Construeix el preamplificador de micròfon amb alimentació fantasma SSM2019 de quatre canals: 9 passos (amb imatges)

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

Com és possible que hagueu notat en alguns dels meus altres instructables, tinc una passió per l’àudio. També sóc un home de bricolatge que va molt enrere. Quan necessitava quatre canals més de preamplificadors de micròfon per ampliar la meva interfície d’àudio USB, sabia que era un projecte de bricolatge.

Fa uns quants anys, vaig comprar una interfície d’àudio USB Focusrite. Té quatre preamplificadors de micròfon i entrades de nivell de quatre línies juntament amb algunes entrades digitals. És una gran peça de maquinari que satisfà les meves necessitats. Va ser fins que vaig construir un munt de micròfons. Per tant, em vaig proposar resoldre aquesta discrepància. Així, va néixer el preamplificador de quatre canals SSM2019.

Tenia uns quants objectius de disseny per a aquest projecte.

Seria el més senzill possible i utilitzar un mínim de components

Tindria un poder fantasma que em permetés utilitzar tots els micròfons Pimped Alice que he construït

Tindria una entrada d’alta impedància (Hi-Z) a cada canal per a transductors piezoelèctrics, un futur projecte meu. Aquest seria un afegit fàcil si el cas i la font d'alimentació ja formessin part del projecte principal

Tindria especificacions d’àudio pro: netes, amb poca distorsió i poc soroll. Tan bé o millor que els preàmbits existents a la meva interfície Focusrite

Pas 1: el disseny

Vaig començar a estudiar el que ja hi havia. Estic molt familiaritzat amb el disseny analògic i tenia la mirada posada en el SSM2019, ja que havia utilitzat anteriorment el seu cosí gran, el ja obsolet SSM2017. El SSM2019 està disponible en un paquet DIP de 8 pins, cosa que significa que es pot embarcar fàcilment. Vaig trobar una informació fantàstica sobre el disseny del preamplificador de micròfon de That Corp. (Vegeu la secció de referència) Malauradament, tots els seus xips específics de preamplificador són petits paquets de muntatge superficial. I, les especificacions només són marginalment millors que les SSM2019. Els aplaudeixo per compartir informació i dissenyar informació. Les especificacions del SSM2019 són fantàstiques i, com la majoria d’amplificadors operatius d’àudio actuals, superaran la resta de la cadena de senyal per obtenir un rendiment. He utilitzat dues etapes de guany fix amb un potenciòmetre que permet ajustar el senyal entre elles. Això manté el disseny senzill i elimina la necessitat de trobar peces difícils; com ara potenciòmetres anti-registre i commutadors multi-contacte amb valors de resistència únics. També manté el soroll THD + molt per sota del 0,01%

Durant el meu procés de disseny, vaig tenir una epifania sobre el poder fantasma. La majoria de la gent pensa en 48 volts com el "estàndard". Això es remunta i va ser important quan es va utilitzar la tensió d'alimentació fantasma per polaritzar la càpsula dels micròfons de condensador. Actualment, la majoria dels micròfons de condensador utilitzen alimentació fantasma per crear una font estable de baixa tensió. Utilitzen un Zener internament per generar 6-12VDC. Aquest voltatge s’utilitza per fer funcionar l’electrònica interna i generar un voltatge més alt per polaritzar la càpsula. Aquesta és la millor manera de fer-ho. Obtindreu una bona tensió de la càpsula estable que pot ser superior a 48 V si cal. Les especificacions d'alimentació fantasma dels micròfons criden 48V, 24V i 12V. Cadascun utilitza diferents valors de resistències d'acoblament. 48V utilitza 6,81 K, 24 V amb 1,2 K i 12 V utilitza 680 Ohm. En essència, es necessita alimentació fantasma per aconseguir una certa quantitat d’energia al micròfon. La meva epifania era la següent: la tensió ha de ser prou alta perquè el Zener intern de 12 V funcioni. Si jo fes servir el + 15V disponible al meu projecte i el valor de la resistència d’acoblament adequat, hauria de funcionar bé. En realitat, això soluciona altres dos problemes. Primer no és necessitar una font d'alimentació separada només per a l'alimentació fantasma. En segon lloc, i el més important per al meu disseny és la senzillesa. En mantenir la tensió d’alimentació fantasma igual o inferior a la tensió d’alimentació del SSM2019, eliminem molts circuits addicionals necessaris per a la protecció. Els nois de That Corp van presentar dos articles a AES titulats "The Phantom Menace" i "The 48V Phantom Menace Returns". Aquests tracten específicament els reptes de tenir un condensador de 47-100uF carregat a 48V en un circuit. Un curtcircuit que es produeix accidentalment pot causar molts problemes. L’energia emmagatzemada al condensador és funció de la tensió al quadrat, de manera que només passem de 48V a 15V baixem l’energia emmagatzemada en un factor 10. També evitem una tensió per sobre de la tensió d’alimentació en qualsevol dels pins d’entrada de senyal del SSM2019. Llegiu la guia de disseny de That Corps per obtenir exemples del que es necessita per fer una prova de vinyetes de preamp.

Només per ser transparent, vaig començar aquest projecte pensant que anava a utilitzar l'alimentació fantasma de 24VDC i, en el procés de solució de problemes de la font d'alimentació, se'm va acudir la idea d'utilitzar el +15 ja disponible. Inicialment vaig posar la font d'alimentació dins de la caixa del preamplificador. Això va provocar múltiples zumbits i problemes de brunzit. Vaig acabar amb la major part de la font d'alimentació en una caixa externa amb només els reguladors de tensió de la caixa. El resultat final és un preamplificador molt tranquil que és al mateix nivell que els millors de la interfície Focusrite. S'ha assolit l'objectiu de disseny número 4.

Vegem el circuit i veiem què passa. El bloc SSM2019 al rectangle blau és el circuit principal. Els dos resistors de 820 Ohm s’acoblen a l’alimentació fantasma de la zona de color verd clar on l’interruptor de palanca s’aplica +15 al condensador 47uF mitjançant una resistència de 47 Ohm. Els dos resistors de 820 Ohm es troben al costat "+" dels condensadors d'acoblament de 47uF que incorporen el senyal del micròfon. A l’altre costat del condensador d’acoblament hi ha dues resistències de 2,2 K que lliguen l’altre costat dels condensadors a terra i mantenen les entrades al SSM2019 a un potencial de terra de CC. El full de dades mostra 10 K, però esmenta que haurien de ser el més baix possible per minimitzar el soroll. He escollit 2.2K per ser més baix, però no afectar molt la impedància d'entrada de tot el circuit. La resistència de 330 Ohm estableix el guany del SSM2019 a + 30 db. He escollit aquest valor ja que proporciona el guany mínim que necessitaria. Amb aquest guany i el retall de rails de subministrament de +/- 15V no hauria de ser un problema. El condensador de 200 pf a través dels pins d'entrada és per a protecció EMI / RF per al SSM2019. Això es troba just al full de dades per protegir-se de RF. També hi ha dos condensadors 470pf a la presa XLR per a protecció RF. A la banda d’entrada de senyal, tenim un commutador DPDT que actua com a commutador de selecció de fase. Volia poder utilitzar una pastilla de contacte piezo en una guitarra (o altres instruments acústics) mentre feia servir simultàniament un micròfon. Això permet la inversió de fase del micròfon si és necessari. Si no fos per això, l’hauria eliminat ja que la majoria de programes de gravació us permeten invertir la fase de gravació posterior. La sortida del SSM2019 es dirigeix a un potenciòmetre de 10K per ajustar el nivell a la següent etapa.

Ara passem al costat d’alta impedància. Al rectangle vermell, tenim una memòria intermèdia clàssica que no inverteix basada en una secció d’un amplificador operatiu dual OPA2134. Aquest és el meu amplificador operatiu favorit per a àudio. Soroll i distorsió molt baixos. De manera similar al SSM2019, no serà l’enllaç més feble de la cadena de senyals. El condensador.01uF acopla el senyal des de la presa d’entrada de ¼”. La resistència 1M proporcionava una referència de terra. Curiosament, el soroll de la resistència 1M es pot sentir girant el nivell de l’entrada Z elevada fins a dalt. No obstant això, quan es connecta un captador piezoelèctric, la capacitat del captador piezoelèctric forma un filtre RC amb la resistència 1M. Això fa caure el soroll (i no és gens dolent en primer lloc). Des de la sortida de l'amplificador operatiu, anem a un potenciòmetre de 10K per ajustar el nivell final.

La secció final del circuit és l’amplificador de suma final de l’etapa de guany construït al voltant de la segona secció de l’amplificador OPA2134. Vegeu el rectangle verd a les il·lustracions. Es tracta d’una etapa d’inversió amb el guany establert per la proporció de la resistència de 22K i la resistència (s) de 2,2K que ens proporciona un guany de 10 o + 20dB. El condensador de 47pf a través de la resistència de 22K serveix per protegir l'estabilitat i RF. Els potenciòmetres de 10K són lineals. El que significa que quan el netejador es mou a través del rang de rotació, la resistència des del punt de partida varia linealment amb el canvi de rotació. Al centre, obtindreu 5K a qualsevol extrem. Tot i això, escoltem de manera diferent. Sentim logarítmicament. És per això que s’utilitzen decibels (dB) per mesurar els nivells sonors. En utilitzar un potenciòmetre lineal de 10K que alimenta una resistència de 2,2K, aconseguim un canvi de nivell que sona molt més natural. L'amplificador operatiu manté l'entrada d'inversió en una terra virtual. Per als senyals de corrent altern, la resistència de 2,2 K està lligada a la terra virtual. El punt de rotació a mig camí té una atenuació d’uns -12dB, amb l’últim vuitè de rotació només 1,2db de diferència. Això se sent molt més suau que molts altres preamplificadors on l'olla canvia el guany del preamplificador. Funciona millor que els preamplificadors que tenen un potenciòmetre d’ajust de guany. Normalment, l’últim bit d’increment provoca un ràpid augment del guany final i una mica de soroll notable. El Focusrite respon d'aquesta manera. El meu no. El senyal està acoblat a l’amplificador operatiu mitjançant una resistència de 47 Ohm. Això protegeix l'amplificador operatiu i el manté estable quan conduïu un llarg cablejat en cas que calgui fer-ho. Una última cosa per als dos xips IC. Tots dos són dispositius d’alt guany de banda ampla. Han de tenir una bona font d’alimentació saltant-se amb condensadors.1uF muntats a prop dels pins d’alimentació. Això evita que passin coses estranyes i les mantingui agradables i estables.

Per resumir-ho tot, hi ha dues etapes de guany fix, una 30dB i 20dB per obtenir un guany total de 50dB. L'ajust de nivell es fa variant el nivell del senyal entre les dues etapes de guany. També hi ha una entrada d’alta impedància disponible a cada canal, que és perfecta per a pastilles piezo i altres instruments (guitarra i baix) que necessiten una mica d’ajust de nivell abans de gravar. Tot amb una distorsió i un soroll molt baixos. L’alimentació fantasma és de 15 VCC, que hauria de funcionar amb la majoria dels micròfons condensadors moderns. Una excepció notable és el Neumann U87 Ai. Aquest micròfon és el meu orgull i alegria. Internament té un Zener de 33V per a una font d’alimentació intermedia. Per a mi, això no és tan problemàtic com el meu Focusrite té un aliment fantasma de 48V. Tota la resta de la meva funciona bé.

La font d'alimentació:

La font d'alimentació és un disseny clàssic de la vella escola. Utilitza un transformador de rosca central, un rectificador de pont i dos condensadors de filtre grans. El transformador és central de 24VAC. És a dir, podem posar a terra l’aixeta central i obtenir 12VAC de cada pota. Espera, no fem servir +/- 15VDC? Com funciona? Hi ha dues coses que passen: primer, el 12VAC és un valor RMS. Per a una ona sinusoïdal, la tensió màxima és 1,4X més alta (tècnicament l’arrel quadrada de dues) de manera que dóna un pic de 17 volts. En segon lloc, es calcula que el transformador subministra 12 VCA a plena càrrega. El que significa que a poca càrrega (i aquest circuit no consumeix molta energia) tenim una tensió encara més alta. Tot això dóna lloc a uns 18 V CC disponibles per als rectificadors de tensió. Estem utilitzant reguladors de tensió lineals 7815 i 7915 i els he triat de la National Japan Radio que tenen caixa de plàstic. Això vol dir que no necessiteu un aïllant entre el regulador i la caixa al muntar-los. Inicialment vaig construir la font d'alimentació interna de la caixa de pre-amplificació del micròfon. Això no va funcionar massa bé, ja que tenia alguns zumbits, tot relacionat amb la proximitat del meu transformador amb el cablejat intern del micròfon. Vaig acabar posant el transformador, el rectificador i els taps de filtre grans en una caixa independent. Vaig utilitzar un connector XLR de 4 terminals que tenia al contenidor de peces per portar el CC no regulat a la caixa principal on els reguladors es munten a prop de la placa de circuit principal. Com es va esmentar anteriorment, inicialment anava a utilitzar 24VDC per a l'alimentació Phantom i vaig acabar sense fer això simplificant el meu circuit i eliminant el regulador de 24V (i un transformador de tensió més alt!)

Pas 2: Construcció: el cas

El cas:

Si encara no us n'heu adonat, el meu esquema de pintura i l'etiquetatge són força divertits. El meu fill estava fent un projecte escolar i teníem els tres colors de pintura en aerosol disponibles, de manera que per caprici vaig utilitzar els tres. Després vaig tenir la idea de pintar a mà l’etiquetatge amb esmalt groc i un pinzell petit. Gairebé l'únic al món que té aquest aspecte! Vaig rebre el meu cas de Tanner Electronics a Dallas, una botiga d’excedents. El vaig trobar en línia a Mouser i a altres llocs. Es tracta de Hammond P / N 1456PL3. És possible que vulgueu etiquetar-lo i pintar-lo de manera diferent, això depèn de vosaltres.

Pas 3: construcció: placa de circuit

Tauler de PC:

Vaig construir el circuit sobre una taula de prototips. Primer construint un canal per garantir que el disseny funcionés com s’esperava. Després es van construir els altres tres canals. Vegeu la foto 1 i 2 per a la disposició. Els meus OPA2134 provenen de Burr Brown, que va adquirir TI el 2000. Vaig comprar-ne 100 al dia i encara en tinc uns quants. Fixeu-vos en els taps de derivació.1uF muntats a la part inferior del tauler. Aquests són importants per a l'estabilitat dels xips IC.

Pas 4: construcció: preses i controls del panell frontal:

Preses i controls del panell frontal:

En funció de la vostra opció de cas, el vostre disseny pot variar. He utilitzat preses de muntatge de panell Switchcraft ¼”que connectaran el tauler frontal a terra. Per minimitzar els bucles de terra, connecteu la terra del connector XLR (Pin-1) amb la longitud més curta possible al tauler frontal. Per al meu disseny, els vaig connectar a la connexió de terra de les preses d’entrada “Hi Z”. Vaig pre-connectar els interruptors d’inversió de fase mitjançant la connexió creuada de les dues connexions externes del commutador de doble pol (DPDT). A continuació, l’entrada de micròfon des del XLR anirà cap als cables centrals i a una de les connexions externes a la placa de circuit. D'aquesta manera, quan es canvia la posició del commutador, la fase s'inverteix. Abans de muntar les preses XLR, soldeu els dos condensadors de 470pf per protegir-los RF / EMI. Això ho fa molt més fàcil més endavant. Munteu els potenciòmetres al tauler frontal. Vaig utilitzar un petit retolador o un altre marcador per etiquetar les coses al tauler interior per ajudar-vos amb les connexions més endavant. I per recordar-me quina punta dels potenciòmetres s’hauria de connectar a terra. A continuació, connecteu totes les connexions de terra per a les olles juntes mitjançant un cable nu sense aïllar comú. Més endavant, aquesta connexió s'executarà fins al punt de terra comú.

Pas 5: Construcció: cablejat intern

Connexions internes:

Per als cables de senyal del micròfon, vaig girar els cables de 22 gauge i vaig connectar les preses XLR d’entrada als commutadors de selecció de fase. En torçar-los, es redueixen al mínim qualsevol EMI i RF perduts. En teoria, intern a la caixa metàl·lica no n’hauríem de tenir, ja que tot en aquest projecte és un circuit analògic pur. No us preocupeu per la fase encara específicament. Sigues coherent en la forma en què es connecten tots els canals. Esbrinarem en provar quina posició del commutador serà "normal" i quina és inversa.

Per a la resta del cablejat d'àudio, he utilitzat un únic conductor blindat i he connectat l'escut a terra només per un extrem. Això manté els nostres senyals protegits i evita els bucles de terra. Vaig tenir un rotllo de filferro tipus “E” blindat de calibre 26 que fa temps que vaig obtenir excedents de Skycraft a Orlando. Hi ha proveïdors que el venen en línia o podeu utilitzar un conductor diferent blindat. Per a cada connexió, en vaig preparar una longitud amb l'escut exposat per un extrem i l'altre només pel conductor central. Vaig posar una mica de calor contra l’escut de l’extrem no connectat per aïllar-lo. Veure les fotografies. Treballeu de manera metòdica i connecteu una cosa a la vegada. Després lligo embolicat cada grup de quatre cables per mantenir les coses el més ordenades possible.

Pas 6: Construcció: font d'alimentació

Font d'alimentació:

Vaig construir el meu subministrament en una caixa de projectes més petita. Hi ha UNA cosa que heu de fer perquè això sigui segur i compleixi el codi. Heu de tenir un fusible a la primària del transformador. He utilitzat un portafusibles en línia amb un fusible de ¼. Això bufarà si el transformador dibuixa més de 25W, cosa que no hauria de fer. Tot això utilitza com a màxim 2W amb quatre micròfons connectats.

Reguladors de tensió:

Prepareu els reguladors de tensió abans de muntar-los al tauler soldant als dos condensadors de filtre, 10uF per a l'entrada i.1uF a la sortida. També els he adjuntat cables d’entrada per evitar confusions més endavant. Recordeu: el 7815 i el 7915 es connecten de manera diferent. Consulteu els fulls de dades per a la numeració de pins i les connexions. Després de muntar-ho tot, és hora de fer totes les connexions internes.

Connexions d'alimentació i terra:

Vaig utilitzar un cable codificat per colors per connectar els cables d’alimentació de CC a la placa de circuit. Totes les connexions de terra tornen a un punt de connexió en el cas del projecte. Aquest és un esquema de connexió a terra "Star" típic. Perquè ja havia construït la font d'alimentació internament. Encara tenia dos condensadors de filtre grans interns a la caixa. Els vaig conservar i els vaig fer servir per a l'alimentació de CC entrant. Ja tenia un interruptor d’alimentació a la caixa (DPDT) i ho vaig fer servir per canviar l’alimentació CC no regulada +/- als reguladors. Vaig connectar directament el cable de terra.

Un cop completades totes les connexions, feu un descans i torneu més tard per comprovar-ho tot. Aquest és el pas més crític.

Us recomano que proveu la font d'alimentació i assegureu-vos que les polaritats siguin correctes i que tingueu + 15VDC i -15VDC dels reguladors abans de connectar-los a la placa de circuit. Vaig muntar dos LED al tauler per mostrar que hi havia energia. No cal que ho feu, però és un bon complement. Necessitareu una resistència limitadora de corrent en sèrie amb cada LED. Un 680 Ohm a 1K funcionarà bé.

Pas 7: Construcció: Patch Cables

Cables de pegat:

Aquesta part pot ser una instrucció independent. Per fer-lo útil, heu de connectar els quatre canals a les entrades de línia de la interfície Focusrite. Tinc previst tenir-los un al costat de l’altre, de manera que necessitava quatre cables de connexió curts. Vaig trobar un cable fantàstic d’un sol conductor que era resistent i no era car a Redco. També tenen bons endolls de ¼”. El cable té un blindatge exterior de coure trenat i un blindatge interior de plàstic conductor. Això s’ha d’eliminar quan es fabriquen els cables de connexió. Consulteu la seqüència fotogràfica del mètode de muntatge del cable. M’agrada agafar l’escut i embolicar-lo al voltant de la connexió de terra del connector ¼”per soldar-lo. Això fa que el cable sigui força resistent. Tot i que sempre heu de desconnectar un cable de connexió mantenint el connector, de vegades es produeixen accidents. Aquest mètode ajuda.

Pas 8: proves i ús

Proves i ús:

El primer que hem de fer és determinar la polaritat dels interruptors de fase. Per fer-ho necessitareu dos micròfons idèntics. Que suposo que teniu, o no necessitareu un pre-amplificador de quatre canals. Connecteu un a una entrada de preamplificador de micròfon Focusrite i l’altre per canalitzar un dels preamplificadors de micròfon de quatre canals. Desplaceu els dos al centre. Mantingueu els micròfons a prop els uns dels altres i parleu cantant o tararejant mentre passeu la boca més enllà dels dos micròfons. Els auriculars ajuden realment amb aquesta part. No hauríeu d'escoltar ni deixar de baixar la sortida si els micròfons estan en fase els uns amb els altres. Canvieu la fase del micròfon i repetiu. Si estan fora de fase, sentireu un nivell nul o baixar de nivell. Hauríeu de saber molt ràpidament quina posició està en fase i fora de fase.

Em vaig adonar que, amb el pot de nivell, a la meitat del camí, aconsegueixo un guany nominal per als meus micròfons, que coincideix aproximadament amb el lloc en què normalment poso el comandament de guany de preamplificador Focusrite a aproximadament 1-2 hores. Curiosament, les especificacions del Focusrite són de fins a 50 dB de guany. Quan el tinc tot amunt (sense micròfon connectat), rebo un lleu xiulet. És una mica més fort que el meu preamplificador basat en SSM2019. No tinc equips de proves elaborats disponibles. Tanmateix, tinc molta experiència tant en so d’estudi com en directe, i aquest preamplificador és un dels millors intèrprets.

Per a les entrades Hi-Z, heu soldat un disc Piezo a una presa de 1/4 i he comprovat que tot funciona i el rang de guany és correcte. Penso provar-ho amb una guitarra acústica en un futur proper.

Em fa il·lusió tenir vuit canals d’entrades de micròfon disponibles per gravar. Tinc un parell de micròfons MS i vuit dels meus micròfons Pimped Alice. Això em permetrà experimentar amb diferents ubicacions de micròfon alhora. També obre la porta a un projecte que volia provar durant molt de temps: un micròfon ambisonic. Una amb quatre càpsules internes destinades a captar so envoltant i so multidireccional.

Estigueu atents a altres instruccions de micròfon més.

Pas 9: referències

Es tracta d’una gran quantitat d’informació per a àudio analògic, disseny de preamplificadors de micro i connexió a terra adequada per als circuits d’àudio.

Referències:

Full de dades SSM2019

Full de dades OPA2134

Phantom Power Wikipedia

Aquell Corp "Phantom Menace"

Que Corp Analog Secrets no t'ha dit mai la teva mare

Aquest Corp té més secrets analògics que la teva mare no t’ha dit mai

That Corp Designing Microphone Preamps

Connexió a terra d’àudio Whitlock, Whitlock

Rane "nota 151": connexió a terra i blindatge