Цифров 18W китарен усилвател: 7 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Преди няколко години построих 5W китарен усилвател, който беше някакво решение за моята аудио система по онова време, а наскоро реших да изградя нов много по -мощен и без използване на аналогови компоненти за потребителския интерфейс, като въртящи се потенциометри и превключватели.

Цифрово контролиран 18W китарен усилвател е самостоятелен, дигитално контролиран 18W моно китарен усилвател със система за закъснение ефект и елегантен дисплей с течни кристали, предоставящ точна информация какво се случва във веригата.

Характеристики на проекта:

• Напълно цифрово управление: Входът на потребителския интерфейс е ротационен енкодер с вграден превключвател.
• ATMEGA328P: Това е микроконтролер (използван като система, подобна на Arduino): Всички регулируеми параметри се управляват програмно от потребителя.
• LCD: действа като изход за потребителски интерфейс, така че параметрите на устройството, като усилване/обем/дълбочина на забавяне/време на закъснение, могат да бъдат наблюдавани в голямо приближение.
• Цифрови потенциометри: Използват се в подсхемите, като по този начин правят управлението на устройството напълно цифрово.
• Каскадна система: Всяка верига в предварително дефинираната система е отделна система, която споделя само захранващи линии, способна за сравнително лесно отстраняване на неизправности в случай на повреди.
• Предварително усилвател: Въз основа на интегрална схема LM386, с много проста схема и минимални изисквания за части.
• Схема с ефект на забавяне: Въз основа на интегрална схема PT2399, може да бъде закупена от eBay като отделна интегрална схема (сам проектирах цялата верига на забавяне) или може да се използва като пълен модул с възможност за замяна на въртящи се потенциометри с дигипоти.
• Усилвател на мощност: Базиран е на модул TDA2030, който вече съдържа всички периферни вериги за неговата работа.
• Захранване: Устройството се захранва от старо външно лаптоп 19V DC захранване, като по този начин устройството съдържа понижаващ DC-DC модул като предварително регулатор за LM7805, което го разсейва много по-малко топлина по време на консумация на енергия от устройството.

След като обхванем цялата кратка информация, нека я изградим!

Стъпка 1: Идеята

Както можете да видите в блоковата диаграма, устройството работи като класически подход към дизайна на китарен усилвател с леки вариации в схемата за управление и потребителския интерфейс. Има общо три групи схеми, които ще разгледаме по-подробно: аналогови, цифрови и захранващи, където всяка група се състои от отделни подсхеми (темата ще бъде добре обяснена в следващите стъпки). За да направим много по -лесно разбирането на структурата на проекта, нека обясним тези групи:

1. Аналогова част: Аналоговите схеми са разположени в горната половина на блоковата диаграма, както може да се види по -горе. Тази част отговаря за всички сигнали, които преминават през устройството.

1/4 жакът е моновход за китара на устройството и се намира на границата между кутията и споената електронна верига.

Следващият етап е предварително усилвател, базиран на интегрална схема LM386, който е изключително лесен за използване в такива аудио приложения. LM386 се захранва с 5V DC от основното захранване, където неговите параметри, усилване и обем се управляват чрез цифрови потенциометри.

Третият етап е усилвател на мощност, базиран на интегрална схема TDA2030, захранван от външно 18 ~ 20V DC захранване. При този проект усилването, което е избрано на усилвателя на мощността, остава постоянно за цялото време на работа. Тъй като устройството не е единична опакована печатна платка, се препоръчва да се използва сглобен модул TDA2030A и да се прикрепи към прототипната платка, като се свързват само входно -изходни и захранващи щифтове.

2. Цифрова част: Цифровите вериги са разположени в долната половина на блоковата диаграма. Те отговарят за потребителския интерфейс и контрола на аналогови параметри като време/дълбочина на забавяне, обем и усилване.

Енкодерът с вграден SPST превключвател е дефиниран като вход за потребителско управление. Тъй като е сглобен като единична част, единствената необходимост от правилната работа е да се прикрепят издърпващи се резистори програмно или физически (Ще го видим в стъпката на схемите).

Микропроцесорът като "основен мозък" във веригата е ATMEGA328P, който се използва в подобен на Arduino стил в това устройство. Това е устройството, което има цялата цифрова мощност върху веригата и командва всичко какво да прави. Програмирането се извършва чрез SPI интерфейс, така че можем да използваме всеки подходящ USB ISP програмист или закупен AVR дебъгер. В случай, че искате да използвате Arduino като микроконтролер във веригата, това е възможно чрез компилиране на прикачен C код, който присъства в етапа на програмиране.

Цифровите потенциометри са няколко двойни интегрални схеми, управлявани чрез SPI взаимодействие чрез микроконтролер, с общ брой от 4 потенциометра за пълен контрол върху всички параметри:

LCD е изход за потребителски интерфейс, който ни позволява да знаем какво се случва вътре в кутията. В този проект използвах вероятно най -популярния 16x2 LCD сред потребителите на Arduino.

3. Захранване: Захранването отговаря за подаване на енергия (напрежение и ток) на цялата система. Тъй като веригата на усилвателя на захранването се захранва директно от външен адаптер за лаптоп и всички останали вериги се захранват от 5V DC, има нужда от DC-DC понижаващ или линеен регулатор. В случай на поставяне на 5V линеен регулатор, свързващ го към външния 20V, когато токът преминава през линеен регулатор към товара, огромно количество топлина се разсейва върху 5V регулатора, ние не искаме това. Така че, между 20V линия и 5V линеен регулатор (LM7805), има 8V DC-DC понижаващ преобразувател, който действа като предварително регулатор. Такова закрепване предотвратява огромното разсейване на линейния регулатор, когато токът на натоварване постигне високи стойности.

Стъпка 2: Части и инструменти

Електронни части:

1. Модули:

• PT2399 - IC модул Echo / delay.
• LM2596-Понижаващ DC-DC модул
• TDA2030A - Модул за усилване на мощност 18 W
• 1602A - Общ LCD 16x2 знака.
• Ротационен енкодер с вграден SPST превключвател.

2. Интегрални схеми:

• LM386 - Моно аудио усилвател.
• LM7805 - 5V линеен регулатор.
• MCP4261/MCP42100 - 100Koh двойни цифрови потенциометри
• ATMEGA328P - Микроконтролер

3. Пасивни компоненти:

А. Кондензатори:

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

Б. Резистори:

• 1 x 10R
• 4 x 10K

В. Потенциометър:

1 x 10K

(По избор) Ако не използвате модул PT2399 и се интересувате от изграждането на веригата сами, тези части са необходими:

• PT2399
• 1 x 100K резистор
• 2 x 4.7uF кондензатор
• 2 x 3.9nF кондензатор
• 2 x 15K резистор
• 5 x 10K резистор
• 1 x 3.7K резистор
• 1 x 10uF кондензатор
• 1 x 10nF кондензатор
• 1 x 5.6K резистор
• 2 x 560pF кондензатор
• 2 x 82nF кондензатор
• 2 x 100nF кондензатор
• 1 x 47uF кондензатор

4. Съединители:

• 1 x 1/4 "конектор за моно жак
• 7 x Двойни клеми
• 1 x Женски 6-пинов редов конектор
• 3 x 4-пинови JST конектори
• 1 х мъжки конектор за захранване

Механични части:

• Високоговорител с прием на мощност, равен или по -голям от 18 W
• Дървен корпус
• Дървена рамка за изрязване на потребителския интерфейс (за LCD и въртящ се енкодер).
• Пяна гума за високоговорители и UI области
• 12 винта за пробиване на частите
• 4 x закрепващи болта и гайки за LCD рамка
• 4 x гумен крак за стабилни трептения на устройството (резонансният механичен шум е често срещано нещо в дизайна на усилвателя).
• Копче за въртящ се енкодер

Инструменти:

• Електрическа отвертка
• Пистолет за горещо лепило (ако е необходимо)
• (По избор) Лабораторно захранване
• (По избор) Осцилоскоп
• (По избор) Генератор на функции
• Поялник / станция
• Малка фреза
• Малък клещ
• Калай за запояване
• Пинсети
• Опаковъчна тел
• Свредла
• Малък трион за рязане на дърво
• Нож
• Шлифовъчен файл

Стъпка 3: Обяснение на схемите

Тъй като сме запознати с блоковата диаграма на проекта, можем да преминем към схемите, като вземем предвид всички неща, които трябва да знаем за работата на веригата:

Предварително усилвателна верига: LM386 е свързан с минимални съображения за части, без да е необходимо да се използват външни пасивни компоненти. В случай, че искате да промените честотната характеристика на входа на аудио сигнала, като усилване на басите или контрол на тона, можете да се обърнете към листа с данни LM386, като говорим за това, няма да повлияе на схематичната диаграма на това устройство, с изключение на леки промени в предварителния усилвател. Тъй като използваме единично 5V DC захранване за IC, трябва да се добави отделящ кондензатор (C5) към изхода на IC за DC отстраняване на сигнала. Както може да се види, 1/4 "конектор (J1) сигнален щифт е свързан към дигипотния" A "щифт, а неинвертиращият вход LM386 е свързан към щифта" B "на цифровата точка, така че в резултат имаме прости делител на напрежение, управляван от микроконтролер чрез SPI интерфейс.

Закъснение / Ехо Ефект Електрическа верига: Тази схема се основава на PT2399 ефект на забавяне IC. Тази схема изглежда сложна според листа с данни и е много лесно да се объркате с пълното й запояване. Препоръчително е да закупите пълен модул PT2399, който вече е сглобен, и единственото нещо, което трябва да направите, е да изварите ротационни потенциометри от модула и да прикрепите дигипот линии (Wiper, 'A' и 'B'). Използвал съм справка с лист с данни за дизайна на ефекта на ехото, с дигипоти, прикрепени към избора на период от време на трептения и обема на сигнала за обратна връзка (Това, което трябва да наречем "дълбочина"). Входът на закъснителната верига, наречен DELAY_IN линия, е свързан към изхода на веригата на предварителния усилвател. Не се споменава в схемите, защото исках да накарам всички вериги да споделят само електропроводи, а сигналните линии са свързани с външни кабели. „Колко не е удобно!“, Може да си помислите, но въпросът е, че при изграждането на аналогова схема за обработка е много по -лесно да се отстраняват части по части всяка верига в проекта. Препоръчително е да добавите байпасни кондензатори към 5V DC захранващия щифт, поради неговата шумна зона.

Захранване: Устройството се захранва чрез външен жак чрез 20V 2A AC/DC адаптер. Открих, че най-доброто решение за намаляване на голямото разсейване на мощност на линеен регулатор под формата на топлина е да добавим 8V DC-DC понижаващ преобразувател (U10). LM2596 е конвертор в долари, използван в много приложения и популярен сред потребителите на Arduino, който струва по -малко от 1 $ в eBay. Знаем, че линейният регулатор има спад на напрежението върху неговата пропускателна способност (в случай на 7805 теоретичното приближение е около 2.5V), така че има сигурна разлика от 3V между входа и изхода на LM7805. Не се препоръчва да се пренебрегва линейният регулатор и да се свърже lm2596 направо към 5V линията поради шума от превключването, чието вълнение от напрежение може да повлияе на стабилността на захранването на веригите.

Усилвател на мощност: Той е прост, както изглежда. Тъй като съм използвал модул TDA2030A в този проект, единственото изискване е да свържете захранващи щифтове и I/O линии на усилвателя на мощността. Както бе споменато по -рано, входът на усилвателя на мощността е свързан към изхода на веригата за забавяне чрез външен кабел с помощта на конектори. Използваният в устройството високоговорител е свързан към изхода на усилвателя на мощността чрез специален клемен блок.

Цифрови потенциометри: Вероятно най -важните компоненти в цялото устройство, което го прави способно да се управлява цифрово. Както можете да видите, има два типа дигипота: MCP42100 и MCP4261. Те споделят един и същ контакт, но се различават в комуникацията. Имам само два последни дигипота в склада си, когато изграждах този проект, така че просто използвах това, което имах, но препоръчвам да използвам два дигипота от същия тип или MCP42100, или MCP4261. Всеки дигипот се управлява от SPI интерфейс, споделящ часовник (SCK) и пинове за въвеждане на данни (SDI). SPI контролерът на ATMEGA328P е в състояние да борави с множество устройства, като задвижва отделни щифтове за избор на чипове (CS или CE). Той е проектиран по този начин в този проект, където щифтовете за активиране на SPI чип са свързани към отделни щифтове на микроконтролера. PT2399 и LM386 са свързани към 5V захранване, така че не е нужно да се тревожим за промяната на напрежението в мрежата от дигипот резистори вътре в интегралните схеми (Това е обхванато до голяма степен в листа с данни, в раздела на диапазона на нивото на напрежение на вътрешните превключващи резистори).

Микроконтролер: Както беше споменато, базиран в ATMEGA328P в стил Arduino, с необходимостта от един пасивен компонент-издърпващ резистор (R17) на щифта за нулиране. 6-пинов конектор (J2) се използва за програмиране на устройства чрез USB ISP програмист чрез SPI интерфейс (Да, същия интерфейс, към който са свързани дигипоти). Всички щифтове са свързани към съответните компоненти, които са представени в схематичната диаграма. Силно се препоръчва да се добавят байпасни кондензатори близо до щифтовете за захранване 5V. Кондензаторите, които виждате близо до щифтовете на енкодера (C27, C28), се използват за предотвратяване на подскачането на състоянието на енкодера на тези щифтове.

LCD: Дисплеят с течни кристали е свързан по класически начин с 4 -битово предаване на данни и допълнителни два пина за фиксиране на данните - Избор на регистър (RS) и Разрешаване (E). LCD има постоянна яркост и променлив контраст, които могат да се регулират с един тример (R18).

Потребителски интерфейс: Ротационният енкодер на устройството има вграден SPST бутон, където всички негови връзки са свързани към описаните щифтове на микроконтролера. Препоръчва се да се прикрепи издърпващ резистор към всеки щифт на енкодера: A, B и SW, вместо да се използва вътрешно издърпване. Уверете се, че щифтовете на енкодер A и B са свързани към външните прекъсвачи на микроконтролера: INT0 и INT1, за да съответстват на кода и надеждността на устройството, когато използвате компонента на енкодера.

Конектори и терминални блокове JST: Всяка аналогова верига: предусилвател, закъснение и усилвател на мощност са изолирани върху споената платка и са свързани с кабели между терминалните блокове. Енкодер и LCD са свързани към JST кабелите и са свързани към споената платка чрез JST конектори, както е описано по -горе. Входът за външно захранване и 1/4 моно жак вход за китара са свързани чрез клемни блокове.

Стъпка 4: Запояване

След кратка подготовка трябва да си представите прецизно поставяне на всички компоненти на дъската. Предпочита се процесът на запояване да започне от предварителния усилвател и да завърши с всички цифрови схеми.

Ето описание стъпка по стъпка:

1. Верига за предварително запояване на запояване. Проверете връзките му. Уверете се, че наземните линии се споделят на всички подходящи линии.

2. Запояване PT2399 модул/IC с всички периферни схеми, съгласно схематичната диаграма. Тъй като съм запоял цялата схема на забавяне, можете да видите, че има много споделени линии, които могат да бъдат запоени лесно според всяка функция на щифта PT2399. Ако имате модул PT2399, просто разпаявайте въртящите се потенциометри и запоявайте мрежовите линии на цифровия потенциометър към тези освободени щифтове.

3. Припойте модул TDA2030A, уверете се, че изходният конектор на високоговорителя е центриран извън платката.

4. Електрическа верига за запояване. Поставете байпасни кондензатори съгласно схематичната схема.

5. Схема за запояване на микроконтролер със своя конектор за програмиране. Опитайте да го програмирате, уверете се, че не се провали в процеса.

6. Припой цифрови потенциометри

7. Запоявайте всички JST съединители в зоните според всяка линейна връзка.

8. Захранвайте платката, ако имате функционален генератор и осцилоскоп, проверете стъпка по стъпка всяка реакция на аналоговата верига към входния сигнал (препоръчително: 200mVpp, 1KHz).

9. Проверете отговора на веригата на усилвателя на мощността и закъснението на веригата/модула отделно.

10. Свържете високоговорителя към изхода на усилвателя на мощността и генератора на сигнал към входа, уверете се, че чувате тона.

11. Ако всички тестове, които проведохме, са успешни, можем да преминем към стъпката на сглобяване.

Стъпка 5: Монтаж

Вероятно това е най -трудната част от проекта от гледна точка на техническия подход, освен ако няма някои полезни инструменти за рязане на дърва във вашия склад. Имах много ограничен набор от инструменти, така че бях принуден да тръгна по трудния път - рязане на кутия ръчно с пила за смилане. Нека разгледаме основните стъпки:

1. Подготовка на кутията:

1.1 Уверете се, че имате дървен корпус с подходящи размери спрямо високоговорителя и разпределението на електронната платка.

1.2 Изрежете областта на високоговорителя, силно се препоръчва да прикрепите рамка от пяна към гумата за изрязване на високоговорителя, за да предотвратите резонансни вибрации.

1.3 Изрежете отделна дървена рамка за потребителския интерфейс (LCD и енкодер). Изрежете подходящата зона за LCD дисплея, уверете се, че посоката на LCD дисплея не е обърната към изгледа отпред. След като това приключи, пробийте отвор за въртящ се енкодер. Закрепете LCD витла за 4 пробивни винта и въртящ се енкодер с подходяща метална гайка.

1.4 Поставете пяна от гума върху дървената рамка на потребителския интерфейс по целия й периметър. Това ще помогне и за предотвратяване на резониращи бележки.

1.5 Намерете къде ще бъде разположена електронната платка, след това пробийте 4 дупки върху дървената кутия

1.6 Подгответе страна, където ще бъдат разположени входният жак за външно захранване с постоянен ток и 1/4 вход за китара, пробийте два отвора с подходящи диаметри. Уверете се, че тези конектори споделят същия извод като електронната платка (т.е. полярността). След това, запоявайте два чифта проводници за всеки вход.

2. Свързване на частите:

2.1 Прикрепете високоговорителя към избраната зона, уверете се, че два проводника са свързани към щифтовете на високоговорителя с 4 винта за пробиване.

2.2 Прикрепете панела на потребителския интерфейс от избраната страна на корпуса. Не забравяйте гумената пяна.

2.3 Свържете всички вериги заедно чрез клемни блокове

2.4 Свържете LCD и енкодер към платката чрез JST конектори.

2.5 Свържете високоговорителя към изхода на модула TDA2030A.

2.6 Свържете входовете за захранване и китара към клемните блокове на платката.

2.7 Поставете дъската в позицията на пробитите отвори, закрепете дъската с 4 пробивни винта отвън на дървената кутия.

2.8 Прикрепете всички дървени части на корпуса, така че да изглежда като плътна кутия.

Стъпка 6: Програмиране и код

Кодът на устройството се подчинява на правилата на семейството микроконтролери AVR и отговаря на ATMEGA328P MCU. Кодът е написан в Atmel Studio, но има възможност да се програмира Arduino платка с Arduino IDE, която има същото ATMEGA328P MCU. Самостоятелният микроконтролер може да бъде програмиран чрез USB адаптер за отстраняване на грешки в съответствие с Atmel Studio или чрез USP ISP програмист, който може да бъде закупен от eBay. Софтуерът за програмиране, който обикновено се използва, е AVRdude, но аз предпочитам ProgISP - прост софтуер за програмиране на USB ISP с много приятелски потребителски интерфейс.

Цялото необходимо обяснение за кода може да бъде намерено в прикачения файл Amplifice.c.

Прикаченият файл Amplifice.hex може да бъде качен директно на устройството, ако напълно съответства на схематичната диаграма, която сме наблюдавали преди това.

Стъпка 7: Тестване

Е, след като всичко, което искахме, е направено, е време за тестване. Предпочетох да тествам устройството с моята древна евтина китара и проста схема за управление на пасивни тонове, която съм изградил преди години без причина. Устройството е тествано и с цифров, и с аналогов процесор за ефекти. Не е твърде страхотно, че PT2399 има толкова малка RAM памет за съхраняване на аудио проби, използвани в закъснения, когато времето между ехо пробите е твърде голямо, ехото се дигитализира с голяма загуба на преходни битове, което се счита за изкривяване на сигнала. Но това „цифрово“изкривяване, което чуваме, може да бъде полезно като положителен страничен ефект от работата на устройството. Всичко зависи от приложението, което искате да направите с това устройство (което между другото нарекох "Amplifice V1.0").

Надявам се да намерите тази инструкция за полезна.

Благодаря за четенето!