Amplificador d’auriculars equiparat per a discapacitats auditius: 10 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

Les meves necessitats

Fa uns mesos em van equipar audiòfons per compensar la pèrdua de sensibilitat a les altes freqüències, provocant que els sons quedessin apagats i la dificultat de distingir els sigil·lants (per exemple, "S" i "F"). Però les ajudes no ofereixen cap avantatge quan s’utilitzen auriculars, ja que els micròfons es troben darrere de l’orella. Després d’experimentar amb un coll d’inducció i d’entrada directa als meus audiòfons (cap dels dos no va donar resultats satisfactoris), se m’acut la idea d’un amplificador d’auriculars amb una resposta de freqüència ajustable dissenyada per adaptar-se a la dels meus audiòfons.

Si teniu algun altre requisit per a la igualació, aquest projecte es podria adaptar fàcilment. Proporciona impuls (o tall, amb una modificació trivial) a 3 freqüències centrals. No obstant això, es podria estendre a més bandes de freqüència.

El resultat

El que vaig acabar va ser amb una petita caixa quadrada de 6 cm amb entrades de 3,5 mm i Bluetooth i una sortida per a auriculars de 3,5 mm. Em va semblar espectacular la millora de l’experiència d’escolta de la música i una gran millora de la parla.

El que us proporcionarà aquest instructiu

Deixeu-me afirmar d’entrada que no es tracta d’un projecte per a principiants. Necessitareu un nivell raonable d’habilitats de soldadura i, si voleu modificar-lo (com és possible), haureu d’aprendre Eagle per al disseny del tauler i TinkerCAD per al quadre imprès en 3D. Tots dos em van trigar una mica a dominar, però cap dels dos va ser difícil. Espero que la gent aprengui alguna cosa dels meus Instructables (tret que ja en sàpiga més que jo), i no segueixi cegament les instruccions.

Si no heu soldat mai components de muntatge superficial, no us deixeu descarregar; no és tan dur com es podria pensar. Consulteu aquesta guia per obtenir una introducció.

El que obtindreu d’aquest projecte és:

• Fitxers de disseny Eagle (esquema i disseny del tauler)
• Un full de càlcul d'Excel que incorpora les equacions de disseny per permetre personalitzar l'equalització segons les vostres necessitats
• El disseny TinkerCAD per a la caixa impresa en 3D.

Com que la comanda mínima per a la placa de circuits impresos personalitzada era de 5 peces, tinc 3 taules nues de recanvi (una venuda). Ara estan a la venda a eBay; consulteu

Pas 1: el procés de disseny: requisits i estratègia

Quan vaig començar a pensar en aquest projecte, una de les primeres preguntes que tenia al cap va ser si utilitzar filtres analògics o digitals. En un tema del fòrum All About Circuits, Keith Walker em va alertar d'un ecualitzador gràfic (analògic) molt barat de l'Extrem Orient (il·lustrat més amunt) que havia utilitzat per resoldre el mateix problema. Així que en vaig demanar una com a prova de concepte.

Funcionava bé, però era massa voluminós per al seu ús portàtil i necessitava tant rails de corrent positius com negatius, un inconvenient afegit. Però va confirmar l’enfocament i el tipus de circuits de filtre a utilitzar.

He refinat els meus requisits al següent:

• Ha de ser compacte, portàtil i alimentat per una bateria recarregable.
• Hauria d'acceptar l'entrada d'un connector de 3,5 mm o d'un Bluetooth.
• Ha de tenir canals estèreo separats esquerre i dret.

He utilitzat components convencionals de forats passants i circuits integrats de DIL de 0,3 en taulers de stripboard en molts projectes anteriors, però això ho hauria fet massa voluminós. Així que vaig decidir dissenyar un PCB personalitzat (una experiència nova per a mi) utilitzant superfície muntar components (dels quals tinc una modesta experiència). També hauria de dissenyar una caixa impresa en 3D (la meva experiència de disseny en 3D era molt limitada).

Es podria afegir fàcilment una funció Bluetooth mitjançant qualsevol dels diferents mòduls Bluetooth barats disponibles.

Hi ha 2 o 3 circuits d'equalitzador gràfic dedicats que he mirat, però l'ús de quad opamps barats semblava al final més senzill i només requeria tants components externs.

Pas 2: disseny detallat

L’element bàsic del circuit que he utilitzat es coneix com girador. Utilitza un amplificador operacional per convertir un capcitor en un inductor virtual. Això, i un condensador més, converteixen un circuit en sintonia, que proporciona un tall o un augment en un cert rang de freqüències. Molts dissenys d'equalitzadors gràfics utilitzen un disseny pràcticament idèntic i no té sentit sortir-ne. En són exemples a Electronics Today International, setembre de 1977, pàgina 27. Aquest article explica molt clarament el funcionament del circuit.

Només el vaig modificar utilitzant quad opamps que funcionarien a partir d’un únic subministrament de 5V i afegint un CI d’amplificador d’auriculars per assegurar-me que controlés adequadament els auriculars. També vaig substituir cada potenciòmetre per un potenciòmetre i una resistència per donar un impuls únic i un control més fi, ja que no necessitava tallar.

Es mostren l'esquema i el disseny del tauler (tots dos generats amb Eagle).

Una gran característica de Eagle és que inclou el paquet de simulació de circuits Spice, que permet validar el disseny i predir la resposta en freqüència abans de comprometre’s a fabricar el PCB.

La placa proporciona 2 entrades, un endoll jack de 3,5 mm i coixinets de soldadura per a la connexió d’un mòdul receptor Bluetooth. Aquests són efectivament en paral·lel. L'alimentació es pot subministrar mitjançant un endoll mini-USB o soldadors. Vaig fer servir mini en lloc de micro-USB, ja que un endoll micro-USB seria bastant difícil de soldar a mà i també és menys robust.

Pas 3: Instal·lació i configuració de Eagle

Si voleu enviar el disseny del tauler a la fabricació, modifiqueu el disseny o simplement modifiqueu la corba de resposta, haureu d’instal·lar Eagle. Si (com jo quan vaig començar aquest projecte) no el coneixeu, el lloc web SparkFun té una sèrie de tutorials útils a

El primer que s’ha de mirar és Com instal·lar i configurar Eagle.

Això inclou la instal·lació de les biblioteques SparkFun. El fitxer zip descarregat conté una carpeta SparkFun-Eagle-Libraries-master que hauríeu de copiar a EAGLE / libraries

També heu d’importar els meus fitxers esquemàtics i de disseny del tauler Eagle i els meus models Spice. (Spice és el programari de simulació de circuits que ens permet simular la resposta en freqüència de l'amplificador).

Totes elles s’inclouen en un fitxer zip des del qual es pot descarregar

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Obriu el fitxer zip i arrossegueu i deixeu anar els projectes i les carpetes especiades a la vostra carpeta EAGLE. (Ja contindrà una carpeta de projectes buida.)

Ara hauríeu d'estar preparats per llançar Eagle.

Al tauler esquerre, obriu Projectes, després Projectes i, a continuació, Amplificador per a auriculars igualats.

Feu doble clic als fitxers Headphone_Amp.brd i Headphone_Amp.sch. S’obriran en finestres separades, la primera mostra el disseny del tauler i la segona l’esquema.

A l'esquema, cerqueu i feu clic al botó Simula.

Això obre la configuració de simulació. Feu clic al botó d'opció AC Sweep, configureu el tipus a Des (el valor per defecte) i el Freq inicial i final a 100 i 10000 respectivament. Feu clic al botó Simula a la part inferior dreta. Després d'una pausa, apareixerà un gràfic de la resposta en freqüència, tal com es mostra al següent pas.

Pas 4: ajustar la corba de resposta

És probable que les vostres orelles siguin diferents de les meves, de manera que primer necessiteu una còpia del vostre audiograma. El vostre audiòleg hauria de poder proporcionar-vos això, però si teniu un bon parell d’auriculars, podeu fer-vos els vostres propis anant a

Això us ha de donar una bona idea de la quantitat d’impuls que necessiteu a diferents freqüències. En el meu cas, la pèrdua d’audició augmenta ràpidament per sobre dels 3 kHz, cosa que fa inviable compensar molt per sobre d’aquesta. En qualsevol cas, uns quants experiments que analitzen l’espectre de diverses fonts amb Audacity van indicar que probablement no hi hagués gaire més que faltés.

Tal com està, el projecte us permet ajustar la resposta de freqüència a 3 freqüències centrals d’1,5, 2,3 i 3,3 kHz, independentment entre els canals esquerre i dret. Podeu seguir aquestes freqüències o canviar-les (vegeu el següent pas).

A la vostra carpeta EAGLE / spice trobareu models per als tres trimpots POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl i POT_VR131.mdl. Aquests controlen la resposta a les 3 freqüències. En obrir qualsevol d'aquestes funcions amb un editor de text (per exemple, Bloc de notes), apareixerà una línia com ara:

.param VAR = 50

Canvieu el número a qualsevol cosa entre 0 i 100 per representar la posició del trimpot corresponent i, per tant, l’augment d’aquesta freqüència a qualsevol cosa des de zero fins a màxima.

Ara torneu a executar la simulació (feu clic a Actualitza la llista de Net abans de fer clic a Simula) per veure com és ara la resposta de freqüència.

Pas 5: Canviar les freqüències centrals

A la carpeta Eagle Project, he inclòs un full de càlcul Excel Calc.xlsx. Obriu-lo amb Excel (o si no teniu Excel, el LibreOffice Calc, que és gratuït). Aquest full de càlcul incorpora els càlculs de disseny per a només una de les 3 seccions de filtre.

El primer quadre us permet calcular la freqüència central i el factor Q per a valors donats de R1, R2, C1 i C2. (El factor Q o Qualitat determina l'amplada de la banda. Un valor més elevat proporciona una banda més estreta i més impuls. Els valors al voltant de 4 semblen funcionar bé si cada freqüència és aproximadament un 50% més gran que l'anterior.)

De fet, és més probable que vulgueu triar les freqüències i calcular els valors dels components. Donada la freqüència desitjada i tres dels quatre valors dels components, el segon quadre us permet calcular el valor del quart component.

Els components tenen un valor preferit (per exemple, la sèrie E12), de manera que podeu triar el valor preferit més proper al valor calculat i tornar-lo a introduir al primer quadre per veure quina freqüència real proporciona.

A continuació, haureu de connectar els vostres valors a l'esquema Eagle i repetir la simulació.

Obriu l'esquema i, al tauler esquerre, feu clic a la icona del valor del component i, a continuació, feu clic al component que vulgueu canviar. (La simulació està configurada per funcionar només al canal inferior o esquerre). Rebreu un avís que diu que el component no té cap valor definible per l'usuari. El voleu canviar? És clar que sí! Introduïu el valor nou al quadre que apareix.

Feu clic al botó Simula, feu clic a Actualitza la llista de Net i, a continuació, a Simula.

Pas 6: components necessaris

Per descomptat, necessitareu una placa de circuit. Tret que utilitzeu una de les meves taules nues de recanvi, haureu d'enviar els fitxers Eagle per fabricar-los. La majoria dels fabricants requereixen el disseny com un conjunt de fitxers gerber. En lloc de duplicar les instruccions aquí, cerqueu en línia Eagle export gerber o consulteu el tutorial de Sparkfun.

Els fitxers gerber separats descriuen les capes de coure, la màscara de soldar, la serigrafia, la perforació i el fresat del contorn del tauler.

En enviar els fitxers en línia a un fabricant, els validarà i us avisarà si falten fitxers essencials. Però no us avisarà si falta un fitxer de serigrafia, que va ser el meu error. Això és diferent dels esquemes del dispositiu.

Necessitareu els components següents per omplir el tauler.

• TL084 SOIC-14 quad op amplificador - 2 apagats
• LM4880M SOIC 250mW amplificador de potència - 1 apagat
• 0603 Assortiment de resistències SMD
• 0603 Assortiment de condensadors ceràmics SMD 100pF - 1μF
• Pot de retall 5K 3362P-502 - 6 de descompte
• 10uF 16V SMD 0805 Multicapa Condensador multicapa de ceràmica - 4 apagats
• 2917 (EIA7343) Condensador de tàntal 100μF 16V - 2 apagats
• 2917 (EIA7343) Condensador de tantal 470μF 10V - 2 apagats
• Connector SMD Mini USB femella de 5 pins
• Connector d'àudio estèreo de 3,5 mm amb forat passant
• LED blau de 3 mm (o el color que trieu)

Per a una unitat completa amb bateria amb entrada Bluetooth, també necessitareu:

• Mòdul receptor Bluetooth compatible amb A2DPsuch com aquest
• Bateria LiPo: 503035 3,7 V 500 mAhr
• Carregador TP4056 LiPo amb entrada mini-USB (o microUSB si ho preferiu) com aquest
• Convertidor d’impulsos de 3V a 5V com aquest
• Mini interruptor lliscant SPDT

Nota: és probable que el carregador LiPo estigui configurat per a un corrent de càrrega de 1A, que és massa gran per a una bateria de 500 mAhr. És important que traieu la resistència de programació de la taxa de càrrega (normalment 1,2 K connectada al pin 2 del xip TP4056) i que la substituïu per una de 3,3 k.

Vaig fer servir una bateria LiPo amb cable, però una amb un connector JST en miniatura permetria connectar-la només després de connectar-se i comprovar tota la resta, a més de facilitar la seva substitució.

És preferible un mòdul Bluetooth que funcioni amb 3,3 V o 5 V, ja que pot prendre el subministrament directament de la bateria, reduint el soroll digital del subministrament de 5 V a la placa de circuit principal.

Si escolliu un mòdul Bluetooth compatible amb AVRCP i A2DP, podeu afegir botons per augmentar / baixar volum i la pista següent / anterior.

Molts mòduls Bluetooth tenen un LED de muntatge superficial per indicar l’estat de la connexió i el carregador TP4056 té LED de muntatge superficial vermell i verd per indicar l’estat de càrrega. Un quadre com el que he creat probablement els amagarà, de manera que es poden substituir (vegeu més endavant) per:

• LED blau de 3 mm
• LED ànode comú vermell / verd de 3 mm.

Pas 7: utilitzar un prototip de placa nua

Si heu obtingut un dels meus prototips de recanvi, només heu de tenir en compte alguns errors menors.

• No hi ha cap serigrafia a la part superior del tauler. Trobareu útil tenir a mà una còpia impresa del disseny del tauler a mesura que la completeu.
• Un parell de vies havien de connectar els plans de terra superior i inferior que no. Això no té cap conseqüència.
• C3 era originalment 100uF, en un paquet 2917. Aquest valor era massa gran i ara és 1uF 0603. Haureu de raspar una mica de la resistència de soldadura del pla de terra per adaptar-lo, tal com es mostra a la foto.

El guany està establert pels valors de les resistències R106 i R206. 22k proporciona aproximadament un guany d’unitat. Com que és possible que vulgueu experimentar amb valors diferents, he proporcionat coixinets de resistència SMD 0603 i forats a un pas de 0,3 polzades per a resistències de filferro.

Pas 8: Boxar-lo

Podeu trobar el disseny imprimible en 3D de la caixa que he utilitzat a tinkercad.com. Les distàncies eren una mica massa reduïdes, de manera que he augmentat la longitud i l’amplada de la caixa en 1 mm.

A la part inferior de la caixa hi ha compartiments per a la bateria, el carregador, el convertidor amplificador de 5 V i el mòdul Bluetooth. La placa d’amplificadors d’auriculars s’adapta a la part superior. La tapa es reté mitjançant dos cargols autotapejants M2x5mm.

Hi ha mòduls de carregador idèntics i de 5 V amplis disponibles, però hi ha molts mòduls Bluetooth diferents. Si algun d'aquests és diferent del meu, haureu de modificar el disseny de la caixa.

Un cop al seu lloc, podeu retenir lleugerament els mòduls amb cola de fusió en calent.

Pas 9: connectar-lo

A efectes de proves, he adjuntat tots els mòduls a un tros de cartró mitjançant blu-tac. A partir d’això, vaig trobar que l’encaminament de les connexions de terra era fonamental. La terra del mòdul Bluetooth s’ha de dirigir a l’amplificador d’auriculars juntament amb els canals “let” i “right”, però la connexió a terra del tauler de distribució ha d’anar al mòdul Bluetooth, no a l’amplificador d’auriculars; en cas contrari, obtindreu molt de soroll digital des del mòdul Bluetooth de la sortida.

Vaig muntar l'interruptor d'encesa / apagada en un petit tros de tauler de fusta, de 6 tires d'ample per 5 de llarg i amb un retall de 2x4 per a l'interruptor. Això també serveix com a tauler de distribució d’energia. Quan estava completament connectat, vaig enganxar l'interruptor al seu lloc (amb el tauler de fusta enganxat) amb cola epoxi. Si tornés a fer el projecte, disposaria l’interruptor de la placa amplificador d’auriculars.

Per cablejar-lo, cal un filferro bastant prim, de manera que vaig dividir una longitud de cable de cinta arc de Sant Martí, que em va donar cables individuals de diferents colors. Normalment passaries els cables per un forat d’una placa i els soldaries a l’altre costat, però amb els diversos mòduls al seu lloc a la base de la caixa, havia de soldar-me al mateix costat de la placa que entrava el cable, amb només una mica més d'aïllament pelat del que no hauria estat necessari. Vaig haver de muntar el tauler de tires de coure cap amunt i soldar les connexions de manera similar.

Volia que els LEDs del carregador i els mòduls Bluetooth fossin visibles, així que vaig treure els LED SMD integrats i vaig connectar els coixinets a LEDs de 3 mm. Vaig fer forats a la caixa perquè no els havia permès a la meva caixa impresa en 3D. Els vaig connectar a les pastilles de soldadura dels mòduls amb filferro esmaltable soldable. Està recobert de poliuretà autofluent que es fon sota la calor d’un soldador.

Per al mòdul de carregador, he utilitzat un LED d’ànode comú vermell / verd. L'ànode comú s'ha de connectar a qualsevol dels coixinets LED SMD més propers a la vora de la placa (cosa que podeu confirmar amb un multímetre). Si el vostre mòdul Bluetooth té un LED SMD, haureu de determinar la polaritat amb un multímetre. Alguns mòduls tenen connexions per a un LED extern.

Abans d’inserir l’amplificador d’auriculars a la caixa dels altres mòduls, he trobat que cal col·locar trossos de cinta de PVC a la part superior de dos condensadors electrolítics del mòdul Bluetooth i de la presa de càrrega mini-USB per evitar curtmetratges amb el part inferior de l'amplificador d'auriculars.

Pas 10: millores

Si volgués convertir-ho en un producte, sens dubte hi hauria coses que canviaria, però després d'haver-me convertit en un gadget que serveixi per al meu propòsit, passaré a altres projectes.

El circuit:

• Una font d'alimentació bipolar podria haver estat millor. Atès que el corrent generat pels opamps és petit, un inversor de tensió de la bomba capacitiva com MAX660 hauria proporcionat fàcilment el subministrament negatiu.
• Amb un subministrament bipolar, el convertidor d’augment de 5V no seria necessari per als amplificadors operatius. L’amplificador d’auriculars LM4880 funcionarà amb la tensió de sortida bruta d’una bateria LiPo, tot i que la potència màxima de sortida es reduirà de 250 mW per canal a uns 100 mW per canal.

El tauler:

• La mida del tauler és el que va sortir del procés de disseny, però reduir-la a una mida exacta com 6x6cm hauria fet que el disseny de la caixa sigui una mica més fàcil.
• De la mateixa manera, hauria estat més net haver col·locat les preses d'entrada i sortida de 3,5 mm en línia i exactament al mig dels dos costats. Això també hauria facilitat el disseny de la caixa.
• Hauria estat senzill embarcar el circuit del carregador LiPo. El convertidor d’impulsió de 3 a 5V no seria necessari amb un subministrament bipolar, de manera que s’estalvien 2 mòduls separats.
• Amb un senzill carregador TP4056 que s’utilitza, es pot sobrecarregar la bateria si intenteu carregar-la amb la unitat engegada. Els carregadors una mica més sofisticats inclouen un circuit de protecció senzill, que valdria la pena incloure.
• Amb les modificacions anteriors, l'interruptor es podria muntar al tauler. El mètode de muntatge del commutador a la caixa impresa en 3D no era l’ideal.
• Un commutador de 3 pols a 3 pols permetria alimentar el mòdul Bluetooth només quan fos necessari.

La Caixa:

• El muntatge dels mòduls en 2 capes va fer que el muntatge fos més dur del que calia i que una caixa més prima però més gran podria tenir una butxaca millor.
• L'interruptor s'encén fàcilment sense voler. Hauria estat senzill incloure guàrdies al voltant al disseny de la impressió 3D per evitar-ho.

Altres aplicacions:

Si, potser com a audiòfil, només voleu un amplificador d’auriculars igualat que doni impuls i tall a diverses freqüències, podeu utilitzar bàsicament el mateix disseny.

Per donar tant impuls com tall, elimineu R113, R123, R133 i R213, R223, R233 (o substituïu-los per resectors de 0Ω) i substituïu els trimpots per 10k (pots lliscants si ho preferiu).

Podeu afegir tantes instàncies del circuit giratori com necessiteu.