Digitalno vodeni 18W kitarski ojačevalnik: 7 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Pred nekaj leti sem zgradil 5W kitarski ojačevalnik, ki je bil takrat nekakšna rešitev za moj avdio sistem, pred kratkim pa sem se odločil, da bom zgradil novega, veliko močnejšega in brez uporabe analognih komponent za uporabniški vmesnik, kot rotacijski potenciometri in stikala.

Digitalno vodeni 18-vatni kitarski ojačevalnik je samostojen, digitalno vodeni 18-vatni monokitarski ojačevalnik s sistemom za zakasnitev in elegantnim zaslonom s tekočimi kristali, ki zagotavlja natančne informacije o tem, kaj se dogaja v vezju.

Značilnosti projekta:

• Popolnoma digitalno krmiljenje: Vnos uporabniškega vmesnika je rotacijski dajalnik z vgrajenim stikalom.
• ATMEGA328P: Je mikrokrmilnik (uporablja se kot Arduino podoben sistem): Uporabnik programsko upravlja vse nastavljive parametre.
• LCD: deluje kot izhod uporabniškega vmesnika, zato je mogoče parametre naprave, kot so ojačanje/prostornina/globina zakasnitve/čas zakasnitve, opazovati v velikem približku.
• Digitalni potenciometri: Uporabljajo se v pod vezjih, zaradi česar je upravljanje naprave popolnoma digitalno.
• Kaskadni sistem: Vsako vezje v vnaprej določenem sistemu je ločen sistem, ki si deli samo napajalne vodi, ki lahko v primeru napak razmeroma enostavno odpravijo težave.
• Predojačevalnik: Na osnovi integriranega vezja LM386 z zelo preprosto shematsko zasnovo in minimalnimi zahtevami po delih.
• Vezje z učinkom zakasnitve: Temelji na integriranem vezju PT2399, ga je mogoče kupiti na eBayu kot ločeno vezje (celotno zakasnitveno vezje sem zasnoval sam) ali pa ga uporabiti kot celoten modul z možnostjo zamenjave rotacijskih potenciometrov z digipoti.
• Ojačevalnik moči: Temelji na modulu TDA2030, ki že vsebuje vsa obrobna vezja za njegovo delovanje.
• Napajanje: Naprava se napaja iz starega zunanjega 19-voltnega napajalnika za prenosni računalnik, zato naprava vsebuje znižani DC-DC modul kot pred regulator za LM7805, zaradi česar med porabo energije naprave odvaja veliko manj toplote.

Ko smo zajeli vse kratke informacije, jih zgradimo!

1. korak: Ideja

Kot lahko vidite na blokovnem diagramu, naprava deluje kot klasičen pristop k zasnovi kitarskega ojačevalnika z rahlimi spremembami v krmilnem vezju in uporabniškem vmesniku. Skupaj imamo tri skupine vezij, o katerih bomo razpravljali: analogno, digitalno in napajalno, kjer je vsaka skupina sestavljena iz ločenih podvezic (tema bo dobro razložena v nadaljnjih korakih). Da bi olajšali razumevanje strukture projekta, razložimo te skupine:

1. Analogni del: Analogna vezja se nahajajo v zgornji polovici blokovnega diagrama, kot je prikazano zgoraj. Ta del je zadolžen za vse signale, ki prehajajo skozi napravo.

Vtičnica 1/4 je mono vhod za kitaro naprave in se nahaja na meji med škatlo in spajkanim elektronskim vezjem.

Naslednja stopnja je predojačevalnik, ki temelji na integriranem vezju LM386, ki je izjemno enostaven za uporabo v tovrstnih zvočnih aplikacijah. LM386 se napaja 5 V DC iz glavnega napajalnika, kjer se njegovi parametri, ojačanje in glasnost nadzirajo prek digitalnih potenciometrov.

Tretja stopnja je ojačevalnik moči, ki temelji na integriranem vezju TDA2030, napaja ga zunanji 18 ~ 20V DC napajalnik. Pri tem projektu dobiček, ki je izbran na ojačevalniku moči, ostane konstanten ves čas delovanja. Ker naprava ni eno samo zavito tiskano vezje, je priporočljivo uporabiti sestavljen modul TDA2030A in ga pritrditi na prototipno ploščo s priključitvijo samo vhodno/izhodnih in napajalnih zatičev.

2. Digitalni del: Digitalna vezja se nahajajo v spodnji polovici blokovnega diagrama. Odgovorni so za uporabniški vmesnik in nadzor analognih parametrov, kot so čas/globina zakasnitve, glasnost in ojačanje.

Dajalnik z vgrajenim stikalom SPST je definiran kot vhod za nadzor uporabnika. Ker je sestavljen kot en sam del, je za pravilno delovanje potrebna le programska ali fizična pritrditev vlečnih uporov (to bomo videli v koraku sheme).

Mikroprocesor kot "glavni možgani" v vezju je ATMEGA328P, ki se v tej napravi uporablja v slogu podobnem Arduinu. To je naprava, ki ima vso digitalno moč nad vezjem in ukaže vse, kaj storiti. Programiranje poteka prek vmesnika SPI, zato lahko uporabimo kateri koli ustrezen programer USB ISP ali kupljeni odpravljalec napak AVR. V primeru, da želite uporabiti Arduino kot mikrokrmilnik v vezju, je to mogoče s sestavljanjem priložene kode C, ki je prisotna v koraku programiranja.

Digitalni potenciometri so dva dvojna integrirana vezja, ki jih preko SPI povezujejo mikrokontrolerji, skupaj s 4 potenciometri za popoln nadzor nad vsemi parametri:

LCD je izhod uporabniškega vmesnika, ki nam sporoča, kaj se dogaja v škatli. V tem projektu sem uporabil verjetno najbolj priljubljen 16x2 LCD med uporabniki Arduina.

3. Napajanje: Napajanje je zadolženo za dajanje energije (napetost in tok) celotnemu sistemu. Ker se vezje ojačevalnika napaja neposredno iz zunanjega adapterja za prenosni računalnik, vsa preostala vezja pa se napajajo iz 5 V enosmernega toka, je potreben zniževalni ali linearni regulator DC-DC. V primeru postavitve linearnega regulatorja 5V, ki ga poveže z zunanjim 20V, ko tok teče skozi linearni regulator do obremenitve, se ogromna količina toplote razprši na regulator 5V, tega ne želimo. Torej, med 20V linijskim in 5V linearnim regulatorjem (LM7805) je 8V DC-DC pretvornik, ki deluje kot predregulator. Taka pritrditev preprečuje velike izgube na linearnem regulatorju, ko tok obremenitve doseže visoke vrednosti.

2. korak: Deli in instrumenti

Elektronski deli:

1. Moduli:

• PT2399 - IC modul Echo / delay.
• LM2596-Nadomestni DC-DC modul
• TDA2030A - 18W modul za ojačevalnik moči
• 1602A - Pogosti LCD znaki 16x2.
• Rotacijski dajalnik z vgrajenim stikalom SPST.

2. Integrirana vezja:

• LM386 - Mono zvočni ojačevalnik.
• LM7805 - 5V Linearni regulator.
• MCP4261/MCP42100 - dvojni digitalni potenciometri 100KOhm
• ATMEGA328P - Mikrokrmilnik

3. Pasivne komponente:

A. Kondenzatorji:

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

B. Upori:

• 1 x 10R
• 4 x 10K

C. Potenciometer:

1 x 10K

(Izbirno) Če ne uporabljate modula PT2399 in ste zainteresirani za gradnjo vezja sami, so potrebni ti deli:

• PT2399
• 1 x 100K upor
• 2 x 4,7 uF kondenzator
• 2 x 3,9 nF kondenzator
• 2 x 15K upor
• 5 x 10K upor
• 1 x 3.7K upor
• 1 x 10uF kondenzator
• 1 x 10nF kondenzator
• 1 x 5.6K upor
• 2 x 560pF kondenzator
• 2 x 82nF kondenzator
• 2 x 100nF kondenzator
• 1 x 47uF kondenzator

4. Priključki:

• 1 x 1/4 "priključek za mono vtičnico
• 7 x dvojni priključni bloki
• 1 x ženski 6-polni vrstni priključek
• 3 x 4-pinski priključki JST
• 1 x moški priključek za napajanje

Mehanski deli:

• Zvočnik s sprejemljivo močjo enako ali večjo od 18 W
• Leseno ohišje
• Lesen okvir za izrez uporabniškega vmesnika (za LCD in rotacijski dajalnik).
• Penasta guma za področja zvočnikov in uporabniškega vmesnika
• 12 vrtalnih vijakov za dele
• 4 x pritrdilni vijaki in matice za okvir LCD
• 4 x gumijasta noga za enakomerna nihanja naprave (resonančni mehanski hrup je običajna stvar pri zasnovi ojačevalnika).
• Ročaj za rotacijski dajalnik

Instrumenti:

• Električni izvijač
• Pištola za vroče lepilo (po potrebi)
• (Izbirno) Laboratorijsko napajanje
• (Neobvezno) osciloskop
• (Izbirno) Generator funkcij
• Spajkalnik / postaja
• Majhen rezalnik
• Mali klešče
• Spajkalnik
• Pinceta
• Zavojna žica
• Vrtalniki
• Žaga majhne velikosti za rezanje lesa
• Nož
• Brusilna datoteka

3. korak: Pojasnilo shem

Ker poznamo blok diagram projekta, lahko nadaljujemo s shemami ob upoštevanju vseh stvari, ki jih moramo vedeti o delovanju vezja:

Vezje pred ojačevalnika: LM386 je povezan z minimalnimi deli, brez uporabe zunanjih pasivnih komponent. V primeru, da želite spremeniti frekvenčni odziv na vhod zvočnega signala, na primer povečanje nizkih tonov ali nadzor tona, se lahko obrnete na podatkovni list LM386, ki o tem ne bo vplival na shematski diagram te naprave, razen na rahle spremembe povezav pred ojačevalnikom. Ker za IC uporabljamo en sam 5V DC napajalnik, je treba izhodu IC dodati odklopni kondenzator (C5) za odstranitev signala z enosmernim tokom. Kot je razvidno, je signalni zatič priključka (J1) 1/4 "priključen na zatič" A "digipota, neinvertirni vhod LM386 pa je priključen na zatič" B ", tako da imamo preprosto delilnik napetosti, ki ga upravlja mikrokrmilnik preko vmesnika SPI.

Tokokrog zakasnitve / odmeva: To vezje temelji na IC z zakasnitvijo PT2399. Glede na podatkovni list se zdi to vezje zapleteno in zelo enostavno ga je zamenjati s spajkanjem. Priporočljivo je, da kupite celoten že sestavljen modul PT2399, edino, kar morate storiti, je, da iz modula odlepite vrtljive potenciometre in pritrdite digipot vodila (brisalnik, 'A' in 'B'). Uporabil sem sklic na podatkovni list pri oblikovanju odmevnih efektov, pri čemer so digipoti priloženi izbiri časovnega obdobja nihanj in glasnosti povratnega signala (kar bi morali imenovati - "globina"). Vhod zakasnitvenega tokokroga, imenovan linija DELAY_IN, je priključen na izhod vezja pred ojačevalnika. V shemah ni omenjen, ker sem želel omogočiti, da bi vsa vezja delila samo daljnovode, signalni vodi pa so povezani z zunanjimi kabli. "Kako ni priročno!", Si lahko mislite, a stvar je v tem, da je pri izgradnji analognega procesnega vezja veliko lažje odpraviti težave po posameznih vezjih v projektu. Priporočljivo je, da na 5V DC napajalni pin dodate obvodne kondenzatorje zaradi hrupnega območja.

Napajanje: Naprava se napaja prek zunanjega priključka za napajanje z 20V 2A AC/DC adapterjem. Ugotovil sem, da je najboljša rešitev za zmanjšanje velike količine izgube energije na linearnem regulatorju v obliki toplote, da dodam 8V DC-DC pretvornik (U10). LM2596 je pretvornik dolarjev, ki se uporablja v številnih aplikacijah in je priljubljen med uporabniki Arduina. Na eBayu stane manj kot 1 USD. Vemo, da ima linearni regulator padec napetosti na svoji prepustnosti (v primeru 7805 je teoretični približek okoli 2,5 V), zato je med vhodom in izhodom LM7805 varna reža 3 V. Ne priporočamo zanemarjanja linearnega regulatorja in priključitve lm2596 naravnost na napetost 5V zaradi preklopnega hrupa, ki lahko zaradi napetostnega valovanja vpliva na stabilnost napajanja tokokrogov.

Ojačevalnik moči: Preprosto je, kot se zdi. Ker sem v tem projektu uporabil modul TDA2030A, je edina zahteva priključitev napajalnih zatičev in V/I vodov ojačevalnika moči. Kot je bilo že omenjeno, je vhod ojačevalnika priključen na izhod zakasnitvenega tokokroga prek zunanjega kabla s priključki. Zvočnik, ki se uporablja v napravi, je prek namenskega priključnega bloka priključen na izhod ojačevalnika moči.

Digitalni potenciometri: Verjetno najpomembnejši sestavni deli celotne naprave, ki omogočajo digitalno upravljanje. Kot lahko vidite, obstajata dve vrsti digipotov: MCP42100 in MCP4261. Imajo isti pinout, vendar se razlikujejo v komunikaciji. Ko sem gradil ta projekt, imam na zalogi le dva zadnja digipota, zato sem uporabil kar sem imel, vendar priporočam uporabo dveh digipotov iste vrste, bodisi MCP42100 ali MCP4261. Vsak digipot nadzira vmesnik SPI, deljena ura (SCK) in zatiči za vnos podatkov (SDI). SPI krmilnik ATMEGA328P lahko upravlja več naprav tako, da poganja ločene zatiče (CS ali CE). Tako je zasnovan v tem projektu, kjer so zatiči za omogočanje čipov SPI povezani z ločenimi zatiči mikrokrmilnika. PT2399 in LM386 sta priključena na 5V napajanje, zato nam ni treba skrbeti zaradi nihanja napetosti na omrežju digipot uporov znotraj IC (to je v veliki meri zajeto v podatkovnem listu, v razdelku napetostnega nivoja na notranjih stikalnih uporih).

Mikrokrmilnik: Kot je bilo omenjeno, temelji na ATMEGA328P v slogu Arduino in potrebuje eno pasivno komponento-vlečni upor (R17) na ponastavitvenem zatiču. 6-polni konektor (J2) se uporablja za programiranje naprave prek programerja USB ISP prek vmesnika SPI (ja, isti vmesnik, na katerega so priključene digipote). Vsi zatiči so povezani z ustreznimi komponentami, ki so predstavljene na shematski shemi. Močno je priporočljivo dodati obvodne kondenzatorje v bližini 5V napajalnih zatičev. Kondenzatorji, ki jih vidite v bližini zatičkov dajalnika (C27, C28), se uporabljajo za preprečevanje odskoka stanja dajalnika na teh zatičih.

LCD: Zaslon s tekočimi kristali je klasično povezan s 4 -bitnim prenosom podatkov in dodatnima dvema zatičema za zaklepanje podatkov - Register register (RS) in Enable (E). LCD ima stalno svetlost in spremenljiv kontrast, ki ga je mogoče nastaviti z enim samim prirezovalnikom (R18).

Uporabniški vmesnik: Rotacijski dajalnik naprave ima vgrajen gumb SPST, kjer so vse njegove povezave vezane na opisane zatiče mikrokrmilnika. Priporočljivo je, da na vsak pin dajalnika: A, B in SW namestite notranji vlečni upor. Prepričajte se, da sta nožici dajalnika A in B priključeni na zunanje prekinitvene zatiče mikrokrmilnika: INT0 in INT1, da ustrezata kodi in zanesljivosti naprave pri uporabi komponente dajalnika.

Priključki JST in priključni bloki: Vsako analogno vezje: predpojačevalnik, zakasnitev in ojačevalnik moči so izolirani na spajkani plošči in so povezani s kabli med priključnimi bloki. Dajalnik in LCD sta pritrjena na kable JST in povezana s spajkano ploščo prek priključkov JST, kot je opisano zgoraj. Vhod za zunanji napajalnik in 1/4 mono priključek za kitaro sta priključena preko priključnih blokov.

4. korak: Spajkanje

Po kratki pripravi si je treba zamisliti natančno namestitev vseh komponent na ploščo. Postopek spajkanja je bolje začeti s predpojačevalnikom in zaključiti z vsem digitalnim vezjem.

Tukaj je opis po korakih:

1. Tokokrog predpojačevalnika za spajkanje. Preverite njegove povezave. Prepričajte se, da so zemeljske črte skupne na vseh ustreznih linijah.

2. Spajkajte modul PT2399/IC z vsem perifernim vezjem, v skladu s shematskim diagramom. Ker sem spajkal celotno zakasnitveno vezje, lahko vidite, da obstaja veliko skupnih linij, ki jih je mogoče enostavno spajkati glede na vsako funkcijo zatiča PT2399. Če imate modul PT2399, potem samo odlepite vrtljive potenciometre in spajkajte mrežne niti digitalnega potenciometra na te sproščene zatiče.

3. Spajkajte modul TDA2030A, preverite, ali je izhodni priključek zvočnika usmerjen zunaj plošče.

4. Napajalni tokokrog spajkanja. Obvodne kondenzatorje postavite v skladu s shemo.

5. Vezje mikrokrmilnika za spajkanje s priključkom za programiranje. Poskusite ga programirati in se prepričajte, da pri tem ne uspe.

6. Spajkalni digitalni potenciometri

7. Spajkajte vse priključke JST na območjih glede na vsako linijsko povezavo.

8. Vklopite ploščo, če imate funkcijski generator in osciloskop, korak za korakom preverite odziv vsakega analognega vezja na vhodni signal (priporočeno: 200mVpp, 1KHz).

9. Ločeno preverite odziv vezja na ojačevalniku moči in zakasnitveni tokokrog/modul.

10. Priključite zvočnik na izhod ojačevalnika moči in generator signala na vhod, preverite, ali slišite ton.

11. Če so vsi testi, ki smo jih izvedli, uspešni, lahko nadaljujemo na korak montaže.

5. korak: Montaža

Verjetno je to najtežji del projekta s stališča tehničnega pristopa, razen če je v vaši zalogi nekaj uporabnih orodij za rezanje lesa. Imel sem zelo omejen nabor instrumentov, zato sem bil prisiljen iti na težjo pot - ročno razrezati škatlo z brusilno datoteko. Poglejmo bistvene korake:

1. Priprava škatle:

1.1 Prepričajte se, da imate leseno ohišje ustreznih dimenzij za zvočnik in elektronsko ploščo.

1.2 Izrežite območje zvočnika, močno priporočamo, da na izrezano območje zvočnika pritrdite okvir iz penaste gume, da preprečite resonančne vibracije.

1.3 Izrežite ločen leseni okvir za uporabniški vmesnik (LCD in kodirnik). Odrežite ustrezno območje za LCD, pazite, da smer LCD ni obrnjena glede na pogled spredaj. Ko je to končano, izvrtajte luknjo za rotacijski dajalnik. Pritrdite 4 vrtalne vijake LCD in vrtljivi dajalnik z ustrezno kovinsko matico.

1.4 Penasto gumo postavite na leseni okvir uporabniškega vmesnika po celotnem obodu. To bo pomagalo preprečiti tudi odmevne zapiske.

1.5 Poiščite, kje bo elektronska plošča, in nato izvrtajte 4 luknje na lesenem ohišju

1.6 Pripravite stran, na kateri bosta vhodna vtičnica za zunanje napajanje z enosmernim tokom in 1/4 vhod za kitaro, izvrtajte dve luknji z ustreznimi premeri. Prepričajte se, da imata ta priključka isti pinout kot elektronska plošča (tj. Polarnost). Po tem, spajkajte dva para žic za vsak vhod.

2. Povezovanje delov:

2.1 Zvočnik pritrdite na izbrano območje in se prepričajte, da sta dve žici priključeni na zatiče zvočnikov s 4 vrtalnimi vijaki.

2.2 Ploščo uporabniškega vmesnika pritrdite na izbrano stran ohišja. Ne pozabite na penasto gumo.

2.3 Povežite vsa vezja skupaj s sponkami

2.4 Priključite LCD in dajalnik na ploščo prek priključkov JST.

2.5 Priključite zvočnik na izhod modula TDA2030A.

2.6 Vhod za napajanje in kitaro priključite na priključne plošče plošče.

2.7 Ploščo položite na mesto izvrtanih lukenj, pritrdite ploščo s štirimi vrtalnimi vijaki zunaj lesenega ohišja.

2.8 Vse lesene dele ohišja pritrdite skupaj, da bodo videti kot trdna škatla.

6. korak: Programiranje in koda

Koda naprave je v skladu s pravili družine mikrokrmilnikov AVR in je v skladu z ATMEGA328P MCU. Koda je napisana v studiu Atmel, vendar obstaja možnost programiranja plošče Arduino z Arduino IDE, ki ima isti ATMEGA328P MCU. Samostojni mikrokrmilnik lahko programirate prek USB-ja za odpravljanje napak v skladu z Atmel Studio ali prek programerja USP ISP, ki ga lahko kupite pri eBayu. Običajno uporabljena programska oprema za programiranje je AVRdude, vendar imam raje ProgISP - preprosto programsko opremo za programiranje ponudnikov internetnih storitev USB z zelo prijaznim uporabniškim vmesnikom.

Vsa potrebna pojasnila o kodi najdete v priloženi datoteki Amplifice.c.

Priloženo datoteko Amplifice.hex lahko naložite neposredno v napravo, če popolnoma ustreza shematičnemu diagramu, ki smo ga prej opazovali.

7. korak: Testiranje

No, potem ko je narejeno vse, kar smo želeli, je čas za testiranje. Raje sem preizkusil napravo s svojo starodavno poceni kitaro in preprostim pasivnim vezjem za nadzor tonov, ki sem ga zgradil pred leti brez razloga. Naprava je testirana tudi z digitalnim in analognim procesorjem učinkov. Ni presenetljivo, da ima PT2399 tako majhen RAM za shranjevanje zvočnih vzorcev, ki se uporabljajo v zapoznelih zaporedjih, ko je čas med vzorci odmeva prevelik, odmev postane digitaliziran z veliko izgubo prehodnih bitov, kar velja za popačenje signala. Toda to "digitalno" popačenje, ki ga slišimo, je lahko koristno kot pozitiven stranski učinek delovanja naprave. Vse je odvisno od aplikacije, ki jo želite narediti s to napravo (ki sem jo nekako mimogrede poimenoval "Amplifice V1.0").

Upam, da vam bo ta pouk koristen.

Hvala za branje!