Cyfrowo sterowany wzmacniacz gitarowy 18 W: 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Kilka lat temu zbudowałem wzmacniacz gitarowy o mocy 5W, który był wówczas swego rodzaju rozwiązaniem dla mojego systemu audio, a ostatnio zdecydowałem się zbudować nowy, znacznie mocniejszy i bez użycia komponentów analogowych w interfejsie użytkownika, jak potencjometry obrotowe i przełączniki dwustabilne.

Sterowany cyfrowo 18W wzmacniacz gitarowy to samodzielny, sterowany cyfrowo monofoniczny wzmacniacz gitarowy o mocy 18 W z dołączonym systemem efektu opóźnienia i eleganckim wyświetlaczem ciekłokrystalicznym, dostarczającym dokładnych informacji o tym, co dzieje się w obwodzie.

Cechy projektu:

• W pełni cyfrowe sterowanie: wejście interfejsu użytkownika to enkoder obrotowy z wbudowanym przełącznikiem.
• ATMEGA328P: Jest mikrokontrolerem (używanym jako system podobny do Arduino): Wszystkie regulowane parametry są kontrolowane programowo przez użytkownika.
• LCD: działa jako wyjście interfejsu użytkownika, więc parametry urządzenia, takie jak wzmocnienie/głośność/głębokość opóźnienia/czas opóźnienia mogą być obserwowane z dużym przybliżeniem.
• Potencjometry cyfrowe: są używane w obwodach podrzędnych, dzięki czemu sterowanie urządzeniem jest w pełni cyfrowe.
• System kaskadowy: Każdy obwód w predefiniowanym systemie jest oddzielnym systemem, który współdzieli tylko linie zasilania, co umożliwia stosunkowo łatwe rozwiązywanie problemów w przypadku awarii.
• Przedwzmacniacz: Oparty na układzie scalonym LM386, z bardzo prostym schematem i minimalnymi wymaganiami dotyczącymi części.
• Układ efektu opóźniającego: Oparty na układzie scalonym PT2399, można go kupić w serwisie eBay jako osobny układ scalony (cały układ opóźniający sam zaprojektowałem) lub może być używany jako kompletny moduł z możliwością zastąpienia potencjometrów obrotowych potencjometrami.
• Wzmacniacz mocy: Oparty na module TDA2030, który zawiera już wszystkie obwody peryferyjne do jego działania.
• Zasilanie: Urządzenie jest zasilane ze starego zewnętrznego zasilacza 19V DC do laptopa, dlatego urządzenie zawiera moduł obniżający napięcie DC-DC jako regulator wstępny dla LM7805, dzięki czemu rozprasza znacznie mniej ciepła podczas użytkowania urządzenia.

Po omówieniu wszystkich krótkich informacji zbudujmy to!

Krok 1: Pomysł

Jak widać na schemacie blokowym, urządzenie działa jak klasyczne podejście do konstrukcji wzmacniacza gitarowego z niewielkimi zmianami w obwodzie sterowania i interfejsie użytkownika. Istnieją w sumie trzy grupy obwodów, o których będziemy się rozwijać: analogowe, cyfrowe i zasilające, gdzie każda grupa składa się z oddzielnych podukładów (temat zostanie dobrze wyjaśniony w dalszych krokach). Aby znacznie ułatwić zrozumienie struktury projektu, wyjaśnijmy te grupy:

1. Część analogowa: Obwody analogowe znajdują się w górnej połowie schematu blokowego, jak widać powyżej. Ta część odpowiada za wszystkie sygnały przechodzące przez urządzenie.

Jack 1/4 jest wejściem mono gitarowym urządzenia i znajduje się na granicy między pudełkiem a lutowanym obwodem elektronicznym.

Kolejnym etapem jest przedwzmacniacz, oparty na układzie scalonym LM386, który jest niezwykle prosty w obsłudze w takich aplikacjach audio. LM386 zasilany jest napięciem 5V DC z głównego zasilacza, gdzie jego parametry, wzmocnienie i głośność, sterowane są za pomocą potencjometrów cyfrowych.

Trzeci stopień to wzmacniacz mocy oparty na układzie scalonym TDA2030, zasilany z zewnętrznego zasilacza 18~20V DC. W tym projekcie wzmocnienie wybrane na wzmacniaczu mocy pozostaje stałe przez cały czas pracy. Ponieważ urządzenie nie jest pojedynczą owiniętą płytką drukowaną, zaleca się użycie zmontowanego modułu TDA2030A i podłączenie go do listwy prototypowej z podłączeniem tylko pinów I/O i zasilania.

2. Część cyfrowa: Obwody cyfrowe znajdują się w dolnej połowie schematu blokowego. Odpowiadają za interfejs użytkownika i kontrolę parametrów analogowych, takich jak czas/głębokość opóźnienia, głośność i wzmocnienie.

Enkoder z wbudowanym przełącznikiem SPST jest zdefiniowany jako wejście sterujące użytkownika. Ponieważ jest zmontowany jako pojedyncza część, do prawidłowego działania wystarczy programowe lub fizyczne dołączenie rezystorów podciągających (zobaczymy to w kroku ze schematami).

Mikroprocesor jako „główny mózg” w układzie to ATMEGA328P, który jest używany w tym urządzeniu w stylu Arduino. To urządzenie, które ma całą cyfrową władzę nad obwodami i steruje wszystkim, co ma robić. Programowanie odbywa się poprzez interfejs SPI, więc możemy użyć dowolnego odpowiedniego programatora USB ISP lub zakupionego debuggera AVR. W przypadku, gdy chcesz użyć Arduino jako mikrokontrolera w układzie, jest to możliwe poprzez kompilację załączonego kodu C, który jest obecny w kroku programowania.

Potencjometry cyfrowe to kilka podwójnych układów scalonych sterowanych za pomocą interfejsu SPI przez mikrokontroler, o łącznej liczbie 4 potencjometrów zapewniających pełną kontrolę nad wszystkimi parametrami:

LCD to wyjście interfejsu użytkownika, które informuje nas o tym, co dzieje się wewnątrz pudełka. W tym projekcie wykorzystałem chyba najpopularniejszy wśród użytkowników Arduino wyświetlacz LCD 16x2.

3. Zasilanie: Zasilanie jest odpowiedzialne za dostarczanie energii (napięcia i prądu) do całego systemu. Ponieważ obwód wzmacniacza mocy jest zasilany bezpośrednio z zewnętrznego zasilacza laptopa, a wszystkie pozostałe obwody są zasilane z 5V DC, potrzebny jest regulator obniżający napięcie DC-DC lub regulator liniowy. W przypadku umieszczenia regulatora liniowego 5V podłączając go do zewnętrznego 20V, gdy prąd przepływa przez regulator liniowy do obciążenia, na regulatorze 5V odprowadzana jest ogromna ilość ciepła, nie chcemy tego. Tak więc pomiędzy linią 20V a regulatorem liniowym 5V (LM7805) znajduje się konwerter obniżający napięcie 8V DC-DC, który działa jako regulator wstępny. Takie zamocowanie zapobiega ogromnemu rozproszeniu na regulatorze liniowym, gdy prąd obciążenia osiąga wysokie wartości.

Krok 2: Części i instrumenty

Części elektroniczne:

1. Moduły:

• PT2399 - Echo\delay IC moduł.
• LM2596 - Moduł obniżający napięcie DC-DC
• TDA2030A - moduł wzmacniacza mocy 18 W
• 1602A - Wspólne LCD 16x2 znaki.
• Enkoder obrotowy z wbudowanym przełącznikiem SPST.

2. Układy scalone:

• LM386 - Monofoniczny wzmacniacz audio.
• LM7805 - Regulator liniowy 5V.
• MCP4261/MCP42100 - podwójne potencjometry cyfrowe 100KOhm
• ATMEGA328P - Mikrokontroler

3. Elementy pasywne:

A. Kondensatory:

• 5x10uF
• 2x470uF
• 1x100uF
• 3x0.1uF

B. Rezystory:

• 1x10R
• 4x10K

C. Potencjometr:

1x10K

(Opcjonalnie) Jeśli nie korzystasz z modułu PT2399 i chcesz samodzielnie zbudować obwód, wymagane są następujące części:

• PT2399
• Rezystor 1x100 K
• Kondensator 2x4.7 uF
• Kondensator 2x3.9nF
• Rezystor 2x15 K
• Rezystor 5x10K
• Rezystor 1x3.7 K
• Kondensator 1x10 uF
• 1 x 10nF kondensator
• Rezystor 1x5.6 K
• Kondensator 2x560pF
• Kondensator 2x82nF
• Kondensator 2 x 100nF
• 1x47uF kondensator

4. Złącza:

• 1 x złącze mono jack 1/4"
• 7 x podwójne bloki zacisków
• 1 x żeńskie 6-stykowe złącze rzędu
• 3 x 4-pinowe złącza JST
• 1 x męskie złącze zasilania;

Części mechaniczne:

• Głośnik o odbiorze mocy równym lub większym niż 18 W
• Drewniana obudowa
• Drewniana rama do wycięcia interfejsu użytkownika (dla LCD i enkodera obrotowego).
• Guma piankowa do obszarów głośnika i interfejsu użytkownika
• 12 wkrętów wiertarskich do części
• 4 x śruby mocujące i nakrętki do ramki LCD
• 4 x gumowa nóżka zapewniająca stabilne drgania urządzenia (rezonansowe szumy mechaniczne to powszechna rzecz w konstrukcji wzmacniacza).
• Pokrętło enkodera obrotowego

Instrumenty:

• Wkrętak elektryczny
• Pistolet do klejenia na gorąco (w razie potrzeby)
• (Opcjonalnie) Zasilacz laboratoryjny
• (Opcjonalnie) Oscyloskop
• (Opcjonalnie) Generator funkcji
• lutownica / stacja
• Mały nóż
• Małe szczypce
• Cyna lutownicza
• Pinceta
• Drut do owijania
• Wiertła
• Mała piła do cięcia drewna
• Nóż
• Pilnik do szlifowania

Krok 3: Objaśnienie schematów

Ponieważ znamy schemat blokowy projektu, możemy przejść do schematów, biorąc pod uwagę wszystko, co musimy wiedzieć o działaniu układu:

Obwód przedwzmacniacza: LM386 jest podłączony przy minimalnym uwzględnieniu części, bez konieczności używania zewnętrznych elementów pasywnych. W przypadku, gdy chcesz zmienić pasmo przenoszenia na wejście sygnału audio, takie jak wzmocnienie basów lub kontrola tonów, możesz zapoznać się z arkuszem danych LM386, o którym mowa, nie wpłynie to na ten schemat ideowy urządzenia, z wyjątkiem niewielkich zmian w połączeniach przedwzmacniacza. Ponieważ do układu scalonego używamy pojedynczego zasilacza 5 V DC, do wyjścia układu scalonego należy dodać kondensator odsprzęgający (C5) w celu usunięcia sygnału prądem stałym. Jak widać, pin sygnałowy złącza 1/4 (J1) jest podłączony do pinu 'A' digipot, a wejście nieodwracające LM386 jest podłączone do pinu 'B' digitpot, dzięki czemu mamy proste dzielnik napięcia sterowany mikrokontrolerem poprzez interfejs SPI.

Opóźnienie / obwód efektu echa: Ten obwód jest oparty na układzie scalonym efektu opóźnienia PT2399. Ten obwód wydaje się skomplikowany zgodnie z jego arkuszem danych i bardzo łatwo jest pomylić go z całkowitym lutowaniem. Zaleca się zakup kompletnego modułu PT2399, który jest już zmontowany, a jedyne co należy zrobić to wylutować z modułu potencjometry obrotowe i podłączyć przewody digipot (Wiper, 'A' i 'B'). Użyłem arkusza danych odniesienia do projektu efektu echa, z digipotami dołączonymi do wyboru okresu oscylacji i głośności sygnału zwrotnego (co powinniśmy nazwać - "głęboką"). Wejście obwodu opóźniającego, określane jako linia DELAY_IN, jest połączone z wyjściem układu przedwzmacniacza. Nie ma tego na schemacie, ponieważ chciałem, aby wszystkie obwody łączyły tylko linie zasilające, a linie sygnałowe są połączone zewnętrznymi kablami. „Jak nie jest to wygodne!”, możesz pomyśleć, ale chodzi o to, że budując analogowy obwód przetwarzający, znacznie łatwiej jest rozwiązywać problemy część po części każdego obwodu w projekcie. Zaleca się dodanie kondensatorów obejściowych do pinu zasilacza 5 V DC, ze względu na jego głośny obszar.

Zasilanie: Urządzenie jest zasilane z zewnętrznego gniazda zasilania przez zasilacz 20V 2A AC/DC. Stwierdziłem, że najlepszym rozwiązaniem, aby zmniejszyć duże straty mocy na regulatorze liniowym w postaci ciepła, jest dodanie konwertera obniżającego napięcie 8V DC-DC (U10). LM2596 to konwerter złotówki używany w wielu aplikacjach i popularny wśród użytkowników Arduino, który kosztuje mniej niż 1 $ na eBayu. Wiemy, że regulator liniowy ma spadek napięcia na swojej przepustowości (w przypadku 7805 przybliżenie teoretyczne wynosi około 2,5V), więc między wejściem a wyjściem LM7805 jest bezpieczna przerwa 3V. Nie zaleca się zaniedbywania regulatora liniowego i podłączania lm2596 bezpośrednio do linii 5V, ze względu na szum przełączania, którego tętnienie napięcia może wpływać na stabilność zasilania obwodów.

Wzmacniacz mocy: To proste, jak się wydaje. Ponieważ w tym projekcie użyłem modułu TDA2030A, jedynym wymaganiem jest podłączenie pinów zasilania i linii I/O wzmacniacza mocy. Jak wspomniano wcześniej, wejście końcówki mocy połączone jest z wyjściem układu opóźniającego za pomocą zewnętrznego kabla za pomocą wtyków. Głośnik zastosowany w urządzeniu jest podłączony do wyjścia wzmacniacza mocy za pomocą dedykowanej listwy zaciskowej.

Potencjometry cyfrowe: Prawdopodobnie najważniejsze elementy całego urządzenia, dzięki czemu można nim sterować cyfrowo. Jak widać, istnieją dwa rodzaje digipotów: MCP42100 i MCP4261. Mają ten sam pinout, ale różnią się komunikacją. Kiedy budowałem ten projekt, miałem na stanie tylko dwie ostatnie digipot, więc użyłem tego, co miałem, ale polecam użyć dwóch digipot tego samego typu MCP42100 lub MCP4261. Każdy digipot jest kontrolowany przez interfejs SPI, współdzielenie zegara (SCK) i pinów wejścia danych (SDI). Kontroler SPI w ATMEGA328P może obsługiwać wiele urządzeń poprzez napędzanie oddzielnych pinów wyboru chipa (CS lub CE). Został zaprojektowany w ten sposób w tym projekcie, w którym piny włączania układu SPI są połączone z oddzielnymi pinami mikrokontrolera. PT2399 i LM386 są podłączone do zasilania 5V, więc nie musimy się martwić wahaniami napięcia na sieci rezystorów digipot wewnątrz układów scalonych (w dużej mierze jest to omówione w arkuszu danych, w sekcji zakresu napięć na wewnętrznych rezystorach przełączających).

Mikrokontroler: Jak już wspomniano, oparty na układzie ATMEGA328P w stylu Arduino, z potrzebą pojedynczego elementu pasywnego - rezystora podciągającego (R17) na pinie resetującym. 6-pinowe złącze (J2) służy do programowania urządzenia przez programator USB ISP przez interfejs SPI (tak, ten sam interfejs, do którego podłączone są digipoty). Wszystkie piny połączone są z odpowiednimi komponentami, które przedstawia schemat ideowy. Zdecydowanie zaleca się dodanie kondensatorów obejściowych w pobliżu pinów zasilacza 5V. Kondensatory widoczne w pobliżu pinów enkodera (C27, C28) służą do zapobiegania odbijaniu się stanu enkodera na tych pinach.

LCD: Wyświetlacz ciekłokrystaliczny jest połączony w klasyczny sposób z 4-bitową transmisją danych i dodatkowymi dwoma pinami zatrzasku danych - Register select (RS) i Enable (E). LCD posiada stałą jasność i zmienny kontrast, które można regulować jednym trymerem (R18).

Interfejs użytkownika: Enkoder obrotowy urządzenia posiada wbudowany przycisk SPST, w którym wszystkie jego połączenia są wyprowadzone z opisanych pinów mikrokontrolera. Zaleca się dołączenie rezystora podciągającego do każdego pinu enkodera: A, B i SW, zamiast stosowania wewnętrznego podciągania. Upewnij się, że styki A i B kodera są podłączone do zewnętrznych styków przerwań mikrokontrolera: INT0 i INT1 w celu zapewnienia zgodności kodu urządzenia i niezawodności podczas korzystania z komponentu kodera.

Złącza i listwy zaciskowe JST: Każdy obwód analogowy: przedwzmacniacz, opóźnienie i wzmacniacz mocy są izolowane na płytce lutowanej i są połączone kablami między listwami zaciskowymi. Enkoder i LCD są podłączone do kabli JST i połączone z lutowaną płytką za pomocą złącz JST, jak opisano powyżej. Wejście jack zewnętrznego zasilania i wejście gitarowe mono jack 1/4 są połączone za pomocą bloków zaciskowych.

Krok 4: Lutowanie

Po krótkim przygotowaniu trzeba sobie wyobrazić precyzyjne rozmieszczenie wszystkich elementów na planszy. Najlepiej jest rozpocząć proces lutowania od przedwzmacniacza, a skończyć na wszystkich obwodach cyfrowych.

Oto opis krok po kroku:

1. Przylutuj obwód przedwzmacniacza. Sprawdź jego połączenia. Upewnij się, że linie uziemiające są współdzielone na wszystkich odpowiednich liniach.

2. Przylutuj moduł/IC PT2399 ze wszystkimi obwodami peryferyjnymi, zgodnie ze schematem ideowym. Ponieważ przylutowałem cały obwód opóźniający, widać, że istnieje wiele wspólnych linii, które można łatwo lutować zgodnie z każdą funkcją pinu PT2399. Jeśli masz moduł PT2399, to po prostu odlutuj potencjometry obrotowe i wlutuj linie siatki potencjometrów cyfrowych do tych zwolnionych pinów.

3. Przylutuj moduł TDA2030A, upewnij się, że złącze wyjściowe głośnika jest wyśrodkowane na zewnątrz płyty.

4. Przylutuj obwód zasilania. Umieścić kondensatory obejściowe zgodnie ze schematem ideowym.

5. Lutowany obwód mikrokontrolera ze złączem do programowania. Spróbuj go zaprogramować, upewnij się, że nie zawiedzie w procesie.

6. Przylutuj potencjometry cyfrowe

7. Przylutuj wszystkie złącza JST w obszarach zgodnie z każdym połączeniem linii.

8. Włącz płytę, jeśli masz generator funkcyjny i oscyloskop, sprawdź krok po kroku odpowiedź każdego obwodu analogowego na sygnał wejściowy (zalecane: 200mVpp, 1KHz).

9. Sprawdź oddzielnie odpowiedź obwodu na wzmacniaczu mocy i obwodzie/module opóźniającym.

10. Podłącz głośnik do wyjścia wzmacniacza mocy, a generator sygnału do wejścia, upewnij się, że słyszysz dźwięk.

11. Jeśli wszystkie przeprowadzone przez nas testy zakończą się pomyślnie, możemy przejść do etapu montażu.

Krok 5: Montaż

Prawdopodobnie jest to najtrudniejsza część projektu z punktu widzenia technicznego podejścia, chyba że masz w magazynie jakieś przydatne narzędzia do cięcia drewna. Miałem bardzo ograniczony zestaw narzędzi, więc zmuszony byłem iść twardą drogą – ręcznie wycinać skrzynkę pilnikiem do szlifowania. Omówmy podstawowe kroki:

1. Przygotowanie pudełka:

1.1 Upewnij się, że masz drewnianą obudowę o wymiarach odpowiednich do rozmieszczenia głośnika i płytki elektronicznej.

1.2 Wytnij obszar na głośnik, zdecydowanie zaleca się przymocowanie ramki z gumy piankowej do obszaru wycięcia głośnika, aby zapobiec wibracjom rezonansowym.

1.3 Wytnij oddzielną drewnianą ramę na interfejs użytkownika (LCD i enkoder). Odetnij odpowiedni obszar dla wyświetlacza LCD, upewnij się, że kierunek wyświetlacza LCD nie jest odwrócony do widoku z przodu obudowy. Po wykonaniu tej czynności wywierć otwór na enkoder obrotowy. Przymocuj wyświetlacz LCD za pomocą 4 wkrętów samowiercących i enkodera obrotowego odpowiednią nakrętką metalową.

1.4 Umieść gumę piankową na drewnianej ramie interfejsu użytkownika na całym jej obwodzie. Pomoże to również zapobiec rezonowaniu nut.

1.5 Zlokalizuj miejsce, w którym będzie znajdować się płytka elektroniczna, a następnie wywierć 4 otwory w drewnianej obudowie

1.6 Przygotuj stronę, w której będzie znajdować się gniazdo wejściowe zasilania DC i wejście gitarowe 1/4 , wywierć dwa otwory o odpowiednich średnicach. Upewnij się, że te złącza mają ten sam pinout co płytka elektroniczna (tj. biegunowość). przylutuj dwie pary przewodów do każdego wejścia.

2. Łączenie części:

2.1 Przymocuj głośnik do wybranego obszaru, upewnij się, że dwa przewody są podłączone do styków głośnika za pomocą 4 wkrętów samowiercących.

2.2 Zamocuj panel interfejsu użytkownika po wybranej stronie obudowy. Nie zapomnij o gumie piankowej.

2.3 Połącz wszystkie obwody razem za pomocą listew zaciskowych

2.4 Podłącz wyświetlacz LCD i enkoder do płytki poprzez złącza JST.

2.5 Podłącz głośnik do wyjścia modułu TDA2030A.

2.6 Podłącz wejścia zasilania i gitarowe do listew zaciskowych płyty.

2.7 Ustawić deskę w pozycji wywierconych otworów, przymocować deskę 4 wkrętami samowiercącymi od zewnętrznej strony drewnianej obudowy.

2.8 Połącz wszystkie drewniane części obudowy, aby wyglądały jak solidne pudełko.

Krok 6: Programowanie i kod

Kod urządzenia jest zgodny z zasadami rodziny mikrokontrolerów AVR i jest zgodny z MCU ATMEGA328P. Kod jest napisany w Atmel Studio, ale istnieje możliwość zaprogramowania płytki Arduino za pomocą Arduino IDE, która ma ten sam MCU ATMEGA328P. Samodzielny mikrokontroler można zaprogramować za pomocą adaptera debugowania USB zgodnego z Atmel Studio lub za pomocą programatora USP ISP, który można kupić w serwisie eBay. Powszechnie używanym oprogramowaniem do programowania jest AVRdude, ale ja wolę ProgISP - proste oprogramowanie do programowania USB ISP z bardzo przyjaznym interfejsem użytkownika.

Wszystkie potrzebne wyjaśnienia dotyczące kodu można znaleźć w załączonym pliku Amplifice.c.

Załączony plik Amplifice.hex można wgrać bezpośrednio do urządzenia, jeśli jest on w pełni zgodny ze schematem, który obserwowaliśmy wcześniej.

Krok 7: Testowanie

Cóż, po tym, jak wszystko, co chcieliśmy, zostało zrobione, przyszedł czas na testy. Wolałem testować urządzenie z moją starodawną tanią gitarą i prostym pasywnym obwodem kontroli tonu, który zbudowałem lata temu bez powodu. Urządzenie testowane jest również z cyfrowym i analogowym procesorem efektów. Nie jest przesadą, że PT2399 ma tak małą pamięć RAM do przechowywania próbek audio używanych w sekwencjach opóźniających, gdy czas między próbkami echa jest zbyt duży, echo ulega digitalizacji z dużą utratą bitów przejściowych, co jest uważane za zniekształcenie sygnału. Ale to „cyfrowe” zniekształcenia, które słyszymy, mogą się przydać jako pozytywny efekt uboczny działania urządzenia. Wszystko zależy od aplikacji, którą chcesz stworzyć na tym urządzeniu (którą jakoś nazwałem "Amplifice V1.0").

Mam nadzieję, że ta instrukcja będzie przydatna.

Dziękuje za przeczytanie!