Amplificador d'escriptori amb visualització d'àudio, rellotge binari i receptor FM: 8 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

M'agraden els amplificadors i avui compartiré el meu amplificador d'escriptori de baixa potència que he fabricat recentment. L’amplificador que vaig dissenyar té algunes funcions interessants. Té un rellotge binari integrat i pot donar hora i data i pot visualitzar àudio sovint anomenat analitzador d’espectre d’àudio. Podeu utilitzar-lo com a receptor FM o reproductor de MP3. Si us agrada el meu amplificador de rellotge, seguiu els passos següents per fer la vostra pròpia còpia.

Pas 1: bons consells de disseny d'amplificadors

Dissenyar un circuit d’àudio de bona qualitat sense sorolls és realment difícil, fins i tot per a un dissenyador experimentat. Per tant, hauríeu de seguir alguns consells per millorar el vostre disseny.

Potència

Els amplificadors d’altaveus normalment s’alimenten directament de la tensió del sistema principal i requereixen un corrent relativament alt. La resistència a la traça donarà lloc a caigudes de tensió que redueixen la tensió de subministrament de l'amplificador i la pèrdua de potència del sistema. La resistència a la traça també fa que les fluctuacions normals del corrent d’alimentació es converteixin en fluctuacions de voltatge. Per maximitzar el rendiment, utilitzeu traços amplis i curts per a totes les fonts d'alimentació de l'amplificador.

Posada a terra

La connexió a terra té el paper més important a l'hora de determinar si el sistema aconsegueix el potencial del dispositiu. Un sistema mal posat a terra probablement tindrà una alta distorsió, soroll, diafonía i susceptibilitat a la RF. Tot i que es pot qüestionar quant de temps s'ha de dedicar a la connexió a terra del sistema, un esquema de connexió a terra previst acuradament evita que es produeixin un gran nombre de problemes.

El terreny de qualsevol sistema ha de servir per a dos propòsits. En primer lloc, és el camí de retorn de tots els corrents que flueixen a un dispositiu. En segon lloc, és la tensió de referència per als circuits digitals i analògics. La posada a terra seria un exercici senzill si el voltatge en tots els punts del sòl pogués ser el mateix. En realitat, això no és possible. Tots els cables i rastres tenen una resistència finita. Això significa que sempre que hi hagi corrent que circuli pel terra, hi haurà una caiguda de tensió corresponent. Qualsevol bucle de filferro també forma un inductor. Això significa que sempre que el corrent flueix de la bateria a una càrrega i torna a la bateria, el recorregut actual té certa inductància. La inductància augmenta la impedància de terra a altes freqüències.

Tot i que dissenyar el millor sistema terrestre per a una aplicació particular no és una tasca senzilla, algunes pautes generals s’apliquen a tots els sistemes.

1. Establir un pla de terra continu per a circuits digitals: el corrent digital al pla de terra tendeix a seguir la mateixa ruta que prenia el senyal original. Aquest camí crea l'àrea de bucle més petita per al corrent, minimitzant així els efectes i la inductància de l'antena. La millor manera d’assegurar-se que totes les traces de senyal digital tinguin un camí de terra corresponent és establir un pla de terra continu a la capa immediatament adjacent a la capa de senyal. Aquesta capa hauria de cobrir la mateixa àrea que el traç de senyal digital i tenir la menor continuïtat possible en la seva continuïtat. Totes les interrupcions del pla de terra, incloses les vies, fan que el corrent de terra flueixi en un bucle més gran del que és ideal, augmentant així la radiació i el soroll.
2. Mantingui separades les corrents de terra: les corrents de terra dels circuits digitals i analògics s’han de separar per evitar que els corrents digitals afegeixin soroll als circuits analògics. La millor manera d’aconseguir-ho és mitjançant la col·locació correcta dels components. Si tots els circuits analògics i digitals es col·loquen en parts separades del PCB, els corrents de terra quedaran naturalment aïllats. Perquè això funcioni bé, la secció analògica només ha de contenir circuits analògics a totes les capes del PCB.
3. Utilitzeu la tècnica Star Grounding per a circuits analògics: els amplificadors de potència d’àudio tendeixen a generar corrents relativament grans que poden afectar negativament les referències de terra pròpies i d’altres del sistema. Per evitar aquest problema, proporcioneu camins de retorn dedicats per a les connexions de terra de l’amplificador pont i per a la presa de terra dels connectors d’auriculars. L'aïllament permet que aquests corrents tornin a la bateria sense afectar la tensió d'altres parts del pla terrestre. Recordeu que aquests camins de retorn dedicats no s’han d’encaminar sota traces de senyal digital perquè podrien bloquejar els corrents de retorn digitals.
4. Maximitzar l’eficàcia dels condensadors de derivació: gairebé tots els dispositius necessiten condensadors de derivació per proporcionar corrent instantani. Per minimitzar la inductància entre el condensador i el pin de subministrament del dispositiu, localitzeu aquests condensadors el més a prop possible del pin de subministrament que estan passant per alt. Qualsevol inductància redueix l’eficàcia del condensador de derivació. De la mateixa manera, s'ha de proporcionar al condensador una connexió de baixa impedància a terra per minimitzar la impedància d'alta freqüència del condensador. Connecteu directament el costat de terra del condensador al pla de terra, en lloc d’encaminar-lo a través d’un traç.
5. Inundar tota la zona de PCB no utilitzada amb terra: Sempre que dos trossos de coure s’acosten l’un a l’altre, es forma un petit acoblament capacitiu entre ells. En inundar el terreny a prop de traces de senyal, l'energia d'alta freqüència no desitjada de les línies de senyal es pot derivar a terra a través de l'acoblament capacitiu.

Intenteu mantenir les fonts d’alimentació, el transformador i els circuits digitals sorollosos allunyats dels circuits d’àudio. Utilitzeu una connexió de terra independent per al circuit d'àudio i és bo no utilitzar plans de terra per als circuits d'àudio. La connexió de terra (GND) de l’amplificador d’àudio és molt important en comparació amb la terra d’altres transistors, IC, etc., si hi ha soroll de terra entre els dos, l’amplificador el produirà.

Penseu en alimentar CI importants i qualsevol cosa sensible utilitzant una resistència 100R entre ells i + V. Incloeu un condensador electe de mida decent (per exemple, 220uF) al costat IC de la resistència. Si la IC obtindrà molta energia, assegureu-vos que la resistència la pugui manejar (seleccioneu una potència prou alta i proporcioneu dissipació de calor de coure PCB si cal) i tingueu en compte que hi haurà caiguda de tensió a la resistència.

Per als dissenys basats en transformadors, voleu que els condensadors del rectificador estiguin el més a prop possible dels passadors del rectificador i que estiguin connectats a través de les seves pròpies pistes gruixudes a causa dels grans corrents de càrrega a la vista de l’ona sinal rectificada. Com que la tensió de sortida del rectificador supera la tensió de descomposició del condensador, es produeix soroll d’impuls al circuit de càrrega que es pot transferir al circuit d’àudio si comparteixen la mateixa peça de coure en qualsevol de les línies elèctriques. No es pot desfer del corrent de càrrega de pols, de manera que és molt millor mantenir el condensador local al rectificador de pont per minimitzar aquests impulsos d’energia d’alt corrent. Si un amplificador d’àudio és a prop del rectificador, no localitzeu un condensador gran al costat de l’amplificador per evitar que aquest condensador causi aquest problema, però si hi ha una mica de distància, és bo que l’amplificador sigui el propi condensador a mesura que flota. es carrega des de la font d’alimentació i acaba tenint una impedància relativament alta a causa de la longitud del coure.

Localitzeu i reguladors de voltatge que fan servir els circuits d’àudio prop dels rectificadors / entrada de la PSU i connecteu-vos també amb les seves pròpies connexions.

Senyals

Sempre que sigui possible, eviteu l'entrada i la sortida de senyals d'àudio cap a i des de l'IC que funcionin en paral·lel a la PCB, ja que això pot provocar oscil·lacions que s'alimenten des de la sortida fins a l'entrada. Recordeu que només 5 mV poden causar molts brunzits.

Mantingueu els plans digitals de terra allunyats de l’àudio GND i dels circuits d’àudio en general. El so es pot introduir a l’àudio simplement a partir de pistes massa properes als plans digitals.

Quan us connecteu a altres equips, si alimenteu alguna altra placa que inclogui circuits d'àudio (donarà o rebrà un senyal d'àudio), assegureu-vos que només hi hagi un punt en què GND es connecti entre les dues plaques i que idealment estigui a la connexió de senyal d'àudio analògica. punt.

Per a connexions IO de senyal a altres dispositius / el món exterior, és un bon ideal utilitzar una resistència 100R entre els circuits GND i el món exterior GND perquè tot (incloses les parts digitals del circuit) deixi de crear bucles de terra.

Condensadors

Utilitzeu-los allà on vulgueu per aïllar seccions entre si. Valors a utilitzar: - 220nF és típic, 100nF està bé si voleu reduir la mida / cost, és millor no baixar de 100nF.

No utilitzeu condensadors de ceràmica. La raó és que els condensadors ceràmics donaran un efecte piezoelèctric a un senyal de corrent altern que causa soroll. Utilitzeu un poli d'algun tipus: el polipropilè és millor, però qualsevol ho farà. Els autèntics caps d’àudio també diuen que no utilitzen electrolítics en línia, però molts dissenyadors ho fan sense problemes; això és probable per a aplicacions d’alta puresa i no per al disseny d’àudio estàndard general.

No utilitzeu condensadors de tàntal enlloc dins dels camins de senyal d'àudio (alguns dissenyadors poden estar en desacord, però poden causar problemes terribles)

Un substitut generalment acceptat del policarbonat és el PPS (sulfur de polifenilè).

Els condensadors de pel·lícula de policarbonat i de poliestirè d’alta qualitat i els condensadors de tefló i els condensadors ceràmics NPO / COG tenen coeficients de capacitat de baixa tensió i, per tant, una distorsió molt baixa i els resultats són molt clars mitjançant analitzadors d’espectre i orelles.

Eviteu els ceràmics dielèctrics d’alta K, tenen un coeficient d’alt voltatge que suposo que podria provocar una certa distorsió si s’utilitzessin en una etapa de control de to.

Col·locació de components

El primer pas de qualsevol disseny de PCB és triar on col·locar els components. Aquesta tasca s'anomena "planificació del sòl". Una acurada col·locació de components pot facilitar l’enrutament del senyal i la partició de terra. Minimitza la captació de soroll i la superfície necessària per a la taula.

Cal seleccionar la ubicació del component dins de la secció analògica. Els components s’han de col·locar per minimitzar la distància que recorren els senyals d’àudio. Localitzeu l'amplificador d'àudio el més a prop possible de la presa i dels altaveus dels auriculars. Aquest posicionament minimitzarà la radiació EMI dels amplificadors d’altaveus de classe D i minimitzarà la susceptibilitat al soroll dels senyals d’auriculars de baixa amplitud. Col·loqueu els dispositius que subministren l'àudio analògic el més a prop possible de l'amplificador per minimitzar la captació de soroll a les entrades de l'amplificador. Totes les traces de senyal d'entrada actuaran com a antenes als senyals de RF, però escurçar-les ajuda a reduir l'eficiència de l'antena per a les freqüències que normalment preocupen.

Pas 2: necessiteu …

1. IC d'amplificador d'àudio TEA2025B (ebay.com)

2. 6 unitats de condensador electrolític 100uF (ebay.com)

3. 2 unitats condensador electrolític 470uF (ebay.com)

4. 2 unitats de condensador de 0,22 uF

5. 2 unitats de condensador de ceràmica 0,15 uF

6. Potenciómetre de control de volum dual (50 - 100 K) (ebay.com)

7. 2 unitats Altaveu de 2,5 ohm de 4 ohms

8. Mòdul de receptor MP3 + FM (ebay.com)

9. LED Matrix amb controlador IC (Adafruit.com)

10. Tauler Vero i alguns cables.

11. Arduino UNO (Adafruit.com)

12. Mòdul RTC DS1307 (Adafruit.com)

Pas 3: Creació del circuit d'amplificador

Segons el diagrama de circuits adjunt, es solden tots els components al PCB. Utilitzeu un valor precís per als condensadors. Aneu amb compte amb la polaritat dels condensadors electrolítics. Intenteu mantenir tot el condensador el més a prop possible de l’IC per minimitzar el soroll. Soldeu directament IC sense utilitzar base IC. Assegureu-vos de tallar les traces entre els dos costats de l’amplificador IC. Totes les juntes de soldadura haurien de ser perfectes. Es tracta d’un circuit amplificador d’àudio, així que sigueu professionals de la connexió de soldadura, especialment de la terra (GND).

Pas 4: provar el circuit amb l'altaveu

Després de completar tota la connexió i soldadura, connecteu dos altaveus de 2,5 ohm de 4 ohms al circuit amplificador. Connecteu una font d'àudio al circuit i engegueu-lo. Si tot va bé, aquí es farà un so sense sorolls.

He utilitzat l’amplificador d’àudio TEA2025B IC per a l’amplificació d’àudio. És un bon xip amplificador d'àudio que funcionava en un ampli rang de tensió (3 V a 9 V). Per tant, podeu provar-lo amb qualsevol voltatge dins de l’interval. Estic fent servir un adaptador de 9 V i funciona bé. L'IC pot operar en mode de connexió dual o pont. Per obtenir més informació sobre el xip amplificador, consulteu el full de dades.

Pas 5: Preparació del tauler frontal de la matriu de punts

Per a la visualització del senyal d'àudio i la visualització de la data i l'hora, he configurat una pantalla de matriu de punts a la part frontal de la caixa de l'amplificador. Per fer la feina molt bé, vaig utilitzar una eina rotativa per tallar el marc segons la mida de la matriu. Si la pantalla no té cap xip de controlador integrat, utilitzeu-ne un per separat. Prefereixo la matriu bicolor d'Adafruit. Després de seleccionar la pantalla de matriu perfecta, ajusteu la pantalla a la base amb cola calenta.

La connectarem a la placa Arduino més endavant. La pantalla bicolor d'Adafruit utilitza el protocol i2c per comunicar-se amb el microcontrolador. Per tant, connectarem el pin SCL i SDA del controlador IC a la placa Arduino.

Pas 6: Programació amb Arduino

Connecteu la pantalla de matriu de punts Adafruit Smart bicolor com:

1. Connecteu el pin Arduino 5V a la matriu LED + pin.
2. Connecteu el pin GND Arduino tant al pin GND de l'amplificador de micròfon com al pin matriu LED.
3. Podeu utilitzar un rail d’alimentació de la placa de configuració o l’Arduino té diversos pins GND disponibles. Connecteu el pin analògic Arduino 0 al pin de senyal d’àudio.
4. Connecteu els pins Arduino SDA i SCL a la motxilla matricial D (dades) i C (rellotge), respectivament.
5. Les plaques Arduino anteriors no inclouen pins SDA i SCL; en canvi, utilitzeu els pins analògics 4 i 5.
6. Pengeu el programa adjunt i proveu que funciona o no:

Comenceu descarregant el dipòsit Piccolo de Github. Seleccioneu el botó "descarregar ZIP". Un cop acabat, descomprimiu el fitxer ZIP resultant al vostre disc dur. Hi haurà dues carpetes a dins: "Piccolo" s'ha de moure a la carpeta habitual del quadern de dibuixos Arduino. "Ffft" s'ha de moure a la carpeta "Biblioteques" d'Arduino (dins de la carpeta del quadern de dibuixos, si no hi és, creeu-ne una). Si no esteu familiaritzat amb la instal·lació de les biblioteques Arduino, seguiu aquest tutorial. I no instal·leu mai a la carpeta de la biblioteca adjacent a la pròpia aplicació Arduino … la ubicació adequada sempre és un subdirectori de la vostra carpeta de casa. Si encara no heu instal·lat la biblioteca de motxilles LED Adafruit (per utilitzar la matriu LED), descarregueu-la i instal·leu-la Un cop situades les carpetes i les biblioteques, reinicieu l'IDE d'Arduino i l'esbós "Piccolo" hauria d'estar disponible al menú Fitxer-> Quadern de dibuixos.

Amb l'esbós Piccolo obert, seleccioneu el tipus de placa Arduino i el port sèrie al menú Eines. A continuació, feu clic al botó Puja. Al cap d'un moment, si tot va bé, veureu el missatge "S'ha carregat". Si tot va bé, veureu l'espectre d'àudio per a qualsevol entrada d'àudio.

Si el vostre sistema funciona bé, carregueu l'esbós complete.ino adjunt amb el pas per afegir un rellotge binari amb la visualització d'àudio. Per a qualsevol entrada d'àudio, l'altaveu mostrarà l'espectre d'àudio en cas contrari, mostrarà l'hora i la data.

Pas 7: arreglar totes les coses juntes

Ara, connecteu el circuit d'amplificador que vau construir a l'etapa anterior a la caixa amb cola calenta. Seguiu les imatges adjuntes amb aquest pas.

Després de connectar el circuit amplificador, connecteu ara el mòdul receptor MP3 + FM a la caixa. Abans de fixar-lo amb cola, feu una prova per assegurar-vos que funciona. Si funciona bé, fixeu-lo amb cola. La sortida d’àudio del mòdul MP3 s’hauria de connectar amb l’entrada del circuit amplificador.

Pas 8: connexions internes i producte final

Si l’altaveu rep i el senyal d’àudio mostra l’espectre d’àudio, en cas contrari es mostra la data i l’hora en format binari BCD. Si us agrada la programació i la tecnologia digital, estic segur que us agraden els binaris. M'agrada el rellotge binari i binari. Anteriorment feia un rellotge de polsera binari i el format horari era exactament el mateix que el meu rellotge anterior. Per tant, per il·lustrar el format d’hora, he afegit la imatge anterior del rellotge sense produir-ne cap altra.

Gràcies.

Quart premi al Concurs de Circuits 2016

Primer premi al Concurs d’Amps i Speakers 2016