Wyrównany wzmacniacz słuchawkowy dla osób niedosłyszących: 10 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

Moje potrzeby

Kilka miesięcy temu założono mi aparaty słuchowe, aby zrekompensować utratę wrażliwości na wysokie częstotliwości, powodujące przytłumienie dźwięków i trudności z rozróżnianiem sybilantów (np. „S” i „F”). Ale pomoce nie przynoszą żadnych korzyści podczas korzystania ze słuchawek, ponieważ mikrofony są za uchem. Po eksperymentach z indukcyjną pętlą na szyję i bezpośrednim wejściem do moich aparatów słuchowych (żadne z nich nie dało satysfakcjonujących rezultatów) wpadłem na pomysł wzmacniacza słuchawkowego o regulowanej charakterystyce częstotliwościowej zaprojektowanego tak, aby pasował do moich aparatów słuchowych.

Jeśli masz jakieś inne wymagania dotyczące wyrównania, ten projekt można łatwo dostosować. Zapewnia wzmocnienie (lub cięcie, z trywialną modyfikacją) na 3 środkowych częstotliwościach. Można go jednak rozszerzyć na więcej pasm częstotliwości.

Wynik

Skończyło się na tym, że to zgrabne małe kwadratowe pudełko o średnicy 6 cm z wejściem jack 3,5 mm i Bluetooth oraz wyjściem słuchawkowym jack 3,5 mm. Zauważyłem, że poprawa wrażenia słuchowego w przypadku muzyki jest spektakularna i ogromna poprawa w zakresie mowy.

Co da ci ten Instruktaż?

Na wstępie powiem, że nie jest to projekt dla początkujących. Będziesz potrzebował rozsądnego poziomu umiejętności lutowania, a jeśli chcesz go zmodyfikować (co może być dobrze), będziesz musiał nauczyć się Eagle do układu płytki i TinkerCAD do pudełka drukowanego w 3D. Opanowanie obu zajęło mi trochę czasu, ale żaden z nich nie był trudny. Oczekuję, że ludzie nauczą się czegoś od moich Instructables (chyba że wiesz już więcej niż ja), a nie tylko ślepo postępują zgodnie z instrukcjami.

Jeśli nigdy nie lutowałeś elementów do montażu powierzchniowego, nie zniechęcaj się - nie jest to takie trudne, jak mogłoby się wydawać. Zapoznaj się z tym przewodnikiem, aby uzyskać wprowadzenie.

Dzięki temu projektowi otrzymasz:

• Pliki projektowe Eagle (schemat i układ tablicy)
• Arkusz kalkulacyjny Excel zawierający równania projektowe, aby umożliwić dostosowanie wyrównania do własnych potrzeb
• Projekt TinkerCAD dla pudełka drukowanego w 3D.

Ponieważ minimalne zamówienie na niestandardową płytkę drukowaną wynosiło 5 sztuk, mam 3 gołe płytki zapasowe (jedna sprzedana). Są one teraz w sprzedaży w serwisie eBay - zobacz

Krok 1: Proces projektowania: wymagania i strategia

Kiedy zacząłem myśleć o tym projekcie, jedno z pierwszych pytań, jakie miałem w głowie, dotyczyło tego, czy użyć filtrów analogowych, czy cyfrowych. W wątku na forum All About Circuits Keith Walker zaalarmował mnie o bardzo tanim (analogowym) korektorze graficznym z Dalekiego Wschodu (pokazane powyżej), którego użył do rozwiązania tego samego problemu. Zamówiłem więc jeden jako dowód koncepcji.

Działało dobrze, ale było zbyt nieporęczne do użytku przenośnego i wymagało zarówno dodatnich, jak i ujemnych szyn zasilających, co stanowiło dodatkową niedogodność. Potwierdziło to jednak podejście i rodzaj stosowanych obwodów filtrujących.

Doprecyzowałem swoje wymagania do następujących:

• Musi być kompaktowy, przenośny i zasilany akumulatorem.
• Powinien akceptować dane wejściowe z gniazda 3,5 mm lub Bluetooth.
• Musi mieć oddzielne lewy i prawy kanał stereo.

W wielu poprzednich projektach używałem konwencjonalnych elementów przewlekanych i układów scalonych 0,3 DIL na stripboardzie, ale spowodowałoby to, że byłyby zbyt nieporęczne. Zdecydowałem więc, że będę musiał zaprojektować niestandardową płytkę drukowaną (dla mnie nowe doświadczenie) przy użyciu powierzchni zamontować komponenty (z czym mam skromne doświadczenie) Musiałbym również zaprojektować pudełko drukowane w 3D (moje doświadczenie w projektowaniu 3D było bardzo ograniczone).

Funkcja Bluetooth byłaby łatwa do dodania przy użyciu dowolnego z dostępnych tanich modułów Bluetooth.

Istnieją 2 lub 3 dedykowane układy scalone korektora graficznego, które oglądałem, ale użycie tanich quad opampów wydawało się ostatecznie prostsze i wymagało tylko tylu elementów zewnętrznych.

Krok 2: Projekt szczegółowy

Podstawowy element obwodu, którego użyłem, jest znany jako żyrator. Wykorzystuje wzmacniacz operacyjny do przekształcenia kondensatora w wirtualną cewkę indukcyjną. Ten i jeszcze jeden kondensator tworzą dostrojony obwód, zapewniający odcięcie lub wzmocnienie w pewnym zakresie częstotliwości. Bardzo wiele projektów korektorów graficznych wykorzystuje praktycznie identyczną konstrukcję i nie ma sensu od niej odchodzić. Ich przykładem jest ten z Electronics Today International, wrzesień 1977, strona 27. Ten artykuł bardzo wyraźnie wyjaśnia, jak działa obwód.

Zmodyfikowałem go tylko poprzez użycie poczwórnych wzmacniaczy operacyjnych, które byłyby zasilane z jednego zasilacza 5 V, i dodając układ scalony wzmacniacza słuchawkowego, aby zapewnić, że będzie odpowiednio napędzał słuchawki. Wymieniłem też każdy potencjometr na potencjometr i rezystor, żeby dać tylko doładowanie i dokładniejszą kontrolę, ponieważ nie potrzebowałem cięcia.

Schemat i układ tablicy (oba wygenerowane za pomocą Eagle) pokazano powyżej.

Wspaniałą cechą Eagle jest to, że zawiera pakiet symulacji obwodów Spice, co umożliwia walidację projektu i przewidywanie odpowiedzi częstotliwościowej przed przystąpieniem do produkcji PCB.

Płytka posiada 2 wejścia, gniazdo jack 3,5 mm oraz pola lutownicze do podłączenia modułu odbiornika Bluetooth. Działają one skutecznie równolegle. Zasilanie może być dostarczane przez gniazdo mini-USB lub pola lutownicze. Użyłem mini zamiast micro-USB, ponieważ gniazdo micro-USB byłoby dość trudne do ręcznego lutowania, a także jest mniej wytrzymałe.

Krok 3: Instalacja i konfiguracja Eagle

Jeśli chcesz wysłać projekt płytki do produkcji, zmodyfikuj układ lub po prostu zmodyfikuj krzywą odpowiedzi, musisz zainstalować Eagle. Jeśli (tak jak ja, kiedy zaczynałem ten projekt) nie jesteś z nim zaznajomiony, strona internetowa SparkFun zawiera szereg pomocnych samouczków pod adresem

Pierwszym, na który należy zwrócić uwagę, jest Jak zainstalować i skonfigurować Eagle.

Obejmuje to instalację bibliotek SparkFun. Pobrany plik zip zawiera folder SparkFun-Eagle-Libraries-master, który należy skopiować do EAGLE\libraries

Musisz również zaimportować moje schematy Eagle i pliki układów plansz oraz moje modele Spice. (Spice to oprogramowanie do symulacji obwodów, które umożliwia symulację odpowiedzi częstotliwościowej wzmacniacza.)

Wszystkie są zawarte w pliku zip, z którego można pobrać

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Otwórz plik zip i przeciągnij i upuść foldery projektów i przypraw do folderu EAGLE. (Będzie już zawierał pusty folder projektów.)

Powinieneś być teraz gotowy do uruchomienia Eagle.

W lewym panelu otwórz Projekty, następnie projekty, a następnie Wyrównany wzmacniacz słuchawkowy.

Kliknij dwukrotnie pliki Headphone_Amp.brd i Headphone_Amp.sch. Otworzą się one w osobnych oknach, z których pierwsze pokazuje układ planszy, a drugie schemat.

Na schemacie znajdź i kliknij przycisk Symuluj.

Spowoduje to otwarcie konfiguracji symulacji. Kliknij przycisk radiowy AC Sweep, ustaw Type na Dec (domyślnie), a Start i End Freq na odpowiednio 100 i 10000. Kliknij przycisk Symuluj w prawym dolnym rogu. Po przerwie powinien pojawić się wykres charakterystyki częstotliwościowej, tak jak pokazano w następnym kroku.

Krok 4: Poprawienie krzywej odpowiedzi

Twoje uszy najprawdopodobniej będą inne niż moje, więc przede wszystkim potrzebujesz kopii swojego audiogramu. Twój audiolog powinien być w stanie ci to dostarczyć, ale jeśli masz dobre słuchawki, możesz zrobić własne, przechodząc na stronę

To powinno dać ci dobre wyobrażenie o tym, ile wzmocnienia potrzebujesz na różnych częstotliwościach. W moim przypadku ubytek słuchu gwałtownie wzrasta powyżej 3kHz, przez co nie ma możliwości skompensowania znacznie powyżej tego poziomu. W każdym razie kilka eksperymentów analizujących spektrum różnych źródeł z Audacity wskazało, że prawdopodobnie niewiele ponad to mi brakowało.

W obecnej postaci projekt pozwala na regulację pasma przenoszenia na 3 środkowych częstotliwościach 1,5, 2,3 i 3,3 kHz, niezależnie między lewym i prawym kanałem. Możesz pozostać przy tych częstotliwościach lub je zmienić (patrz następny krok).

W folderze EAGLE\spice znajdziesz modele 3 trimpotów POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl i POT_VR131.mdl. Kontrolują one odpowiedź na 3 częstotliwościach. Otwarcie dowolnego z nich za pomocą edytora tekstu (np. Notatnika) spowoduje wyświetlenie linii takiej jak:

.param VAR=50

Zmień liczbę na dowolną z zakresu od 0 do 100, aby reprezentować pozycję odpowiedniego trimpota, a tym samym podbicie przy tej częstotliwości na dowolną wartość od zera do maksimum.

Teraz ponownie uruchom symulację (kliknij Aktualizuj listę sieci przed kliknięciem Symuluj), aby zobaczyć, jak teraz wygląda odpowiedź częstotliwości.

Krok 5: Zmiana częstotliwości centralnych

W folderze Eagle Project umieściłem arkusz kalkulacyjny Excel Calc.xlsx. Otwórz to za pomocą programu Excel (lub, jeśli nie masz programu Excel, LibreOffice Calc, który jest bezpłatny). Ten arkusz kalkulacyjny zawiera obliczenia projektowe tylko dla jednej z 3 sekcji filtrów.

Pierwsze pole pozwala obliczyć częstotliwość środkową i współczynnik Q dla danych wartości R1, R2, C1 i C2. (Współczynnik Q lub Quality określa szerokość pasma. Wyższa wartość oznacza węższe pasmo i większe wzmocnienie. Wartości około 4 wydają się działać dobrze, jeśli każda częstotliwość jest o około 50% większa niż poprzednia.)

W rzeczywistości bardziej prawdopodobne jest, że będziesz chciał wybrać częstotliwości i obliczyć wartości składników. Mając żądaną częstotliwość i trzy z czterech wartości składników, drugie pole pozwala obliczyć wartość czwartego składnika.

Komponenty mają preferowaną wartość (na przykład seria E12), więc możesz wybrać najbliższą preferowaną wartość do obliczonej wartości i wprowadzić ją z powrotem do pierwszego pola, aby zobaczyć, jaka jest rzeczywista częstotliwość.

Następnie musisz podłączyć swoje wartości do schematu Eagle i powtórzyć symulację.

Wyświetl schemat i w panelu po lewej stronie kliknij ikonę wartości komponentu, a następnie kliknij komponent, który chcesz zmienić. (Symulacja jest skonfigurowana do działania tylko na dolnym lub lewym kanale.) Otrzymasz ostrzeżenie informujące, że komponent nie ma wartości definiowanej przez użytkownika. Czy chcesz to zmienić? Oczywiście, że tak! Wprowadź nową wartość w wyświetlonym oknie.

Kliknij przycisk Symuluj, kliknij Aktualizuj listę sieci, a następnie Symuluj.

Krok 6: Wymagane komponenty

Oczywiście będziesz potrzebować płytki drukowanej. Jeśli nie użyjesz jednej z moich zapasowych desek, będziesz musiał wysłać pliki Eagle do produkcji. Większość producentów wymaga projektu jako zestawu plików gerber. Zamiast powielać instrukcje tutaj, wyszukaj online gerber eksportujący Eagle lub zapoznaj się z samouczkiem Sparkfun.

Oddzielne pliki gerber opisują warstwy miedzi, maskę lutowniczą, sitodruk, wiercenie i frezowanie obrysu płytki.

Przesyłając pliki online do producenta, system je zweryfikuje i zaalarmuje, jeśli brakuje jakichkolwiek istotnych plików. Ale nie ostrzeże cię, jeśli brakuje pliku z sitodrukiem, co było moim błędem. Jest to oddzielone od konturów urządzenia.

Do wypełnienia tablicy potrzebne będą następujące elementy.

• TL084 SOIC-14 poczwórny wzmacniacz operacyjny - 2 szt.
• Wzmacniacz mocy LM4880M SOIC 250mW - 1 szt.
• 0603 Asortyment rezystorów SMD
• 0603 Asortyment kondensatorów ceramicznych SMD 100pF - 1μF
• Potencjometr 5K 3362P-502 - 6 szt.
• 10uF 16V SMD 0805 Wielowarstwowy ceramiczny kondensator wielowarstwowy - 4 szt.
• 2917 (EIA7343) Kondensator tantalowy 100μF 16V - 2 szt
• 2917 (EIA7343) Kondensator tantalowy 470μF 10V - 2 szt
• Mini USB żeńskie 5-pinowe gniazdo SMD
• Gniazdo stereo audio 3,5 mm do montażu na PCB z otworem przelotowym - 2 szt.
• 3mm niebieska dioda LED (lub wybrany przez Ciebie kolor)

Do kompletnego urządzenia zasilanego bateryjnie z wejściem Bluetooth będą dodatkowo potrzebne:

• Moduł odbiornika Bluetooth obsługujący A2DP, taki jak ten
• Akumulator LiPo: 503035 3,7V 500mAhr
• Ładowarka LiPo TP4056 z wejściem mini-USB (lub microUSB, jeśli wolisz) taka jak ta
• Konwerter doładowania 3 V - 5 V, taki jak ten
• Przełącznik suwakowy Mini SPDT

NB Ładowarka LiPo prawdopodobnie będzie ustawiona na prąd ładowania 1A, co jest zbyt duże dla akumulatora 500mAhr. Ważne jest, aby usunąć rezystor programowania szybkości ładowania (zwykle 1.2K podłączony do pinu 2 układu TP4056) i zastąpić go jednym z 3.3k.

Zastosowałem akumulator LiPo zakończony przewodami, ale taki z miniaturowym złączem JST pozwalałby na podłączenie go dopiero po okablowaniu i dwukrotnym sprawdzeniu wszystkiego innego, a także ułatwiał wymianę.

Preferowany jest moduł Bluetooth, który będzie działał z napięciem 3,3 V lub 5 V, ponieważ może wtedy pobierać zasilanie bezpośrednio z akumulatora, redukując szum cyfrowy na zasilaniu 5 V do głównej płytki drukowanej.

Jeśli wybierzesz moduł Bluetooth obsługujący AVRCP oraz A2DP, możesz dodać przyciski do zwiększania/zmniejszania głośności oraz następnego/poprzedniego utworu.

Wiele modułów Bluetooth ma diodę LED do montażu powierzchniowego, która wskazuje stan połączenia, a ładowarka TP4056 ma czerwone i zielone diody LED do montażu powierzchniowego, które wskazują stan naładowania. Pudełko takie jak to, które zrobiłem, prawdopodobnie je ukryje, więc można je zastąpić (patrz dalej) przez:

• 3mm niebieska dioda LED
• 3mm czerwona/zielona wspólna anoda LED.

Krok 7: Korzystanie z samej płyty prototypowej

Jeśli kupiłeś jedną z moich zapasowych płytek prototypowych, jest tylko kilka drobnych błędów, o których musisz pamiętać.

• Na górze deski nie ma sitodruku. Pomocne będzie posiadanie wydrukowanej kopii układu tablicy pod ręką podczas jej wypełniania.
• Kilka przelotek miało łączyć górne i dolne płaszczyzny uziemienia, które tego nie robią. To nie ma znaczenia.
• C3 był pierwotnie 100uF, w opakowaniu 2917. Ta wartość była o wiele za duża i wynosi teraz 1uF 0603. Będziesz musiał zeskrobać trochę rezystancji lutowniczej z płaszczyzny uziemienia, aby ją dopasować, jak pokazano na zdjęciu.

Wzmocnienie jest ustawiane przez wartości rezystorów R106 i R206. 22k daje z grubsza zysk jedności. Ponieważ możesz chcieć poeksperymentować z różnymi wartościami, dostarczyłem zarówno podkładki rezystorowe 0603 SMD, jak i otwory o skoku 0,3 dla rezystorów zakończonych drutem.

Krok 8: Boksowanie

Projekt pudełka, którego użyłem, można wydrukować w 3D na stronie tinkercad.com. Prześwity były trochę za ciasne, więc zwiększyłem długość i szerokość pudełka o 1mm.

W dolnej części pudełka znajdują się przegródki na akumulator, ładowarkę, konwerter doładowania 5V i moduł Bluetooth. Płytka wzmacniacza słuchawkowego mieści się na górze. Pokrywa jest utrzymywana przez dwa wkręty samogwintujące M2x5mm.

Identyczne moduły ładowarki i 5V boost są powszechnie dostępne, ale istnieje wiele różnych modułów Bluetooth. Jeśli którykolwiek z nich jest inny niż mój, będziesz musiał zmodyfikować projekt pudełka.

Po umieszczeniu modułów można lekko przymocować je klejem topliwym.

Krok 9: Okablowanie

Do celów testowych przymocowałem wszystkie moduły do kawałka kartonu za pomocą blu-tac. Z tego dowiedziałem się, że trasowanie połączeń uziemienia było krytyczne. Masa z modułu Bluetooth musi być doprowadzona do wzmacniacza słuchawkowego wraz z kanałami wpuszczanym i prawym, ale wtedy połączenie z masą z tablicy rozdzielczej musi iść do modułu Bluetooth, a nie do wzmacniacza słuchawkowego, w przeciwnym razie dostaniesz dużo szumu cyfrowego z modułu Bluetooth na wyjściu.

Zamontowałem włącznik/wyłącznik na małym kawałku stripboardu, 6 pasków szerokości na 5 długich i z wycięciem 2x4 na włącznik. Służy również jako tablica rozdzielcza zasilania. Po całkowitym okablowaniu przykleiłem przełącznik na miejsce (z dołączoną stripboardem) za pomocą kleju epoksydowego. Gdybym robił projekt ponownie, zrobiłbym rezerwę na przełącznik na płycie wzmacniacza słuchawkowego.

Do okablowania potrzebny jest dość cienki linka, więc rozdzieliłem kawałek tęczowego kabla wstążkowego, co dało mi pojedyncze druty w różnych kolorach. Normalnie trzeba by było przeprowadzić przewody przez otwór w płytce i przylutować je z drugiej strony, ale z różnymi modułami w podstawie puszki musiałem lutować po tej samej stronie płytki, z której wszedł przewód, z odizolowaną tylko trochę większą ilością izolacji, niż byłoby to konieczne. Musiałem zamontować stripboard miedzianą stroną do góry i przylutować do niego połączenia w podobny sposób.

Chciałem, aby diody LED na ładowarce i modułach Bluetooth były widoczne, więc usunąłem wbudowane diody LED SMD i podłączyłem pady do diod LED 3 mm. Wywierciłem na nie otwory w pudełku, ponieważ nie pozwoliłem na to w moim pudełku wydrukowanym w 3D. Połączyłem je z polami lutowniczymi na modułach lutowanym drutem emaliowanym. Jest on pokryty samotopliwym poliuretanem, który topi się pod wpływem ciepła lutownicy.

Do modułu ładowarki użyłem czerwonej/zielonej diody LED wspólnej anody. Wspólna anoda musi być podłączona do jednego z padów LED SMD znajdujących się najbliżej krawędzi płytki (co można potwierdzić za pomocą multimetru). Jeśli twój moduł Bluetooth ma diodę LED SMD, będziesz musiał określić polaryzację za pomocą multimetru. Niektóre moduły posiadają złącza dla zewnętrznej diody LED.

Przed włożeniem wzmacniacza słuchawkowego do pudełka nad innymi modułami, stwierdziłem, że konieczne jest nałożenie małych kawałków taśmy PVC na wierzchy dwóch kondensatorów elektrolitycznych modułu Bluetooth i gniazda ładowania mini-USB, aby zapobiec zwarciom z spodem wzmacniacza słuchawkowego.

Krok 10: Ulepszenia

Gdybym chciał zrobić z tego produkt, to bez wątpienia bym coś zmienił, ale zrobiwszy sobie gadżet, który służy moim celom, przejdę do innych projektów.

Obwód:

• Zasilanie bipolarne mogłoby być lepsze. Ponieważ prąd pobierany przez wzmacniacze operacyjne jest mały, pojemnościowy falownik napięcia pompy, taki jak MAX660, z łatwością zapewniłby ujemne zasilanie.
• Przy zasilaniu bipolarnym przetwornica doładowania 5 V nie byłaby potrzebna przez wzmacniacze operacyjne. Wzmacniacz słuchawkowy LM4880 będzie działał na surowym napięciu wyjściowym z akumulatora LiPo, chociaż maksymalna moc wyjściowa zostanie zmniejszona z 250mW na kanał do około 100mW na kanał.

Tablica:

• Rozmiar planszy jest dokładnie tym, co wyszedł z procesu projektowania, ale ściśnięcie go do dokładnego rozmiaru, takiego jak 6 x 6 cm, ułatwiłoby projektowanie pudełka.
• Podobnie, lepiej byłoby umieścić gniazda wejściowe i wyjściowe 3,5 mm w linii i dokładnie pośrodku obu boków. Ułatwiłoby to również zaprojektowanie pudełka.
• Łatwo byłoby włączyć obwód ładowarki LiPo. Przetwornica doładowania 3-5V nie byłaby potrzebna przy zasilaniu bipolarnym, co pozwala zaoszczędzić 2 oddzielne moduły.
• Używając prostej ładowarki TP4056, bateria może zostać przeładowana, jeśli spróbujesz ją naładować przy włączonym urządzeniu. Nieco bardziej wyrafinowane ładowarki zawierają prosty obwód ochronny, który warto uwzględnić.
• Dzięki powyższym modyfikacjom przełącznik można było następnie zamontować na płycie. Sposób montażu przełącznika w pudełku wydrukowanym w 3D nie był idealny.
• Dwubiegunowy 3-drożny przełącznik umożliwiłby zasilanie modułu Bluetooth tylko wtedy, gdy jest to potrzebne.

Pudełko:

• Montaż modułów w 2 warstwach sprawiał, że montaż był trudniejszy niż powinien, a cieńsze, ale większe pudełko mogło lepiej pasować do kieszeni.
• Przełącznik można łatwo włączyć przypadkowo. Aby temu zapobiec, łatwo byłoby uwzględnić w projekcie druku 3D osłony wokół niego.

Inne aplikacje:

Jeśli, być może jako audiofil, chcesz po prostu wyrównanego wzmacniacza słuchawkowego dającego zarówno podbicie, jak i przycięcie na różnych częstotliwościach, możesz użyć zasadniczo tego samego projektu.

Aby zapewnić zarówno wzmocnienie, jak i cięcie, wyeliminuj R113, R123, R133 i R213, R223, R233 (lub zastąp rezystorami 0 Ω) i wymień trimpoty na 10k (potencjometry suwakowe, jeśli wolisz).

Możesz dodać tyle wystąpień obwodu żyratora, ile potrzebujesz.