Amplificador de guitarra de 18W controlat digitalment: 7 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Fa un parell d’anys vaig construir un amplificador de guitarra de 5W, que era una mena de solució al meu sistema d’àudio en aquell moment, i recentment vaig decidir construir-ne un de molt més potent i sense utilitzar components analògics per a la interfície d’usuari. com els potenciòmetres rotatius i els interruptors de palanca.

L’amplificador de guitarra de 18W controlat digitalment és un amplificador de guitarra mono de 18W autònom, controlat digitalment, amb sistema de retard d’efecte i una elegant pantalla de cristall líquid que proporciona informació exacta del que passa al circuit.

Les característiques del projecte:

• Control totalment digital: l'entrada de la interfície d'usuari és un codificador rotatiu amb un commutador integrat.
• ATMEGA328P: és un microcontrolador (utilitzat com a sistema similar a Arduino): tots els paràmetres ajustables són controlats per l'usuari per programació.
• LCD: actua com a sortida de la interfície d'usuari, de manera que els paràmetres del dispositiu com ara guany / volum / profunditat de retard / temps de retard es poden observar amb una gran aproximació.
• Potenciòmetres digitals: s’utilitzen en els subcircuits, fent que el control del dispositiu sigui totalment digital.
• Sistema en cascada: cada circuit del sistema predefinit és un sistema independent que només comparteix línies d’alimentació, capaç de solucionar problemes relativament fàcils en cas d’avaries.
• Preamplificador: basat en un circuit integrat LM386, amb un disseny esquemàtic molt senzill i requisits mínims de peces.
• Circuit d'efecte de retard: es basa en un circuit integrat PT2399, es pot comprar a eBay com a IC independent (jo mateix he dissenyat tot el circuit de retard) o es pot utilitzar com a mòdul complet amb la possibilitat de substituir potenciòmetres rotatius per digipots.
• Amplificador de potència: es basa en el mòdul TDA2030, que ja conté tots els circuits perifèrics per al seu funcionament.
• Font d'alimentació: el dispositiu s'alimenta de la font d'alimentació de portàtil externa de 19 V CC de l'ordinador portàtil, de manera que el dispositiu conté un mòdul DC-DC reduït com a pre-regulador del LM7805, cosa que dissipa molt menys calor durant l'ús d'energia del dispositiu.

Després d’haver tractat tota la breu informació, creem-la!

Pas 1: la idea

Com podeu veure al diagrama de blocs, el dispositiu funciona com un enfocament clàssic del disseny de l'amplificador de guitarra amb lleugeres variacions en el circuit de control i la interfície d'usuari. Hi ha un total de tres grups de circuits que ampliarem: analògic, digital i font d'alimentació, on cada grup consta de subcircuits separats (el tema s'explicarà bé en els passos següents). Per facilitar la comprensió de l'estructura del projecte, expliquem aquests grups:

1. Part analògica: els circuits analògics es troben a la meitat superior del diagrama de blocs tal com es pot veure més amunt. Aquesta part s’encarrega de tots els senyals que passen pel dispositiu.

La presa de 1/4 és una entrada de guitarra mono d'un dispositiu que es troba al límit entre la caixa i el circuit electrònic soldat.

La següent etapa és un pre-amplificador, basat en el circuit integrat LM386, que és extremadament fàcil d’utilitzar en aquestes aplicacions d’àudio. LM386 es subministra a 5V CC des de la font d'alimentació principal, on els seus paràmetres, guany i volum, es controlen mitjançant potenciòmetres digitals.

La tercera etapa és l'amplificador de potència, basat en un circuit integrat TDA2030, alimentat per una font d'alimentació externa de 18 ~ 20V CC. En aquest projecte, el guany que se selecciona a l'amplificador de potència es manté constant durant tot el temps de funcionament. Com que el dispositiu no és un únic PCB embolicat, es recomana utilitzar un mòdul muntat TDA2030A i connectar-lo al prototip bard connectant només E / S i pins d'alimentació.

2. Part digital: els circuits digitals es troben a la meitat inferior del diagrama de blocs. S’encarreguen de la interfície d’usuari i el control de paràmetres analògics, com ara el temps / profunditat de retard, el volum i el guany..

El codificador amb commutador SPST integrat es defineix com una entrada de control d’usuari. Com que es combina com una sola peça, l'única necessitat d'un funcionament adequat és la d'unió de resistències de tracció programades o físiques (ho veurem al pas esquemàtic).

El microprocessador com a "cervell principal" del circuit és ATMEGA328P, que s'utilitza a l'estil d'Arduino en aquest dispositiu. És el dispositiu que té tota la potència digital sobre els circuits i que mana tot el que cal fer. La programació es realitza mitjançant la interfície SPI, de manera que podem utilitzar qualsevol programador d’ISP USB adequat o el depurador AVR comprat. En el cas que vulgueu utilitzar Arduino com a microcontrolador del circuit, això és possible mitjançant la compilació del codi C adjunt que es troba present al pas de programació.

Els potenciòmetres digitals són un parell de circuits integrats dobles controlats mitjançant interacció SPI mitjançant microcontrolador, amb un nombre total de 4 potenciòmetres per a un control complet de tots els paràmetres:

La pantalla LCD és una sortida d’interfície d’usuari que ens permet saber què està passant dins de la caixa. En aquest projecte he utilitzat probablement la pantalla LCD de 16x2 més popular entre els usuaris d'Arduino.

3. Font d'alimentació: la font d'alimentació s'encarrega de donar energia (tensió i corrent) a tot el sistema. Com que el circuit d'amplificador de potència s'alimenta directament des d'un adaptador de portàtil extern i que tots els circuits restants s'alimenten a partir de 5V CC, és necessari un regulador lineal o DC-DC. En el cas de posar un regulador lineal de 5V connectant-lo al 20V extern, quan el corrent passa pel regulador lineal a la càrrega, una gran quantitat de calor es dissipa al regulador de 5V, no ho volem. Així doncs, entre el regulador lineal de 20V i el de 5V (LM7805), hi ha un convertidor descendent de 8V DC-DC, que actua com a pre-regulador. Aquesta fixació evita una gran dissipació del regulador lineal, quan el corrent de càrrega aconsegueix valors elevats.

Pas 2: Parts i instruments

Parts electròniques:

1. Mòduls:

• PT2399 - Echo / delay IC module.
• LM2596: mòdul DC-DC reduït
• TDA2030A - Mòdul amplificador mm de potència de 18W
• 1602A: caràcters LCD de 16x2 habituals.
• Codificador rotatiu amb commutador SPST incrustat.

2. Circuits integrats:

• LM386 - Amplificador d'àudio mono.
• LM7805 - Regulador lineal 5V.
• MCP4261 / MCP42100 - Potencióòmetres digitals dobles de 100KOhm
• ATMEGA328P - Microcontrolador

3. Components passius:

A. Condensadors:

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

B. Resistències:

• 1 x 10R
• 4 x 10K

C. Potenciòmetre:

1 x 10K

(Opcional) Si no utilitzeu el mòdul PT2399 i esteu interessat en construir el circuit vosaltres mateixos, cal que feu servir aquestes parts:

• PT2399
• 1 x 100K resistència
• Condensador de 2 x 4,7 uF
• Condensador de 2 x 3,9 nF
• 2 x 15K resistència
• Resistència 5 x 10K
• 1 x 3.7K resistència
• 1 x condensador 10uF
• 1 x condensador 10nF
• 1 x 5.6K resistència
• Condensador de 2 x 560pF
• Condensador de 2 x 82 nF
• Condensador de 2 x 100nF
• 1 x condensador 47uF

4. Connectors:

• 1 connector de presa mono de 1/4"
• 7 x borns dobles
• 1 x connector femella de 6 pins de fil
• Connectors JST de 3 x 4 pins
• 1 x connector de connexió d'alimentació masculí

Parts mecàniques:

• Altaveu amb una acceptació de potència igual o superior a 18W
• Tancament de fusta
• Marc de fusta per a la interfície d'usuari tallada (per a codificador LCD i rotatiu).
• Goma espuma per a zones d'altaveus i interfície d'usuari
• 12 cargols de perforació per a les peces
• 4 x cargols de fixació i femelles per a marc LCD
• 4 x potes de goma per a oscil·lacions constants del dispositiu (el soroll mecànic de ressonància és habitual en el disseny de l'amplificador).
• Pom per al codificador rotatiu

Instruments:

• Tornavís elèctric
• Pistola de cola calenta (si cal)
• (Opcional) Font d'alimentació de laboratori
• (Opcional) Oscil·loscopi
• (Opcional) Generador de funcions
• Soldador / estació
• Tallador petit
• Alicata petita
• Estany de soldar
• Pinces
• Filferro d’embalatge
• Broques de perforació
• Serra de mida petita per tallar fusta
• Ganivet
• Fitxer de mòlta

Pas 3: explicació de l’esquema

Com que coneixem el diagrama de blocs del projecte, podem procedir a l’esquema, tenint en compte totes les coses que hem de saber sobre el funcionament del circuit:

Circuit de preamplificador: LM386 està connectat amb la consideració mínima de peces, sense necessitat d’utilitzar components passius externs. En el cas que vulgueu canviar la resposta de freqüència a l’entrada de senyal d’àudio, com ara l’augment de greus o el control de to, podeu consultar la fitxa tècnica LM386, que parla d’això, no afectarà el diagrama esquemàtic d’aquest dispositiu, excepte els lleugers canvis de les connexions previs a l’amplificador.. Atès que estem utilitzant un únic subministrament de 5 V CC per al CI, s'ha d'afegir condensador de desacoblament (C5) a la sortida del CI per eliminar el senyal de CC. Com es pot veure, el pin de senyal del connector (J1) de 1/4 està connectat al pin digipot 'A' i l'entrada LM386 que no inverteix es connecta al pin 'B' del punt digital, de manera que, com a resultat, tenim divisor de tensió, controlat per microcontrolador mitjançant interfície SPI.

Circuit d'efecte de retard / Echo: aquest circuit es basa en el circuit d'efecte de retard PT2399. Aquest circuit sembla complicat segons el seu full de dades i és molt fàcil confondre’l amb soldar-lo completament. Es recomana comprar un mòdul PT2399 complet que ja està muntat i l'únic que cal fer és dessoldar potenciòmetres rotatius del mòdul i connectar línies de digipot (Wiper, 'A' i 'B'). He utilitzat un full de dades de referència al disseny de l'efecte d'eco, amb digipots connectats a la selecció del període de temps d'oscil·lacions i al volum del senyal de retroalimentació (el que hauríem de dir - "profunditat"). L’entrada del circuit de retard, denominada línia DELAY_IN, està connectada a la sortida del circuit de preamplificador. No s’esmenta als esquemes perquè volia fer tots els circuits per compartir només línies elèctriques i les línies de senyal estan connectades amb cables externs. "Què no és convenient!", Vostè pot pensar, però el cas és que, quan es construeix un circuit de processament analògic, és molt més fàcil solucionar problemes part per part de cada circuit del projecte. Es recomana afegir condensadors de derivació al pin d'alimentació de 5 V CC, a causa de la seva àrea sorollosa.

Font d'alimentació: el dispositiu s'alimenta mitjançant un connector d'alimentació extern mitjançant un adaptador de CA / CC de 20V 2A. Vaig trobar que la millor solució per reduir una gran quantitat de dissipació de potència en un regulador lineal en forma de calor és afegir un convertidor descendent de 8V DC-DC (U10). LM2596 és un convertidor de dòlars utilitzat en moltes aplicacions i popular entre els usuaris d'Arduino, que costa menys d'1 $ a eBay. Sabem que aquest regulador lineal té una caiguda de voltatge en el seu rendiment (en el cas de 7805 l’aproximació teòrica és d’uns 2,5 V), de manera que hi ha un buit segur de 3 V entre l’entrada i la sortida del LM7805. No es recomana descuidar el regulador lineal i connectar lm2596 directament a la línia de 5V, a causa del soroll de commutació, la ondulació de la tensió pot afectar l'estabilitat de la potència dels circuits.

Amplificador de potència: és senzill com sembla. Com que he utilitzat un mòdul TDA2030A en aquest projecte, l’únic requisit és connectar pins d’alimentació i línies d’E / S de l’amplificador de potència. Com es va esmentar abans, l'entrada de l'amplificador de potència es connecta a la sortida del circuit de retard mitjançant un cable extern mitjançant connectors. L’altaveu que s’utilitza al dispositiu es connecta a la sortida de l’amplificador de potència mitjançant un bloc de terminals dedicat.

Potenciòmetres digitals: probablement els components més importants de tot el dispositiu, cosa que permet controlar-lo digitalment. Com podeu veure, hi ha dos tipus de digipots: MCP42100 i MCP4261. Comparteixen el mateix pinout però difereixen en la comunicació. Només tenia dos darrers digipots en estoc quan vaig construir aquest projecte, de manera que acabo d’utilitzar el que tenia, però recomano utilitzar dos digipots del mateix tipus MCP42100 o MCP4261. Cada digipot està controlat per una interfície SPI, rellotge compartit (SCK) i pins d'entrada de dades (SDI). El controlador SPI de l’ATMEGA328P és capaç de manejar diversos dispositius mitjançant la conducció de pins separats de selecció de xips (CS o CE). Està dissenyat així en aquest projecte, on els pins d'activació del xip SPI estan connectats a pins separats del microcontrolador. PT2399 i LM386 estan connectats a un subministrament de 5 V, de manera que no necessitem preocupar-nos pel canvi de tensió a la xarxa de resistències digipot dins dels circuits integrats (es troba en gran part a la fitxa tècnica, a la secció del rang de nivell de tensió de les resistències de commutació interiors).

Microcontrolador: com es va esmentar, basat en un ATMEGA328P a l'estil Arduino, amb la necessitat d'un component passiu únic: resistència de tracció (R17) al pin de reinici. El connector de 6 pins (J2) s’utilitza per a la programació de dispositius mitjançant programador ISP USB mitjançant la interfície SPI (Sí, la mateixa interfície a la qual estan connectats els digipots). Tots els pins estan connectats als components adequats, que es presenten al diagrama esquemàtic. Es recomana afegir condensadors de derivació a prop dels pins d'alimentació de 5V. Els condensadors que veieu a prop dels pins del codificador (C27, C28) s’utilitzen per evitar que l’estat del codificador reboti en aquests pins.

Pantalla LCD: la pantalla de cristall líquid es connecta de manera clàssica amb transmissió de dades de 4 bits i dos pins addicionals per bloquejar les dades: seleccioneu Registre (RS) i Activa (E). La pantalla LCD té una brillantor constant i un contrast variable, que es pot ajustar amb un únic retallador (R18).

Interfície d'usuari: el codificador rotatiu del dispositiu té un polsador SPST incorporat, on totes les seves connexions estan lligades als pins del microcontrolador descrits. Es recomana connectar una resistència pull-up al pin de cada codificador: A, B i SW, en lloc d'utilitzar pull-up intern. Assegureu-vos que els pins del codificador A i B estiguin connectats als pins d’interrupció externs del microcontrolador: INT0 i INT1 per conformar el codi i la fiabilitat del dispositiu quan s’utilitza el component del codificador.

Connectors JST i blocs de terminals: cada circuit analògic: el preamplificador, el retard i l'amplificador de potència estan aïllats a la placa soldada i es connecten amb cables entre els blocs de terminals. El codificador i la pantalla LCD s’uneixen als cables JST i es connecten a la placa soldada mitjançant connectors JST tal com s’ha descrit anteriorment. L'entrada de presa d'alimentació externa i l'entrada de guitarra mono jack de 1/4 es connecten mitjançant blocs de terminals.

Pas 4: soldar

Després d’una breu preparació, cal imaginar la col·locació precisa de tots els components del tauler. Es prefereix començar el procés de soldadura des del preamplificador i acabar amb tots els circuits digitals.

Aquí teniu una descripció pas a pas:

1. Circuit de pre-amplificador de soldadura. Comproveu-ne les connexions. Assegureu-vos que les línies de terra es comparteixin a totes les línies adequades.

2. Soldeu el mòdul PT2399 / IC amb tots els circuits perifèrics, segons el diagrama esquemàtic. Com que he soldat tot el circuit de retard, podeu veure que hi ha moltes línies compartides que es poden soldar fàcilment segons cada funció de pin PT2399. Si teniu un mòdul PT2399, dessoldeu els potenciòmetres rotatius i soldeu les línies de xarxa de potenciòmetre digital a aquests pins alliberats.

3. Soldeu el mòdul TDA2030A, assegureu-vos que el connector de sortida dels altaveus estigui centrat cap enfora fora de la placa.

4. Circuit d'alimentació per soldadura. Col·loqueu condensadors de derivació segons el diagrama esquemàtic.

5. Circuit de microcontrolador de soldadura amb el seu connector de programació. Proveu de programar-lo, assegureu-vos que no falli en el procés.

6. Potenciòmetres digitals de soldadura

7. Soldeu tots els connectors JST de les zones segons cada connexió de línia.

8. Enceneu la placa, si teniu un generador de funcions i un oscil·loscopi, comproveu pas a pas cada resposta del circuit analògic al senyal d'entrada (recomanat: 200 mVpp, 1 KHz).

9. Comproveu la resposta del circuit a l'amplificador de potència i al circuit / mòdul de retard per separat.

10. Connecteu l'altaveu a la sortida de l'amplificador de potència i el generador de senyal a l'entrada, assegureu-vos que escolteu el to.

11. Si totes les proves que hem realitzat tenen èxit, podem procedir al pas del muntatge.

Pas 5: Muntatge

Probablement aquesta sigui la part més difícil del projecte des del punt de vista tècnic, tret que hi hagi algunes eines útils per tallar la fusta al vostre estoc. Tenia un conjunt d’instruments molt limitat, de manera que em vaig veure obligat a seguir el camí difícil: tallant la caixa manualment amb un fitxer de mòlta. Cobrim els passos essencials:

1. Preparant la caixa:

1.1 Assegureu-vos que teniu un gabinet de fusta amb les dimensions adequades per a l’assignació de l’altaveu i la placa electrònica.

1.2 Tallar la zona de l'altaveu, es recomana fixar un marc de goma espuma a la zona de tall de l'altaveu per evitar vibracions de ressonància.

1.3 Tallar un marc de fusta separat per a la interfície d'usuari (LCD i codificador). Talleu la zona adequada per a la pantalla LCD, assegureu-vos que la direcció de la pantalla LCD no estigui invertida a la vista frontal del recinte. Un cop acabat això, foradeu un forat per al codificador rotatiu. Fixeu els cargols de perforació i el codificador giratori de la bruixa LCD amb una femella metàl·lica adequada.

1.4 Col·loqueu goma espuma al marc de fusta de la interfície d'usuari en tot el seu perímetre. Això ajudarà també a prevenir notes ressonants.

1.5 Localitzeu on es situarà el tauler electrònic i, a continuació, practiqueu 4 forats al recinte de fusta

1.6 Prepareu un lateral, on hi haurà un connector d’entrada d’alimentació externa de CC i una entrada de guitarra de 1/4 , practiqueu dos forats amb els diàmetres adequats. Assegureu-vos que aquests connectors comparteixin el mateix pinout que la placa electrònica (és a dir, la polaritat). Després, soldar dos parells de cables per a cada entrada.

2. Connexió de les parts:

2.1 Connecteu l'altaveu a la zona seleccionada, assegureu-vos que hi hagi dos cables connectats als passadors de l'altaveu amb 4 cargols de perforació.

2.2 Connecteu el tauler d'interfície d'usuari al costat seleccionat del recinte. No oblideu l’escuma de goma.

2.3 Connecteu tots els circuits junts mitjançant blocs de terminals

2.4 Connecteu el LCD i el codificador a la placa mitjançant connectors JST.

2.5 Connecteu l'altaveu a la sortida del mòdul TDA2030A.

2.6 Connecteu les entrades d'alimentació i guitarra als blocs de terminals de la placa.

2.7 Localitzeu el tauler a la posició dels forats, subjecteu el tauler amb 4 cargols de perforació des de l'exterior del recinte de fusta.

2.8 Col·loqueu totes les parts del recinte de fusta juntes perquè sembli una caixa sòlida.

Pas 6: programació i codi

El codi del dispositiu compleix les regles de la família de microcontroladors AVR i conforma la MCU ATMEGA328P. El codi està escrit a Atmel Studio, però hi ha una oportunitat per programar la placa Arduino amb IDE Arduino que té el mateix MCU ATMEGA328P. El microcontrolador autònom es pot programar mitjançant un adaptador de depuració USB segons Atmel Studio o mitjançant el programador ISP ISP, que es pot comprar a eBay. El programari de programació que més s’utilitza és AVRdude, però prefereixo un ProgISP: un programari de programació USB ISP senzill amb una interfície d’usuari molt amigable.

Totes les explicacions necessàries sobre el codi es poden trobar al fitxer Amplifice.c adjunt.

El fitxer Amplifice.hex adjunt es pot penjar directament al dispositiu si compleix completament el diagrama esquemàtic que hem estat observant anteriorment.

Pas 7: proves

Bé, després de fer tot el que volíem, és hora de fer proves. Vaig preferir provar el dispositiu amb la meva antiga guitarra barata i el senzill circuit de control de to passiu que he construït fa anys sense cap motiu. El dispositiu també es prova amb processador d'efectes analògics i digitals. No és massa fantàstic que PT2399 tingui una memòria RAM tan petita per emmagatzemar mostres d’àudio utilitzades en seqüències de retard, quan el temps entre mostres d’eco és massa gran, l’eco es digitalitza amb una gran pèrdua de bits de transició, el que es considera distorsió del senyal. Però aquesta distorsió "digital" que sentim pot ser útil com a efecte secundari positiu del funcionament del dispositiu. Tot depèn de l'aplicació que vulgueu fer amb aquest dispositiu (que d'alguna manera vaig anomenar "Amplifice V1.0" per cert).

Espero que us sigui útil.

Gràcies per llegir!