Изравнен усилвател за слушалки за хора с увреден слух: 10 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:49

Моите нужди

Преди няколко месеца бях снабден със слухови апарати, за да компенсирам загубата на чувствителност към високи честоти, причинявайки заглушаване на звуците и затруднение при разграничаването на сибилантите (например "S" и "F"). Но помощните средства не дават никаква полза при използване на слушалки, тъй като микрофоните са зад ухото. След като експериментирах с индукционна врата и директен вход към слуховите си апарати (нито едното от тях не даде задоволителни резултати), ми хрумна идеята за усилвател за слушалки с регулируема честотна характеристика, проектирана да съответства на тази на слуховите ми апарати.

Ако имате някакво друго изискване за изравняване, тогава този проект може лесно да бъде адаптиран. Той осигурява тласък (или изрязване, с тривиална модификация) при 3 централни честоти. Тя обаче може да бъде разширена до повече честотни ленти.

Резултатът

Това, с което се озовах, беше чиста малка квадратна кутия от 6 см с 3.5 мм жак и Bluetooth входове и 3.5 мм жак за слушалки. Намерих подобрението в слушането на музика за грандиозно и голямо подобрение на речта.

Какво ще ви даде тази инструкция

Позволете ми да заявя в началото, това не е проект за начинаещи. Ще ви трябва разумно ниво на умения за запояване и ако искате да го промените (както може и добре), ще трябва да научите Eagle за оформлението на дъската и TinkerCAD за 3D отпечатаната кутия. И двете ми отнеха малко време за усвояване, но нито едното не беше трудно. Очаквам хората да научат нещо от моите Instructables (освен ако вече не знаете повече от мен), а не просто да следват сляпо инструкциите.

Ако никога не сте запоявали компоненти за повърхностен монтаж, не се отлагайте - не е толкова трудно, колкото си мислите. Вижте това ръководство за въведение.

Това, което ще получите от този проект, е:

• Дизайнерски файлове на Eagle (схематично и оформление на дъската)
• Електронна таблица на Excel, въплъщаваща уравненията на дизайна, която ви позволява да персонализирате изравняването според вашите нужди
• Дизайнът на TinkerCAD за 3D печатната кутия.

Тъй като минималната поръчка за персонализираната печатна платка беше 5 броя, имам 3 голи платки, които са резервни (едната е продадена). Те вече се продават в eBay - вижте

Стъпка 1: Процесът на проектиране: Изисквания и стратегия

Когато започнах да мисля за този проект, един от първите въпроси в съзнанието ми беше дали да използвам аналогови или цифрови филтри. В нишка във форума All About Circuits Кийт Уокър ме предупреди за много евтин (аналогов) графичен еквалайзер от Далечния Изток (илюстриран по -горе), който беше използвал за решаване на същия проблем. Затова поръчах такъв като доказателство за концепцията.

Той работеше добре, но беше твърде обемист за преносима употреба и се нуждаеше както от положителни, така и от отрицателни релси за захранване, допълнително неудобство. Но той потвърди подхода и вида на филтърните схеми, които да се използват.

Прецизирах изискванията си към следното:

• Той трябва да бъде компактен, преносим и захранван от акумулаторна батерия.
• Той трябва да приема вход от 3,5 мм жак или Bluetooth.
• Трябва да има отделни леви и десни стерео канали.

Използвал съм конвенционални компоненти през отвори и 0,3 DIL интегрални схеми на лента в много предишни проекти, но това би го направило твърде обемисто. Затова реших, че ще трябва да проектирам персонализирана печатна платка (ново изживяване за мен), използвайки повърхност компоненти за монтиране (от които имам известен опит). Също така ще трябва да проектирам кутия с 3D печат (опитът ми за 3D дизайн беше много ограничен).

Възможност за Bluetooth би било лесно да се добави с помощта на някой от различните евтини Bluetooth модули, които са налични.

Има 2 или 3 специализирани интегрални схеми за еквалайзер, които разгледах, но използването на евтини четириядрени операционни усилватели в крайна сметка изглеждаше по -просто и изискваше само толкова много външни компоненти.

Стъпка 2: Подробен дизайн

Основният елемент на веригата, който използвах, е известен като жирач. Той използва операционен усилвател, за да превърне капситора във виртуален индуктор. Този и още един кондензатор създават настроена циркулация, осигуряваща или изрязване, или усилване в определен диапазон от честоти. Много дизайни на графичен еквалайзер използват практически идентичен дизайн и няма смисъл да се отклонявате от него. Те са илюстрирани от това от Electronics Today International, септември 1977 г. стр. 27. Тази статия обяснява много ясно как работи схемата.

Промених го само с помощта на четириядрени операционни усилватели, които работеха от едно 5V захранване, и като добавих IC усилвател за слушалки, за да се гарантира, че той ще управлява адекватно слушалките. Също така замених всеки потенциометър с потенциометър и резистор, за да дам само тласък и по -фин контрол, тъй като нямах нужда от рязане.

Схемата и оформлението на таблото (и двете генерирани с помощта на Eagle) са показани по -горе.

Голяма особеност на Eagle е, че включва пакета за симулация на веригата Spice, което дава възможност за валидиране на дизайна и предвиждане на честотната характеристика, преди да се ангажират с производството на печатни платки.

Платката осигурява 2 входа, 3,5 мм жак и гнездо за спойка за свързване на Bluetooth приемник. Те са ефективно успоредни. Захранването може да се захранва или чрез мини-USB гнездо или подложки за запояване. Използвах мини, а не микро-USB, тъй като микро-USB гнездото би било доста трудно да се запоява на ръка и освен това е по-малко стабилно.

Стъпка 3: Инсталиране и настройка на Eagle

Ако искате да изпратите дизайна на дъската за производство, да промените оформлението или просто да промените кривата на отговор, ще трябва да инсталирате Eagle. Ако (като мен, когато започнах този проект) не сте запознати с него, уебсайтът на SparkFun има поредица от полезни уроци на адрес

Първото, което трябва да разгледате е Как да инсталирате и настроите Eagle.

Това включва инсталиране на библиотеките на SparkFun. Изтегленият zip файл съдържа папка SparkFun-Eagle-Libraries-master, която трябва да копирате в EAGLE / libraries

Също така трябва да импортирате моите схематични файлове и оформление на дъската, както и моите модели Spice. (Spice е софтуерът за симулация на верига, който ни позволява да симулираме честотната характеристика на усилвателя.)

Всички те са включени в zip файл, от който можете да изтеглите

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Отворете zip файла и плъзнете и пуснете папките с проекти и подправки във вашата папка EAGLE. (Той вече ще съдържа празна папка с проекти.)

Сега трябва да сте готови да стартирате Eagle.

В левия прозорец отворете Проекти, след това проекти, след това изравнен усилвател за слушалки.

Щракнете двукратно върху файловете Headphone_Amp.brd и Headphone_Amp.sch. Те ще се отварят в отделни прозорци, като първият показва оформлението на дъската, а вторият схематично.

На схемата намерете и щракнете върху бутона Симулиране.

Това отваря настройката за симулация. Щракнете върху радио бутона AC Sweep, задайте Type на Dec (по подразбиране) и Start and End Freq съответно на 100 и 10000. Щракнете върху бутона Симулиране в долния десен ъгъл. След пауза трябва да се появи графика на честотната характеристика, точно както е показано в следващата стъпка.

Стъпка 4: Промяна на кривата на отговора

Вашите уши много вероятно ще бъдат различни от моите, така че на първо място имате нужда от копие на вашата аудиограма. Вашият аудиолог би трябвало да може да ви предостави това, но ако имате добър чифт слушалки, можете да си направите сами, като отидете на

Това би трябвало да ви даде добра представа за това колко усилване е необходимо при различни честоти. В моя случай загубата на слуха ми нараства бързо над 3kHz, което прави невъзможно да компенсирам много над това. Във всеки случай, няколко експеримента, анализиращи спектъра на различни източници с Audacity, показаха, че вероятно не е имало много над това, което да липсвам.

В сегашния си вид проектът ви позволява да регулирате честотната характеристика на 3 централни честоти от 1,5, 2,3 и 3,3 kHz, независимо между левия и десния канал. Можете да се придържате към тези честоти или да ги промените (вижте следващата стъпка).

В папката EAGLE / spice ще намерите модели за трите трипота POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl и POT_VR131.mdl. Те контролират реакцията на трите честоти. Отварянето на някое от тях с текстов редактор (например Notepad) ще види ред като:

.param VAR = 50

Променете номера на всичко между 0 и 100, за да представите позицията на съответния тримпт и следователно усилването при тази честота до всичко от нула до максимум.

Сега стартирайте отново симулацията (щракнете върху Актуализиране на списъка с мрежи, преди да щракнете върху Симулиране), за да видите как изглежда сега честотният отговор.

Стъпка 5: Промяна на централните честоти

В папката Eagle Project включих електронна таблица на Excel Calc.xlsx. Отворете това с Excel (или ако нямате Excel, LibreOffice Calc, който е безплатен). Тази електронна таблица въплъщава проектните изчисления само за една от трите филтърни секции.

Първото поле ви позволява да изчислите централната честота и коефициента на Q за дадени стойности на R1, R2, C1 и C2. (Коефициентът Q или качество определя ширината на лентата. По -високата стойност дава по -тесен обхват и по -голям тласък. Стойностите около 4 изглежда работят добре, ако всяка честота е приблизително 50% по -голяма от предишната.)

Всъщност е по -вероятно да искате да изберете честотите и да изчислите стойностите на компонентите. Като се има предвид желаната честота и три от четирите компонентни стойности, второто поле ви позволява да изчислите 4 -тата стойност на компонента.

Компонентите идват с предпочитана стойност (например серията E12), така че можете да изберете най -близката предпочитана стойност към изчислената стойност и да я върнете обратно в първото поле, за да видите каква реална честота дава.

След това трябва да включите стойностите си в схемата на Eagle и да повторите симулацията.

Изведете схемата и в левия панел щракнете върху иконата за стойност на компонента, след което щракнете върху компонента, който искате да промените. (Симулацията е настроена да работи само на долния или левия канал.) Ще получите предупреждение, че компонентът няма определена от потребителя стойност. Искате ли да го промените? Разбира се, че го правите! Въведете новата стойност в изскачащото поле.

Щракнете върху бутона Simulate, щракнете върху Update Netlist, след това Simulate.

Стъпка 6: Необходими компоненти

Разбира се, ще ви е необходима платка. Освен ако не използвате някоя от моите резервни голи дъски, ще трябва да изпратите файловете на Eagle за производство. Повечето производители изискват дизайна като набор от гербер файлове. Вместо да дублирате инструкциите тук, потърсете онлайн за Eagle export gerber или вижте урока Sparkfun.

Отделни гербер файлове описват медни слоеве, маска за запояване, копринен печат, пробиване и фрезоване на контура на дъската.

При изпращане на файловете онлайн до производител, той ще ги потвърди и ще ви предупреди, ако липсват основни файлове. Но няма да ви предупреди, ако файл с копринен екран липсва, което беше моята грешка. Това е отделно от очертанията на устройството.

Ще ви трябват следните компоненти, за да запълните дъската.

• TL084 SOIC -14 четириядрен усилвател - 2 изключени
• LM4880M SOIC 250mW усилвател на мощност - 1 отстъпка
• 0603 асортимент от SMD резистори
• 0603 SMD керамичен кондензатор асортимент 100pF - 1μF
• 5K Trim Pot 3362P -502 - 6 отстъпки
• 10uF 16V SMD 0805 Многослоен керамичен многослоен кондензатор - 4 изключени
• 2917 (EIA7343) 100μF 16V танталов кондензатор - 2 изключени
• 2917 (EIA7343) 470μF 10V танталов кондензатор - 2 изключени
• Мини USB женски 5-пинов SMD контакт
• Стерео аудио жак за монтаж на печатни платки с диаметър 3,5 мм - 2 изключени
• 3 мм син LED (или по ваш избор на цвят)

За цялостно устройство, захранвано от батерии, с Bluetooth вход ще ви трябва допълнително:

• Bluetooth приемник, поддържащ A2DP, като този
• LiPo батерия: 503035 3.7V 500mAhr
• TP4056 LiPo зарядно устройство с мини-USB вход (или microUSB, ако предпочитате), като този
• 3V - 5V усилващ преобразувател като този
• Мини плъзгащ превключвател SPDT

NB Зарядното устройство LiPo вероятно ще бъде настроено за 1A ток на зареждане, което е твърде много за 500mAhr батерия. Важно е да премахнете резистора за програмиране на скоростта на зареждане (обикновено 1.2K свързан към щифт 2 на чипа TP4056) и да го замените с такъв от 3.3k.

Използвах LiPo батерия с проводник, но такава с миниатюрен JST конектор би позволила да бъде свързана само след свързване и двойно проверяване на всичко останало, както и улесняване на подмяната.

Bluetooth модул, който ще работи на 3.3V или 5V, е за предпочитане, тъй като след това може да приема захранването си директно от батерията, намалявайки цифровия шум от 5V захранването към основната платка.

Ако изберете Bluetooth модул, поддържащ AVRCP, както и A2DP, можете да добавите бутони за увеличаване/намаляване на звука и следваща/предишна песен.

Много Bluetooth модули имат светодиод за повърхностен монтаж, който показва състоянието на връзката, а зарядното устройство TP4056 има червени и зелени светодиоди за повърхностен монтаж, които показват състоянието на зареждане. Кутия като тази, която направих, вероятно ще скрие тези, така че те могат да бъдат заменени (вижте по -късно) от:

• 3 мм син LED
• 3 мм червен/зелен общ аноден светодиод.

Стъпка 7: Използване на Prototype Bare Board

Ако сте получили една от моите резервни прототипни платки, има само няколко малки грешки, които трябва да знаете.

• В горната част на дъската няма копринен екран. Ще ви бъде полезно да имате под ръка разпечатано копие на оформлението на дъската, докато го попълвате.
• Няколко виа трябва да свържат горната и долната равнина на земята, които не го правят. Това няма никакво значение.
• C3 първоначално беше 100uF, в опаковка 2917. Тази стойност беше твърде голяма и сега е 1uF 0603. Ще трябва да изстържете малко от съпротивлението на спойката от заземяващата равнина, за да се поберат, както е показано на снимката.

Печалбата се определя от стойностите на резисторите R106 и R206. 22k дава приблизително единична печалба. Тъй като може да искате да експериментирате с различни стойности, предоставих както резисторни подложки 0603 SMD, така и дупки на 0,3 стъпка за резистори с проводник.

Стъпка 8: Бокс

Можете да намерите 3D печатния дизайн на кутията, която използвах на tinkercad.com. Разстоянията бяха малко прекалено тесни, така че увеличих дължината и ширината на кутията с 1 мм.

В долната част на кутията има отделения за батерията, зарядното устройство, 5V усилвателния преобразувател и Bluetooth модула. Платката за усилвател за слушалки се побира отгоре. Капакът се задържа от два самонарезни винта M2x5 мм.

Идентични зарядни и 5V усилващи модули са широко достъпни, но има много различни Bluetooth модули. Ако някои от тях са различни от моите, ще трябва да промените дизайна на кутията.

Веднъж на място, можете леко да задържите модулите с горещо лепило.

Стъпка 9: Окабеляване

За целите на тестването прикрепих всички модули към парче картон, използвайки blu-tac. От това установих, че маршрутизирането на наземните връзки е критично. Заземяването от Bluetooth модула трябва да бъде отведено към усилвателя за слушалки заедно с разрешения и десния канал, но след това заземяващата връзка от разпределителната платка трябва да отиде към Bluetooth модула, а не към усилвателя за слушалки, в противен случай получавате много цифров шум от Bluetooth модула в изхода.

Монтирах превключвателя за включване/изключване на малко парче лента, 6 ленти широки на 5 дълги и с 2x4 изрез за превключвателя. Това служи и като табло за разпределение на мощността. Когато беше напълно свързан, залепих превключвателя на място (с прикрепена лента) с помощта на епоксидно лепило. Ако преработвах проекта, щях да предвидя превключвателя на усилвателната платка за слушалки.

Имате нужда от сравнително тънък многожилен проводник, за да го свържете, така че разделих дълъг кабел от дъгова лента, който ми даде отделни проводници с различни цветове. Обикновено щяхте да прокарате проводниците през отвор в дъската и да го запоявате от другата страна, но с различните модули, поставени в основата на кутията, трябваше да запоя към същата страна на дъската, от която е въведен проводникът, само с малко повече изолация, отколкото иначе би било необходимо. Трябваше да монтирам лентата с мед нагоре и да запоя връзките към нея по подобен начин.

Исках светодиодите на зарядното устройство и Bluetooth модулите да се виждат, затова премахнах вградените SMD светодиоди и свързах подложките към 3 мм светодиоди. Пробих дупки в кутията за тях, тъй като не ги бях позволил в моята 3D печатна кутия. Свързах ги към подложките за запояване на модулите със спояема емайлирана жица. Той е покрит със самополиващ се полиуретан, който се топи под топлината на поялник.

За модула на зарядното устройство използвах червен/зелен общ аноден светодиод. Общият анод трябва да бъде свързан към някоя от SMD LED подложките, най -близо до ръба на платката (което можете да потвърдите с мултицет). Ако вашият Bluetooth модул има SMD LED, ще трябва да определите полярността с мултицет. Някои модули имат връзки за външен светодиод.

Преди да вмъкна усилвателя за слушалки в кутията над останалите модули, намерих за необходимо да поставя малки парченца PVC лента върху върховете на два електролитни кондензатора на Bluetooth модула и на mini-USB гнездото за зареждане, така че да предотврати къси съединения с от долната страна на усилвателя за слушалки.

Стъпка 10: Подобрения

Ако исках да превърна това в продукт, несъмнено има неща, които бих променил, но след като си направих притурка, която служи на моята цел, ще премина към други проекти.

Веригата:

• Биполярно захранване може да е по -добро. Тъй като токът, извлечен от опампата, е малък, капацитивен инвертор на напрежението на помпата като MAX660 лесно би осигурил отрицателното захранване.
• С биполярно захранване, 5V усилвателният преобразувател не би бил необходим на операционните усилватели. Усилвателят за слушалки LM4880 ще работи върху суровото изходно напрежение от LiPo батерия, въпреки че максималната изходна мощност ще бъде намалена от 250mW на канал до около 100mW на канал.

Дъската:

• Размерът на дъската е точно това, което излезе от процеса на оформление, но смачкването му до точен размер като 6x6cm би направило дизайна на кутията малко по -лесен.
• По същия начин би било по -добре да поставите входните и изходните 3,5 мм жакове в една линия и точно в средата на двете страни. Това също би улеснило дизайна на кутията.
• Щеше да е лесно да се включи веригата на зарядното устройство LiPo. 3 - 5V усилвателният преобразувател не би бил необходим с биполярно захранване, така че спестяването на 2 отделни модула.
• С използваното обикновено зарядно устройство TP4056 батерията може да се презареди, ако се опитате да я заредите с включено устройство. Малко по -сложните зарядни устройства включват проста защитна верига, която си струва да бъде включена.
• С горните модификации превключвателят може да бъде монтиран на платката. Методът за монтиране на превключвателя в 3D отпечатаната кутия не беше идеален.
• Двуполюсен трипосочен превключвател би позволил Bluetooth модула да се захранва само когато е необходимо.

Кутията:

• Монтирането на модулите в 2 слоя направи монтажа по -труден, отколкото е необходимо, а по -тънка, но по -голяма кутия може да е побрала по -добре джоб.
• Превключвателят лесно се включва по невнимание. Би било просто да се включат стражи около него в дизайна на 3D печат, за да се предотврати това.

Други приложения:

Ако, може би като аудиофил, просто искате изравнен усилвател за слушалки, който дава едновременно усилване и намаляване на различни честоти, можете да използвате по същество един и същ дизайн.

За да дадете както тласък, така и рязане, елиминирайте R113, R123, R133 и R213, R223, R233 (или заменете с 0Ω резистори) и заменете трипотите с 10k (плъзгащи се саксии, ако предпочитате).

Можете да добавите колкото се може повече екземпляри на веригата на гиратора.