Equalized hoofdtelefoonversterker voor slechthorenden - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Mijn behoeftes

Enkele maanden geleden kreeg ik hoortoestellen om te compenseren voor een verlies van gevoeligheid voor hoge frequenties, waardoor geluiden gedempt werden en het moeilijk was om sybillanten te onderscheiden (bijv. "S" en "F"). Maar de hulpmiddelen hebben geen zin bij het gebruik van een koptelefoon, aangezien de microfoons achter het oor zitten. Na te hebben geëxperimenteerd met een inductie-neklus en directe invoer naar mijn hoortoestellen (die geen van beide bevredigende resultaten gaven), kwam ik op het idee van een hoofdtelefoonversterker met een instelbare frequentierespons die is ontworpen om te passen bij die van mijn hoortoestellen.

Als u een andere eis voor egalisatie heeft, kan dit project gemakkelijk worden aangepast. Het biedt boost (of cut, met een triviale wijziging) op 3 middenfrequenties. Het zou echter kunnen worden uitgebreid tot meer frequentiebanden.

Het resultaat

Wat ik uiteindelijk kreeg, was een nette kleine vierkante doos van 6 cm met 3,5 mm jack- en Bluetooth-ingangen en een 3,5 mm jack-koptelefoonuitgang. Ik vond de verbetering in de luisterervaring voor muziek spectaculair, en een grote verbetering voor spraak.

Wat deze Instructable je zal geven

Laat ik voorop stellen dat dit geen beginnersproject is. Je hebt een redelijk niveau van soldeervaardigheden nodig, en als je het wilt wijzigen (wat misschien goed is), moet je Eagle leren voor de bordlay-out en TinkerCAD voor de 3D-geprinte doos. Het kostte me een tijdje om beide onder de knie te krijgen, maar geen van beide was moeilijk. Ik verwacht dat mensen iets leren van mijn Instructables (tenzij je al meer weet dan ik), niet om blindelings instructies op te volgen.

Als je nog nooit componenten voor opbouwmontage hebt gesoldeerd, laat je dan niet afschrikken - het is niet zo moeilijk als je zou denken. Zie deze handleiding voor een introductie.

Wat je van dit project krijgt is:

• Eagle-ontwerpbestanden (schema en bordindeling)
• Een Excel-spreadsheet met de ontwerpvergelijkingen waarmee u de egalisatie aan uw behoeften kunt aanpassen
• Het TinkerCAD-ontwerp voor de 3D-geprinte doos.

Aangezien de minimale bestelling voor de op maat gemaakte printplaat 5 stuks was, heb ik 3 kale borden als reserve (één verkocht). Deze zijn nu te koop op eBay - zie

Stap 1: Het ontwerpproces: vereisten en strategie

Toen ik over dit project begon na te denken, was een van de eerste vragen die in me opkwamen of ik analoge of digitale filters moest gebruiken. In een thread op het All About Circuits-forum wees Keith Walker me op een zeer goedkope (analoge) grafische equalizer uit het Verre Oosten (hierboven afgebeeld) die hij had gebruikt om hetzelfde probleem op te lossen. Dus ik heb er een besteld als proof of concept.

Het werkte goed, maar was te omvangrijk voor draagbaar gebruik en had zowel positieve als negatieve stroomrails nodig, een bijkomend ongemak. Maar het bevestigde de aanpak en het type filtercircuits dat moet worden gebruikt.

Ik heb mijn eisen verfijnd tot het volgende:

• Het moet compact en draagbaar zijn en gevoed worden door een oplaadbare batterij.
• Het moet invoer accepteren van een 3,5 mm-aansluiting of Bluetooth.
• Het moet gescheiden linker- en rechterstereokanalen hebben.

Ik heb in veel eerdere projecten conventionele through-hole componenten en 0,3 DIL IC's op stripboard gebruikt, maar dit zou het te omvangrijk hebben gemaakt. Dus besloot ik dat ik een aangepaste PCB moest ontwerpen (een nieuwe ervaring voor mij) met behulp van oppervlak componenten monteren (waar ik enige ervaring mee heb) Ik zou ook een 3D-geprinte doos moeten ontwerpen (mijn 3D-ontwerpervaring was zeer beperkt).

Een Bluetooth-mogelijkheid zou gemakkelijk kunnen worden toegevoegd met behulp van een van de verschillende goedkope Bluetooth-modules die beschikbaar zijn.

Er zijn 2 of 3 speciale grafische equalizer-IC's waar ik naar heb gekeken, maar het gebruik van goedkope quad-opamps leek uiteindelijk eenvoudiger en vereiste slechts zoveel externe componenten.

Stap 2: Gedetailleerd ontwerp

Het basiscircuitelement dat ik heb gebruikt, staat bekend als een gyrator. Het gebruikt een operationele versterker om een condensator in een virtuele inductor te veranderen. Dit, en nog een condensator maakt een afgestemd circuit, dat ofwel een cut ofwel een boost geeft over een bepaald frequentiebereik. Heel veel grafische equalizerontwerpen gebruiken een vrijwel identiek ontwerp en het heeft geen zin om daarvan af te wijken. Ze worden geïllustreerd door deze van Electronics Today International september 1977, pagina 27. Dit artikel legt heel duidelijk uit hoe het circuit werkt.

Ik heb het alleen aangepast door quad-opamps te gebruiken die zouden werken op een enkele 5V-voeding, en door een hoofdtelefoonversterker-IC toe te voegen om ervoor te zorgen dat het een koptelefoon zou aansturen. Ik heb ook elke potentiometer vervangen door een potentiometer en een weerstand om alleen boost en fijnere controle te geven, omdat ik niet hoefde te snijden.

Het schema en de kaartlay-out (beide gegenereerd met Eagle) zijn hierboven weergegeven.

Een geweldige eigenschap van Eagle is dat het het Spice-circuitsimulatiepakket bevat, waardoor het mogelijk is om het ontwerp te valideren en de frequentierespons te voorspellen voordat de PCB wordt vervaardigd.

Het bord biedt 2 ingangen, een 3,5 mm jack-aansluiting en soldeerpads voor aansluiting van een Bluetooth-ontvangermodule. Deze staan effectief parallel. Stroom kan worden geleverd via een mini-USB-aansluiting of soldeerpads. Ik gebruikte mini in plaats van micro-USB omdat een micro-USB-aansluiting vrij moeilijk met de hand te solderen zou zijn en ook minder robuust is.

Stap 3: Eagle installeren en instellen

Als u het bordontwerp voor fabricage wilt verzenden, de lay-out wilt wijzigen of gewoon de responscurve wilt wijzigen, moet u Eagle installeren. Als (zoals ik toen ik met dit project begon) je er niet bekend mee bent, heeft de SparkFun-website een reeks handige tutorials op

De eerste die u moet bekijken, is hoe u Eagle installeert en instelt.

Dit omvat het installeren van de SparkFun-bibliotheken. Het gedownloade zip-bestand bevat een map SparkFun-Eagle-Libraries-master die u moet kopiëren naar EAGLE\libraries

U moet ook mijn Eagle-schema- en bordlay-outbestanden en mijn Spice-modellen importeren. (Spice is de circuitsimulatiesoftware waarmee we de frequentierespons van de versterker kunnen simuleren.)

Deze zijn allemaal opgenomen in een zip-bestand dat u kunt downloaden van

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Open het zipbestand en sleep de projecten en kruidenmappen naar uw EAGLE-map. (Het bevat al een lege projectenmap.)

Je zou nu klaar moeten zijn om Eagle te starten.

Open in het linkerdeelvenster Projecten, vervolgens projecten en vervolgens Equalized Headphone Amp.

Dubbelklik op de bestanden Headphone_Amp.brd en Headphone_Amp.sch. Deze worden geopend in afzonderlijke vensters, waarbij de eerste de indeling van het bord toont en de tweede het schema.

Zoek en klik in het schema op de knop Simuleren.

Dit opent de Simulatie-instellingen. Klik op het keuzerondje AC Sweep, stel het Type in op Dec (de standaard) en de Start- en End Freq op respectievelijk 100 en 10000. Klik rechtsonder op de knop Simuleren. Na een pauze zou een grafiek van de frequentierespons moeten verschijnen, zoals weergegeven in de volgende stap.

Stap 4: De responscurve aanpassen

Je oren zullen zeer waarschijnlijk anders zijn dan de mijne, dus allereerst heb je een kopie van je audiogram nodig. Uw audioloog zou u hiervan moeten kunnen voorzien, maar als u een goede koptelefoon heeft, kunt u deze zelf maken door naar https://newt.phys.unsw.edu.au/jw/hearing.html te gaan

Dit zou je een goed idee moeten geven van hoeveel boost je nodig hebt op verschillende frequenties. In mijn geval neemt mijn gehoorverlies snel toe boven 3 kHz, waardoor het onhaalbaar is om veel daarboven te compenseren. Hoe dan ook, een paar experimenten die het spectrum van verschillende bronnen met Audacity analyseerden, gaven aan dat er voor mij waarschijnlijk niet veel meer te missen was.

Zoals het er nu uitziet, stelt het project je in staat om de frequentierespons aan te passen op 3 middenfrequenties van 1,5, 2,3 en 3,3 kHz, onafhankelijk tussen de linker- en rechterkanalen. U kunt bij deze frequenties blijven of ze wijzigen (zie de volgende stap).

In je EAGLE\spice folder vind je modellen voor de 3 trimpots POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl en POT_VR131.mdl. Deze regelen de respons op de 3 frequenties. Als u een van deze opent met een teksteditor (bijv. Kladblok), ziet u een regel zoals:

.param VAR=50

Verander het getal in iets tussen 0 en 100 om de positie van de corresponderende trimpot weer te geven en dus de boost bij die frequentie in alles van nul tot maximum.

Voer nu de simulatie opnieuw uit (klik op Netlijst bijwerken voordat u op Simuleren klikt) om te zien hoe de frequentierespons er nu uitziet.

Stap 5: De centrumfrequenties wijzigen

In de map Eagle Project heb ik een Excel-spreadsheet Calc.xlsx toegevoegd. Open dit met Excel (of als je geen Excel hebt, LibreOffice Calc, dat gratis is). Deze spreadsheet belichaamt de ontwerpberekeningen voor slechts een van de 3 filtersecties.

In het eerste vak kunt u de middenfrequentie en de Q-factor berekenen voor de gegeven waarden van R1, R2, C1 en C2. (De Q- of Quality-factor bepaalt de breedte van de band. Een hogere waarde geeft een smallere band en meer boost. Waarden rond de 4 lijken goed te werken als elke frequentie ongeveer 50% groter is dan de vorige.)

In feite is de kans groter dat u de frequenties wilt kiezen en de componentwaarden wilt berekenen. Gegeven een gewenste frequentie en drie van de vier componentwaarden, kunt u in het tweede vak de 4e componentwaarde berekenen.

Componenten hebben een voorkeurswaarde (bijvoorbeeld de E12-serie), dus u kunt de voorkeurswaarde kiezen die het dichtst bij de berekende waarde ligt en deze teruggeven in het eerste vak om te zien welke werkelijke frequentie dat oplevert.

U moet dan uw waarden aansluiten op het Eagle-schema en de simulatie herhalen.

Open het schema en klik in het linkerdeelvenster op het pictogram van de componentwaarde en klik vervolgens op de component die u wilt wijzigen. (De simulatie is ingesteld om alleen op het onderste of linker kanaal te werken.) U krijgt een waarschuwing dat de component geen door de gebruiker te definiëren waarde heeft. Wil je het veranderen? Natuurlijk doe je dat! Voer de nieuwe waarde in het vak dat verschijnt.

Klik op de knop Simuleren, klik op Netlijst bijwerken en vervolgens op Simuleren.

Stap 6: Vereiste componenten

Je hebt natuurlijk wel een printplaat nodig. Tenzij je een van mijn vrije kale boards gebruikt, moet je de Eagle-bestanden opsturen voor fabricage. De meeste fabrikanten eisen het ontwerp als een set gerber-bestanden. In plaats van de instructies hier te dupliceren, zoekt u online naar Eagle-exportgerber of raadpleegt u de Sparkfun-tutorial.

Afzonderlijke gerber-bestanden beschrijven de koperlagen, het soldeermasker, de zeefdruk, het boren en het frezen van de bordomtrek.

Door de bestanden online in te dienen bij een fabrikant, worden ze gevalideerd en wordt u gewaarschuwd als er essentiële bestanden ontbreken. Maar het zal je niet waarschuwen als er een zeefdrukbestand ontbreekt, wat mijn fout was. Dit staat los van de apparaatcontouren.

Je hebt de volgende componenten nodig om het bord te vullen.

• TL084 SOIC-14 quad op amp - 2 uit
• LM4880M SOIC 250mW eindversterker - 1 uit
• 0603 SMD weerstand assortiment
• 0603 SMD keramische condensator assortiment 100pF - 1μF
• 5K Trim Pot 3362P-502 - 6 stuks
• 10uF 16V SMD 0805 Meerlagige Keramische meerlagige condensator - 4 uit
• 2917 (EIA7343) 100μF 16V tantaalcondensator - 2 uit
• 2917 (EIA7343) 470μF 10V tantaal condensator - 2 uit
• Mini USB vrouwelijke 5-pins SMD-aansluiting
• 3,5 mm doorlopende PCB-montage stereo audio-aansluiting - 2 uit
• 3 mm blauwe LED (of kleur naar keuze)

Voor een complete batterijgevoede unit met Bluetooth-ingang heeft u bovendien het volgende nodig:

• Bluetooth-ontvangermodule die A2DP ondersteunt, zoals deze
• LiPo-batterij: 503035 3.7V 500mAhr
• TP4056 LiPo-oplader met mini-USB-ingang (of microUSB als je dat liever hebt) zoals deze
• 3V - 5V boost-converter zoals deze
• Mini SPDT-schuifschakelaar

NB De LiPo-oplader is waarschijnlijk ingesteld op een laadstroom van 1A, wat te veel is voor een 500mAh-batterij. Het is belangrijk dat u de programmeerweerstand voor de laadsnelheid verwijdert (normaal gesproken 1,2K aangesloten op pin 2 van de TP4056-chip) en deze vervangt door een weerstand van 3,3k.

Ik heb een LiPo-batterij met draadeinde gebruikt, maar een met een miniatuur JST-connector zou het alleen mogelijk maken om te worden aangesloten nadat de bedrading is aangesloten en al het andere is gecontroleerd, en het is ook gemakkelijker te vervangen.

Een Bluetooth-module die op 3,3 V of 5 V werkt, verdient de voorkeur, omdat deze dan rechtstreeks van de batterij kan worden gevoed, waardoor de digitale ruis op de 5 V-voeding naar de hoofdprintplaat wordt verminderd.

Als u een Bluetooth-module kiest die zowel AVRCP als A2DP ondersteunt, kunt u drukknoppen toevoegen voor volume omhoog/omlaag en volgende/vorige track.

Veel Bluetooth-modules hebben een LED voor opbouwmontage om de verbindingsstatus aan te geven, en de TP4056-oplader heeft rode en groene LED's voor opbouwmontage om de laadstatus aan te geven. Een doos zoals die ik heb gemaakt zal deze waarschijnlijk verbergen, zodat ze kunnen worden vervangen (zie later) door:

• 3 mm blauwe LED
• 3mm rood/groene gemeenschappelijke anode LED.

Stap 7: Een prototype blote bord gebruiken

Als je een van mijn reserve-prototypeborden hebt gekocht, zijn er slechts een paar kleine fouten waar je op moet letten.

• Er is geen zeefdruk op de bovenkant van het bord. U zult het handig vinden om een gedrukt exemplaar van de lay-out van het bord bij de hand te hebben terwijl u het invult.
• Een paar via's waren bedoeld om de bovenste en onderste grondvlakken te verbinden die dat niet doen. Dit heeft geen gevolgen.
• C3 was oorspronkelijk 100uF, in een 2917-verpakking. Deze waarde was veel te groot en is nu 1uF 0603. Je zult een beetje van de soldeerresist van het grondvlak moeten schrapen om dit te passen, zoals op de foto te zien is.

De versterking wordt ingesteld door de waarden van weerstanden R106 en R206. 22k geeft ongeveer eenheidswinst. Omdat je misschien met verschillende waarden wilt experimenteren, heb ik zowel 0603 SMD-weerstandspads als gaten met een pitch van 0,3 inch voor draadeindweerstanden geleverd.

Stap 8: Boksen

Je kunt het 3D-printbare ontwerp voor de doos die ik heb gebruikt vinden op tinkercad.com. De spelingen waren een beetje te krap, dus ik heb de lengte en breedte van de doos met 1 mm vergroot.

De onderkant van de doos biedt compartimenten voor de batterij, de oplader, de 5V-boostconverter en de Bluetooth-module. De hoofdtelefoonversterkerkaart past er bovenop. Het deksel wordt vastgehouden door twee M2x5mm zelftappende schroeven.

Identieke oplader- en 5V-boostmodules zijn overal verkrijgbaar, maar er zijn veel verschillende Bluetooth-modules. Als een van deze verschilt van de mijne, moet u het ontwerp van de doos aanpassen.

Eenmaal op hun plaats kunt u de modules lichtjes vasthouden met smeltlijm.

Stap 9: Bedrading Het Up

Voor testdoeleinden heb ik alle modules met blu-tac op een stuk karton bevestigd. Hieruit ontdekte ik dat de routering van de grondverbindingen van cruciaal belang was. De aarde van de Bluetooth-module moet samen met de let- en rechterkanalen naar de hoofdtelefoonversterker worden gebracht, maar dan moet de massaverbinding van het verdeelbord naar de Bluetooth-module gaan, niet de hoofdtelefoonversterker, anders krijg je veel digitale ruis van de Bluetooth-module in de uitgang.

Ik heb de aan / uit-schakelaar op een klein stukje stripboard gemonteerd, 6 stroken breed bij 5 lang en met een 2x4 uitsparing voor de schakelaar. Deze dient tevens als stroomverdeelbord. Toen het volledig bedraad was, lijmde ik de schakelaar op zijn plaats (met het stripboard bevestigd) met behulp van epoxylijm. Als ik het project opnieuw zou doen, zou ik een voorziening treffen voor de schakelaar op de hoofdtelefoonversterkerkaart.

Je hebt vrij dun gevlochten draad nodig om het te bedraden, dus ik heb een stuk regenbooglintkabel gesplitst, waardoor ik afzonderlijke draden van verschillende kleuren kreeg. Normaal gesproken zou je de draden door een gat in een bord leiden en aan de andere kant solderen, maar met de verschillende modules op hun plaats in de basis van de doos moest ik aan dezelfde kant van het bord solderen als waar de draad vandaan kwam, met net iets meer isolatie gestript dan anders nodig zou zijn geweest. Ik moest het stripboard met de koperen kant naar boven monteren en de verbindingen er op dezelfde manier aan solderen.

Ik wilde dat de LED's op de oplader en de Bluetooth-modules zichtbaar waren, dus ik verwijderde de ingebouwde SMD-LED's en bedraadde de pads op 3 mm-LED's. Ik heb hiervoor gaten in de doos geboord omdat ik ze niet had toegestaan in mijn 3D-geprinte doos. Ik verbond ze met de soldeerpads op de modules met soldeerbare geëmailleerde draad. Dit is gecoat in zelfvloeiend polyurethaan dat smelt onder de hitte van een soldeerbout.

Voor de laadmodule heb ik een rood/groene gemeenschappelijke anode-LED gebruikt. De gemeenschappelijke anode moet worden aangesloten op een van de SMD LED-pads die zich het dichtst bij de rand van het bord bevinden (wat u kunt bevestigen met een multimeter). Als uw Bluetooth-module een SMD-led heeft, moet u de polariteit bepalen met een multimeter. Sommige modules hebben aansluitingen voor een externe LED.

Voordat ik de hoofdtelefoonversterker in de doos boven de andere modules plaatste, vond ik het nodig om kleine stukjes PVC-tape op de bovenkant van twee elektrolytische condensatoren op de Bluetooth-module en op de mini-USB-oplaadaansluiting te plaatsen om kortsluiting met de onderkant van de hoofdtelefoonversterker.

Stap 10: Verbeteringen

Als ik hier een product van zou willen maken, zijn er ongetwijfeld dingen die ik zou veranderen, maar omdat ik van mezelf een gadget heb gemaakt dat mijn doel dient, ga ik verder met andere projecten.

Het circuit:

• Een bipolaire voeding was misschien beter geweest. Aangezien de stroom die door de opamps wordt getrokken klein is, zou een capacitieve pompspanningsomvormer zoals de MAX660 gemakkelijk de negatieve voeding hebben geleverd.
• Met een bipolaire voeding zou de 5V-boostconverter niet nodig zijn voor de opamps. De LM4880 hoofdtelefoonversterker werkt op de onbewerkte uitgangsspanning van een LiPo-batterij, hoewel het maximale uitgangsvermogen wordt verlaagd van 250 mW per kanaal tot ongeveer 100 mW per kanaal.

Het bord:

• Het formaat van het bord is precies wat het uit het lay-outproces kwam, maar door het te verkleinen tot een exacte maat zoals 6x6 cm, zou het ontwerp van de doos een beetje eenvoudiger zijn geweest.
• Evenzo zou het netter zijn geweest om de in- en uitvoer 3,5 mm-aansluitingen in lijn en precies in het midden van de twee kanten te hebben geplaatst. Dit zou ook het ontwerp van de doos vergemakkelijken.
• Het zou eenvoudig zijn geweest om het LiPo-laadcircuit aan boord te hebben. De 3 - 5V boost-converter zou niet nodig zijn met een bipolaire voeding, dus 2 aparte modules besparen.
• Met een eenvoudige TP4056-oplader zoals die wordt gebruikt, kan de batterij worden overladen als u deze probeert op te laden terwijl het apparaat is ingeschakeld. Iets meer geavanceerde opladers bevatten een eenvoudig beveiligingscircuit, dat de moeite waard zou zijn om op te nemen.
• Met de bovenstaande aanpassingen zou de schakelaar dan op het bord kunnen worden gemonteerd. De methode om de schakelaar in de 3D-geprinte doos te monteren was niet ideaal.
• Met een 2-polige 3-wegschakelaar kan de Bluetooth-module alleen worden gevoed wanneer dat nodig is.

De doos:

• Door de modules in 2 lagen te monteren, was de montage moeilijker dan nodig was, en een dunnere maar grotere doos had misschien beter in een zak gepast.
• De schakelaar wordt gemakkelijk per ongeluk ingeschakeld. Om dit te voorkomen was het eenvoudig geweest om in het 3D-printontwerp afschermingen er omheen op te nemen.

Andere applicaties:

Als je, misschien als audiofiel, gewoon een geëgaliseerde hoofdtelefoonversterker wilt die zowel boost als cut geeft op verschillende frequenties, dan kun je in wezen hetzelfde ontwerp gebruiken.

Om zowel boost als cut te geven, elimineer je R113, R123, R133 en R213, R223, R233 (of vervang je door 0Ω resitors) en vervang je de trimpots door 10k (slider pots als je dat liever hebt).

U kunt zoveel instanties van het gyratorcircuit toevoegen als u nodig hebt.