojení v projektové skříni. Toto je typické schéma uzemnění „hvězda“. Protože jsem již interně vybudoval napájecí zdroj. V pouzdru jsem měl ještě dva velké filtrační kondenzátory. Ty jsem si nechal a použil je pro příchozí stejnosměrné napájení. Už jsem měl vypínač v pouzdře (DPDT) a použil jsem ho k přepnutí +/- neregulovaného stejnosměrného napájení na regulátory. Přímo jsem připojil zemnící vodič.

Jakmile jsou všechna připojení hotová, udělejte si přestávku a vraťte se později, abyste vše zkontrolovali! Toto je nejdůležitější krok.

Doporučuji, abyste před připojením k desce s plošnými spoji vyzkoušeli napájecí zdroj a ujistili se, že polarity jsou správné a máte z regulátorů +15VDC a -15VDC. Na svůj panel jsem namontoval dvě LED diody, abych ukázal, že je tam napájení. Nemusíte to dělat, ale je to pěkný doplněk. Budete potřebovat odpor omezující proud v sérii s každou LED. 680 ohmů až 1 kB bude fungovat dobře.

Krok 7: Konstrukce: propojovací kabely

Propojovací kabely:

Tato část by mohla být samostatným Instructable. Aby to bylo použitelné, musíte připojit všechny čtyři kanály k linkovým vstupům rozhraní Focusrite. Mám v plánu je mít těsně vedle sebe, takže jsem potřeboval čtyři krátké propojovací kabely. Našel jsem nějaký skvělý jednožilový kabel, který byl u Redca robustní a nebyl drahý. Mají také dobré ¼”konektory. Kabel má vnější měděné pletené stínění a vodivý plastový vnitřní štít. To je třeba při výrobě propojovacích kabelů odstranit. Podívejte se na sekvenci fotografií pro můj způsob montáže kabelu. Rád vezmu štít, omotám jej kolem uzemnění konektoru ¼”a poté jej pájím. Díky tomu je kabel docela robustní. Přestože byste měli vždy odpojit propojovací kabel držením konektoru, někdy dojde k nehodě. Tato metoda pomáhá.

Krok 8: Testování a používání

Testování a použití:

První věc, kterou musíme udělat, je určit polaritu fázových spínačů. K tomu budete potřebovat dva identické mikrofony. Což předpokládám máte, jinak byste nepotřebovali čtyřkanálový předzesilovač! Připojte jeden ke vstupu mikrofonního předzesilovače Focusrite a druhý ke kanálu jednoho ze čtyřkanálových mikrofonních předzesilovačů. Posuňte oba do středu. Držte mikrofony blízko sebe a mluvte, zpívejte nebo hučte a přitom pohybujte ústy kolem dvou mikrofonů. S touto částí opravdu pomáhají sluchátka. Pokud jsou mikrofony ve vzájemné fázi, neměli byste slyšet nulu nebo pokles. Přepněte fázi mikrofonu a opakujte. Pokud jsou mimo fázi, uslyšíte nulu nebo pokles úrovně. Měli byste být schopni opravdu rychle říci, která pozice je ve fázi a mimo fázi.

Všiml jsem si, že s úrovní potu zhruba v polovině cesty získávám nominální zisk pro své mikrofony a to odpovídá zhruba tomu, kde jsem normálně nastavil knoflík zesílení předzesilovače Focusrite na přibližně 1–2 hodiny. Zajímavé je, že specifikace Focusrite dosahuje zisku až 50 dB. Když to mám otočené úplně nahoru (bez připojeného mikrofonu), lehce zasyčím. Je jen o něco hlasitější než můj předzesilovač založený na SSM2019. Nemám k dispozici propracované testovací zařízení. Mám však mnoho zkušeností jak ve studiu, tak v živém zvuku, a tento předzesilovač je špičkový.

Pro vstupy Hi-Z jsem připájel Piezo Disc na 1/4 jack a ověřil, že vše funguje a rozsah zisku je správný. Mám v plánu to v blízké budoucnosti vyzkoušet na akustické kytaře.

Jsem nadšený, že mám k dispozici celých osm kanálů mikrofonních vstupů pro nahrávání. Mám několik mikrofonů MS a 8 svých mikrofonů Pimped Alice. To mi umožní experimentovat s různým umístěním mikrofonu současně. Otevírá to také dveře projektu, který jsem už dlouho chtěl vyzkoušet - mikrofonu Ambisonic. Jedna se čtyřmi interními kapslemi určenými k zachycení prostorového zvuku a vícesměrného zvuku.

Zůstaňte naladěni na několik dalších pokynů k mikrofonu!

Krok 9: Reference

Toto je velké množství informací pro analogový zvuk, design mikrofonního předzesilovače a správné uzemnění pro zvukové obvody.

Reference:

Datový list SSM2019

Datový list OPA2134

Wikipedie Phantom Power

Tato společnost „Fantomová hrozba“

Analogová tajemství společnosti Corp, vaše matka vám nikdy neřekla

Že Corp Více analogových tajemství Vaše matka vám nikdy neřekla

To Corp navrhuje mikrofonní předzesilovače

Uzemnění zvuku Whitlock, Whitlock

Rane „note 151“: Uzemnění a stínění