Wzmacniacz biurkowy z wizualizacją audio, zegarem binarnym i odbiornikiem FM: 8 kroków (ze zdjęciami)

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

Lubię wzmacniacze i dzisiaj podzielę się moim niedawno wykonanym wzmacniaczem biurkowym małej mocy. Zaprojektowany przeze mnie wzmacniacz ma kilka ciekawych funkcji. Posiada zintegrowany zegar binarny i może podawać czas i datę oraz może wizualizować dźwięk często nazywany analizatorem widma dźwięku. Można go używać jako odbiornika FM lub odtwarzacza MP3. Jeśli podoba Ci się mój wzmacniacz zegarowy, wykonaj poniższe czynności, aby wykonać własną kopię.

Krok 1: Dobre wskazówki dotyczące projektowania wzmacniaczy

Zaprojektowanie dobrej jakości obwodu audio bez szumów jest naprawdę trudne nawet dla doświadczonego projektanta. Dlatego powinieneś postępować zgodnie z kilkoma wskazówkami, aby ulepszyć swój projekt.

Moc

Wzmacniacze głośnikowe są zazwyczaj zasilane bezpośrednio z głównego napięcia systemu i wymagają stosunkowo wysokiego prądu. Rezystancja w śladzie spowoduje spadki napięcia, które zmniejszają napięcie zasilania wzmacniacza i marnują energię w systemie. Rezystancja śladowa powoduje również przekształcenie normalnych wahań prądu zasilającego w wahania napięcia. Aby zmaksymalizować wydajność, użyj krótkich, szerokich ścieżek dla wszystkich zasilaczy wzmacniacza.

Grunt

Uziemienie odgrywa pojedynczą, najważniejszą rolę w określaniu, czy potencjał urządzenia jest osiągany przez system. Słabo uziemiony system będzie prawdopodobnie charakteryzował się wysokimi zniekształceniami, szumami, przesłuchami i podatnością na fale radiowe. Chociaż można kwestionować, ile czasu należy poświęcić na uziemienie systemu, starannie zaprojektowany schemat uziemienia zapobiega wystąpieniu dużej liczby problemów.

Ziemia w każdym systemie musi służyć dwóm celom. Po pierwsze, jest to droga powrotna dla wszystkich prądów płynących do urządzenia. Po drugie, jest to napięcie odniesienia zarówno dla obwodów cyfrowych, jak i analogowych. Uziemienie byłoby prostym ćwiczeniem, gdyby napięcie we wszystkich punktach uziemienia było takie samo. W rzeczywistości nie jest to możliwe. Wszystkie przewody i ścieżki mają skończoną rezystancję. Oznacza to, że ilekroć przez ziemię przepływa prąd, nastąpi odpowiedni spadek napięcia. Każda pętla drutu tworzy również cewkę indukcyjną. Oznacza to, że zawsze, gdy prąd płynie z akumulatora do obciążenia iz powrotem do akumulatora, ścieżka prądowa ma pewną indukcyjność. Indukcyjność zwiększa impedancję uziemienia przy wysokich częstotliwościach.

Chociaż zaprojektowanie najlepszego systemu naziemnego dla konkretnego zastosowania nie jest prostym zadaniem, pewne ogólne wytyczne mają zastosowanie do wszystkich systemów.

1. Ustanowienie ciągłej płaszczyzny uziemienia dla obwodów cyfrowych: prąd cyfrowy w płaszczyźnie uziemienia ma tendencję do podążania tą samą trasą, którą obrał pierwotny sygnał. Ta ścieżka tworzy najmniejszą pętlę dla prądu, minimalizując w ten sposób efekty anteny i indukcyjność. Najlepszym sposobem zapewnienia, że wszystkie ścieżki sygnału cyfrowego mają odpowiednią ścieżkę uziemienia, jest ustanowienie ciągłej płaszczyzny uziemienia na warstwie bezpośrednio przylegającej do warstwy sygnału. Warstwa ta powinna pokrywać ten sam obszar, co cyfrowy ślad sygnału i mieć jak najmniej przerw w ciągłości. Wszystkie przerwy w płaszczyźnie uziemienia, w tym przelotki, powodują przepływ prądu uziemienia w większej pętli niż jest to idealne, zwiększając w ten sposób promieniowanie i hałas.
2. Trzymaj prądy doziemne oddzielnie: Prądy doziemne dla obwodów cyfrowych i analogowych muszą być oddzielone, aby prądy cyfrowe nie powodowały szumów w obwodach analogowych. Najlepszym sposobem na osiągnięcie tego jest prawidłowe rozmieszczenie komponentów. Jeśli wszystkie obwody analogowe i cyfrowe zostaną umieszczone na oddzielnych częściach płytki drukowanej, prądy uziemienia będą naturalnie izolowane. Aby to działało dobrze, sekcja analogowa musi zawierać tylko obwody analogowe na wszystkich warstwach PCB.
3. Użyj techniki uziemienia gwiazdy dla obwodów analogowych: Wzmacniacze mocy audio mają tendencję do pobierania stosunkowo dużych prądów, które mogą niekorzystnie wpływać zarówno na ich własne, jak i inne uziemienia w systemie. Aby zapobiec temu problemowi, należy zapewnić dedykowane ścieżki powrotne dla zmostkowanych uziemień wzmacniacza i powrotów uziemienia gniazda słuchawkowego. Izolacja umożliwia przepływ tych prądów z powrotem do akumulatora bez wpływu na napięcie innych części płaszczyzny uziemienia. Należy pamiętać, że te dedykowane ścieżki powrotne nie powinny być prowadzone pod cyfrowymi ścieżkami sygnału, ponieważ mogą one blokować cyfrowe prądy powrotne.
4. Maksymalizuj efektywność kondensatorów obejściowych: Prawie wszystkie urządzenia wymagają kondensatorów obejściowych, aby zapewnić chwilowy prąd. Aby zminimalizować indukcyjność między kondensatorem a stykiem zasilania urządzenia, umieść te kondensatory jak najbliżej styku zasilania, który omijają. Każda indukcyjność zmniejsza skuteczność kondensatora obejściowego. Podobnie kondensator musi mieć połączenie z ziemią o niskiej impedancji, aby zminimalizować impedancję wysokiej częstotliwości kondensatora. Bezpośrednio podłącz stronę uziemienia kondensatora do płaszczyzny uziemienia, zamiast prowadzić go przez ścieżkę.
5. Zalej cały nieużywany obszar PCB uziemieniem: Gdy dwa kawałki miedzi biegną blisko siebie, powstaje między nimi małe sprzężenie pojemnościowe. Poprzez przepływ ziemi w pobliżu śladów sygnału, niechciana energia o wysokiej częstotliwości w liniach sygnałowych może zostać przesunięta do ziemi przez sprzężenie pojemnościowe.

Staraj się trzymać zasilacze, transformatory i zaszumione obwody cyfrowe z dala od obwodów audio. Użyj oddzielnego połączenia uziemiającego dla obwodu audio i dobrze jest nie używać płaszczyzn uziemiających dla obwodów audio. Połączenie masy (GND) wzmacniacza audio jest bardzo ważne w porównaniu z masą innych tranzystorów, układu scalonego itp. Jeśli pomiędzy nimi występuje szum masy, wzmacniacz będzie go wyprowadzał.

Rozważ zasilanie ważnych układów scalonych i wszystkiego, co wrażliwe, używając rezystora 100R między nimi a +V. Dołącz kondensator o przyzwoitej wielkości (np. 220uF) po stronie układu scalonego rezystora. Jeśli układ scalony będzie pobierał dużo mocy, upewnij się, że rezystor sobie z tym poradzi (wybierz wystarczająco wysoką moc i w razie potrzeby zapewnij radiator miedzi na płytce drukowanej) i pamiętaj, że na rezystorze wystąpi spadek napięcia.

W przypadku projektów opartych na transformatorach chcesz, aby kondensatory prostownika znajdowały się jak najbliżej pinów prostownika i były połączone za pomocą własnych grubych ścieżek ze względu na duże prądy ładowania na samym szczycie wyprostowanej fali sinusoidalnej. Ponieważ napięcie wyjściowe prostownika przekracza napięcie zanikające kondensatora, w obwodzie ładowania wytwarzany jest szum impulsowy, który może zostać przeniesiony do obwodu audio, jeśli mają ten sam kawałek miedzi w jednej z linii zasilających. Nie można pozbyć się prądu ładowania impulsowego, więc znacznie lepiej jest utrzymywać kondensator w pobliżu prostownika mostkowego, aby zminimalizować te impulsy o wysokim natężeniu prądu. Jeśli wzmacniacz audio znajduje się w pobliżu prostownika, nie umieszczaj dużego kondensatora obok wzmacniacza, aby uniknąć tego kondensatora powodującego ten problem, ale jeśli jest niewielka odległość, dobrze jest dać wzmacniaczowi własny kondensator, ponieważ staje się pływak ładowany z zasilacza i ma stosunkowo wysoką impedancję ze względu na długość miedzi.

Zlokalizuj regulatory napięcia, które są używane przez obwody audio w pobliżu wejścia prostowników / zasilacza i podłącz je również do ich własnych połączeń.

Sygnały

Tam, gdzie to możliwe, unikaj sygnałów audio dochodzących i wychodzących z układów scalonych biegnących równolegle na płytce drukowanej, ponieważ może to powodować oscylacje, które są przesyłane z wyjścia z powrotem do wejścia. Pamiętaj, że tylko 5mV może powodować duże przydźwięki!

Utrzymuj cyfrowe płaszczyzny uziemienia z dala od GND audio i ogólnie obwodów audio. Przydźwięk może być wprowadzony do audio po prostu ze ścieżek znajdujących się zbyt blisko płaszczyzn cyfrowych.

Podczas łączenia się z innym sprzętem, jeśli zasilasz inną płytkę, która zawiera obwody audio (zamierza dawać lub odbierać sygnał audio), upewnij się, że jest tylko 1 punkt, w którym GND łączy się między 2 płytami i idealnie powinno to być na połączeniu analogowego sygnału audio punkt.

W przypadku połączeń IO sygnału z innymi urządzeniami / światem zewnętrznym dobrym pomysłem jest użycie rezystora 100R między obwodami GND a GND świata zewnętrznego, aby wszystko (w tym cyfrowe części obwodu) zatrzymać tworzenie pętli uziemienia.

Kondensatory

Używaj ich wszędzie tam, gdzie chcesz oddzielić sekcje od siebie. Wartości do użycia: 220nF jest typowe, 100nF jest w porządku, jeśli chcesz zmniejszyć rozmiar / koszt, najlepiej nie schodzić poniżej 100nF.

Nie używaj kondensatorów ceramicznych. Powodem jest to, że kondensatory ceramiczne nadają sygnałowi AC efekt piezoelektryczny, który powoduje szum. Użyj jakiegoś typu Poly – polipropylen jest najlepszy, ale każdy się nada. Prawdziwe głowy audio mówią również, że nie używają elektrolitów w linii, ale wielu projektantów robi to bez problemu – jest to prawdopodobnie w przypadku zastosowań o wysokiej czystości, a nie ogólnych standardowych projektów audio.

Nie używaj kondensatorów tantalowych w żadnym miejscu ścieżek sygnału audio (niektórzy projektanci mogą się z tym nie zgodzić, ale mogą powodować straszne problemy)

Powszechnie akceptowanym substytutem poliwęglanu jest PPS (siarczek polifenylenu).

Wysokiej jakości kondensatory z folią poliwęglanową i polistyrenową oraz kondensatory teflonowe i kondensatory ceramiczne NPO/COG mają bardzo niskie współczynniki napięciowe pojemności, a co za tym idzie bardzo niskie zniekształcenia, a wyniki są bardzo wyraźne przy użyciu analizatorów widma oraz uszu.

Unikaj ceramicznych dielektryków o wysokim współczynniku K, mają one wysoki współczynnik napięciowy, który, jak sądzę, mógłby doprowadzić do pewnych zniekształceń, gdyby zostały użyte w stopniu kontroli barwy.

Rozmieszczenie komponentów

Pierwszym krokiem każdego projektu PCB jest wybór miejsca umieszczenia komponentów. To zadanie nazywa się „planowaniem podłogi”. Ostrożne rozmieszczenie komponentów może ułatwić routing sygnału i partycjonowanie uziemienia. Minimalizuje odbiór hałasu i wymaganą powierzchnię płyty.

Należy wybrać rozmieszczenie komponentów w sekcji analogowej. Elementy powinny być umieszczone tak, aby zminimalizować odległość, jaką pokonują sygnały audio. Umieść wzmacniacz audio jak najbliżej gniazda słuchawkowego i głośnika. Takie umiejscowienie zminimalizuje promieniowanie EMI ze wzmacniaczy głośnikowych klasy D i zminimalizuje podatność na zakłócenia sygnałów słuchawkowych o niskiej amplitudzie. Umieść urządzenia dostarczające dźwięk analogowy jak najbliżej wzmacniacza, aby zminimalizować odbiór szumów na wejściach wzmacniacza. Wszystkie ślady sygnału wejściowego będą działały jak anteny dla sygnałów RF, ale skrócenie śladów pomaga zmniejszyć wydajność anteny dla częstotliwości, które zwykle budzą obawy.

Krok 2: Potrzebujesz…

1. Układ scalony wzmacniacza audio TEA2025B (ebay.com)

2. 6 sztuk kondensatorów elektrolitycznych 100uF (ebay.com)

3. 2 szt. Kondensator elektrolityczny 470uF (ebay.com)

4. 2 szt. Kondensator 0,22 uF;

5. 2 szt. Kondensator ceramiczny 0,15 uF;

6. Podwójny potencjometr regulacji głośności (50 - 100K) (ebay.com)

7. 2 szt. Głośników 4 ohm 2.5 W

8. Moduł odbiornika MP3 + FM (ebay.com)

9. Matryca LED ze sterownikiem IC (Adafruit.com)

10. Płyta Vero i niektóre przewody.

11. Arduino UNO (Adafruit.com)

12. Moduł RTC DS1307 (Adafruit.com)

Krok 3: Tworzenie obwodu wzmacniacza

Zgodnie z załączonym schematem połączeń wlutuj wszystkie elementy do płytki drukowanej. Użyj dokładnej wartości kondensatorów. Uważaj na polaryzację kondensatorów elektrolitycznych. Staraj się, aby wszystkie kondensatory znajdowały się jak najbliżej układu scalonego, aby zminimalizować hałas. Bezpośrednio przylutuj układ scalony bez użycia podstawy układu scalonego. Upewnij się, że przeciąłeś ścieżki między dwiema stronami układu scalonego wzmacniacza. Wszystkie połączenia lutowane powinny być idealne. Jest to obwód wzmacniacza audio, więc bądź profesjonalny w kwestii połączenia lutowanego, a zwłaszcza uziemienia (GND).

Krok 4: Testowanie obwodu za pomocą głośnika

Po wykonaniu wszystkich połączeń i lutowaniu podłącz dwa głośniki 4 ohm 2,5 W do obwodu wzmacniacza. Podłącz źródło dźwięku do obwodu i włącz je. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, usłyszysz dźwięk bez szumów.

Do wzmocnienia dźwięku użyłem układu scalonego wzmacniacza audio TEA2025B. Jest to ładny układ wzmacniacza audio, który pracuje w szerokim zakresie napięć (3 V do 9 V). Możesz więc przetestować go z dowolnym napięciem w zakresie. Używam zasilacza 9V i działa dobrze. IC może działać w trybie połączenia podwójnego lub mostkowego. Więcej informacji na temat układu wzmacniacza można znaleźć w arkuszu danych.

Krok 5: Przygotowanie panelu przedniego z matrycą punktową

Do wizualizacji sygnału audio oraz wyświetlania daty i czasu ustawiłem wyświetlacz z matrycą punktową z przodu obudowy wzmacniacza. Aby ładnie wykonać tę pracę, użyłem narzędzia obrotowego, aby wyciąć ramę zgodnie z rozmiarem matrycy. Jeśli Twój wyświetlacz nie ma zintegrowanego układu sterownika, użyj go osobno. Preferuję matrycę Bi-color od Adafruit. Po wybraniu idealnego wyświetlacza matrycowego dopasuj wyświetlacz do podłoża za pomocą gorącego kleju.

Podłączymy go później do płytki Arduino. Dwukolorowy wyświetlacz firmy Adafruit wykorzystuje protokół i2c do komunikacji z mikrokontrolerem. Tak więc połączymy pin SCL i SDA układu scalonego sterownika z płytą Arduino.

Krok 6: Programowanie za pomocą Arduino

Połącz dwukolorowy wyświetlacz z matrycą punktową Adafruit Smart jako:

1. Podłącz pin Arduino 5V do matrycy LED + pin.
2. Połącz pin Arduino GND zarówno z pinem GND wzmacniacza mikrofonowego, jak i matrycą LED – pin.
3. Możesz użyć szyny zasilającej płytki stykowej lub Arduino ma dostępnych wiele pinów GND. Podłącz analogowy pin 0 Arduino do pinu sygnału audio.
4. Podłącz piny Arduino SDA i SCL odpowiednio do pinów plecaka matrycy D (dane) i C (zegar).
5. Wcześniejsze płyty Arduino nie zawierają pinów SDA i SCL - zamiast tego użyj pinów analogowych 4 i 5.
6. Prześlij załączony program i przetestuj, czy działa, czy nie:

Zacznij od pobrania repozytorium Piccolo z Github. Wybierz przycisk „pobierz ZIP”. Po zakończeniu rozpakuj wynikowy plik ZIP na dysku twardym. Wewnątrz będą dwa foldery: „Piccolo” należy przenieść do zwykłego folderu szkicownika Arduino. „ffft” należy przenieść do folderu Arduino „Libraries” (wewnątrz folderu szkicownika - jeśli go tam nie ma, utwórz go). Jeśli nie wiesz, jak zainstalować biblioteki Arduino, postępuj zgodnie z tym samouczkiem. I nigdy nie instaluj w folderze Library sąsiadującym z samą aplikacją Arduino… właściwa lokalizacja to zawsze podkatalog Twojego folderu domowego! Jeśli nie masz jeszcze zainstalowanej biblioteki Adafruit LED Backpack Library (do korzystania z matrycy LED), pobierz i zainstaluj to również. Po umieszczeniu folderów i bibliotek uruchom ponownie Arduino IDE, a szkic „Piccolo” powinien być dostępny z menu Plik->Sketchbook.

Po otwarciu szkicu Piccolo wybierz typ karty Arduino i port szeregowy z menu Narzędzia. Następnie kliknij przycisk Prześlij. Po chwili, jeśli wszystko pójdzie dobrze, zobaczysz komunikat „Gotowe przesyłanie”. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, zobaczysz widmo audio dla dowolnego wejścia audio.

Jeśli twój system działa dobrze, prześlij kompletny szkic.ino dołączony do kroku dodawania zegara binarnego z wizualizacją audio. Dla dowolnego wejścia audio głośnik wyświetli widmo audio, w przeciwnym razie pokaże godzinę i datę.

Krok 7: Naprawianie wszystkich rzeczy razem

Teraz przymocuj obwód wzmacniacza, który zbudowałeś w poprzednim etapie, do pudełka za pomocą gorącego kleju. Postępuj zgodnie z obrazkami dołączonymi do tego kroku.

Po podłączeniu obwodu wzmacniacza, teraz podłącz moduł odbiornika MP3 + FM do pudełka. Przed przymocowaniem kleju wykonaj test, aby upewnić się, że działa. Jeśli działa dobrze, napraw to za pomocą kleju. Wyjście audio modułu MP3 należy połączyć z wejściem układu wzmacniacza.

Krok 8: Połączenia wewnętrzne i produkt końcowy

Jeśli głośnik odbiera sygnał audio, pokazuje widmo audio, w przeciwnym razie pokazuje datę i godzinę w formacie binarnym BCD. Jeśli lubisz programowanie i technologię cyfrową, to na pewno lubisz binarne. Lubię zegar binarny i binarny. Wcześniej zrobiłem binarny zegarek na rękę, a format czasu jest dokładnie taki sam jak mój poprzedni zegarek. Tak więc, aby zilustrować format czasu, dodałem poprzedni obraz mojego zegarka bez tworzenia innego.

Dziękuję.

IV nagroda w konkursie Circuits 2016

I nagroda w Konkursie Wzmacniaczy i Głośników 2016