Digitaal gestuurde 18W gitaarversterker - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Een paar jaar geleden bouwde ik een 5W gitaarversterker, die destijds een soort oplossing was voor mijn audiosysteem, en onlangs besloot ik een nieuwe te bouwen, veel krachtiger en zonder gebruik van analoge componenten voor de gebruikersinterface, zoals draaipotentiometers en tuimelschakelaars.

Digitaal gestuurde 18W gitaarversterker is een stand-alone, digitaal gestuurde 18W mono gitaarversterker met vertragingseffectsysteem en een elegant liquid-crystal display, dat exacte informatie geeft over wat er in het circuit gebeurt.

De kenmerken van het project:

• Volledig digitale besturing: ingang van de gebruikersinterface is een roterende encoder met een ingebouwde schakelaar.
• ATMEGA328P: Is een microcontroller (gebruikt als Arduino-achtig systeem): Alle instelbare parameters worden programmatisch door de gebruiker bestuurd.
• LCD: fungeert als uitvoer van de gebruikersinterface, zodat de apparaatparameters zoals versterking/volume/vertragingsdiepte/vertragingstijd in grote mate kunnen worden waargenomen.
• Digitale potentiometers: worden gebruikt in de subcircuits, waardoor de apparaatbesturing volledig digitaal is.
• Cascadesysteem: elk circuit in het vooraf gedefinieerde systeem is een afzonderlijk systeem dat alleen voedingslijnen deelt, waardoor het relatief eenvoudig kan worden opgelost in het geval van storingen.
• Voorversterker: Gebaseerd op LM386 geïntegreerde schakeling, met een zeer eenvoudig schematisch ontwerp en minimale vereiste onderdelen.
• Vertragingseffectcircuit: is gebaseerd op PT2399 geïntegreerd circuit, kan worden gekocht bij eBay als een afzonderlijke IC (ik heb het hele vertragingscircuit zelf ontworpen) of kan worden gebruikt als een complete module met de mogelijkheid om draaipotentiometers te vervangen door digipots.
• Eindversterker: is gebaseerd op de TDA2030-module, die al alle perifere circuits voor zijn werking bevat.
• Voeding: het apparaat wordt gevoed door een oude externe 19V DC-voeding van een laptop, dus het apparaat bevat een step-down DC-DC-module als voorregelaar voor de LM7805, waardoor het veel minder warmte afgeeft tijdens het stroomverbruik van het apparaat.

Nadat we alle korte informatie hebben behandeld, gaan we het bouwen!

Stap 1: Het idee

Zoals u in het blokschema kunt zien, werkt het apparaat als een klassieke benadering van het ontwerp van de gitaarversterker met kleine variaties op het besturingscircuit en de gebruikersinterface. Er zijn in totaal drie groepen circuits waarover we zullen uitbreiden: analoog, digitaal en voeding, waarbij elke groep uit afzonderlijke subcircuits bestaat (het onderwerp zal in de verdere stappen goed worden uitgelegd). Om het veel gemakkelijker te maken om de projectstructuur te begrijpen, laten we die groepen uitleggen:

1. Analoog gedeelte: Analoge circuits bevinden zich in de bovenste helft van het blokschema, zoals hierboven te zien is. Dit onderdeel is verantwoordelijk voor alle signalen die door het apparaat gaan.

1/4 jack is de mono-ingang van een apparaat en bevindt zich op de grens tussen de doos en het gesoldeerde elektronische circuit.

De volgende fase is een voorversterker, gebaseerd op LM386 geïntegreerde schakeling, die uiterst eenvoudig te gebruiken is in dergelijke audiotoepassingen. De LM386 wordt gevoed met 5V DC van de hoofdvoeding, waar de parameters, versterking en volume worden geregeld via digitale potentiometers.

De derde fase is een eindversterker, gebaseerd op TDA2030 geïntegreerde schakeling, aangedreven door een externe 18 ~ 20V DC-voeding. Bij dit project blijft de versterking die is geselecteerd op de eindversterker constant gedurende de hele bedrijfstijd. Aangezien het apparaat geen enkele ingepakte PCB is, wordt het aanbevolen om de TDA2030A-geassembleerde module te gebruiken en deze aan de prototypebard te bevestigen door alleen I/O- en voedingspinnen aan te sluiten.

2. Digitaal gedeelte: Digitale circuits bevinden zich in de onderste helft van het blokschema. Zij zijn verantwoordelijk voor de gebruikersinterface en analoge parameters zoals vertragingstijd/diepte, volume en versterking.

Encoder met ingebouwde SPST-schakelaar wordt gedefinieerd als invoer voor gebruikerscontrole. Omdat het als een enkel onderdeel is geassembleerd, is de enige noodzaak voor een goede werking het programmatisch of fysiek bevestigen van pull-up-weerstanden (we zullen het zien in de schematische stap).

Microprocessor als het "hoofdbrein" in het circuit is ATMEGA328P, dat in dit apparaat in Arduino-achtige stijl wordt gebruikt. Het is het apparaat dat alle digitale macht over het circuit heeft en alles opdraagt wat te doen. Programmeren gebeurt via de SPI-interface, dus we kunnen elke geschikte USB ISP-programmeur of gekochte AVR-debugger gebruiken. In het geval dat u Arduino als microcontroller in het circuit wilt gebruiken, is dit mogelijk door bijgevoegde C-code te compileren die aanwezig is in de programmeerstap.

Digitale potentiometers zijn een paar dubbele geïntegreerde schakelingen die via SPI-interace worden bestuurd door een microcontroller, met een totaal aantal van 4 potentiometers voor volledige controle over alle parameters:

LCD is een output van de gebruikersinterface, die ons laat weten wat er in de doos gebeurt. In dit project heb ik waarschijnlijk de meest populaire 16x2 LCD onder Arduino-gebruikers gebruikt.

3. Voeding: De voeding is verantwoordelijk voor het leveren van energie (spanning en stroom) aan het hele systeem. Aangezien het stroomversterkercircuit rechtstreeks wordt gevoed door een externe laptopadapter en alle resterende circuits worden gevoed door 5V DC, is er behoefte aan een DC-DC step-down of lineaire regelaar. In het geval van een 5V lineaire regelaar die deze verbindt met de externe 20V, wanneer de stroom door de lineaire regelaar naar de belasting gaat, wordt er een enorme hoeveelheid warmte gedissipeerd op de 5V-regelaar, dat willen we niet. Dus tussen 20V lijn en 5V lineaire regelaar (LM7805), is er een 8V DC-DC step-down converter, die fungeert als een pre-regulator. Een dergelijke bevestiging voorkomt een enorme dissipatie op de lineaire regelaar, wanneer de belastingsstroom hoge waarden bereikt.

Stap 2: Onderdelen en instrumenten

Elektronische onderdelen:

1. Modules:

• PT2399 - Echo\delay IC-module.
• LM2596 - Step-down DC-DC-module
• TDA2030A - 18W Vermogen mmplifier-module
• 1602A - Gemeenschappelijk LCD 16x2 karakters.
• Roterende encoder met ingebouwde SPST-schakelaar.

2. Geïntegreerde schakelingen:

• LM386 - Mono audioversterker.
• LM7805 - 5V Lineaire regelaar.
• MCP4261/MCP42100 - 100KOhm dubbele digitale potentiometers
• ATMEGA328P - Microcontroller

3. Passieve componenten:

A. condensatoren:

• 5 x 10uF
• 2 x 470uF
• 1 x 100uF
• 3x 0.1uF

B. Weerstanden:

• 1 x 10R
• 4 x 10K

C. Potentiometer:

1 x 10K

(Optioneel) Als u de PT2399-module niet gebruikt en geïnteresseerd bent in het zelf bouwen van het circuit, zijn deze onderdelen vereist:

• PT2399
• 1 x 100K Weerstand
• 2 x 4.7uF condensator
• 2 x 3.9nF condensator
• 2 x 15K Weerstand
• 5 x 10K Weerstand
• 1 x 3.7K Weerstand
• 1 x 10uF condensator
• 1 x 10nF condensator
• 1 x 5.6K Weerstand
• 2 x 560pF condensator
• 2 x 82nF condensator
• 2 x 100nF condensator
• 1 x 47uF condensator

4. Aansluitingen:

• 1 x 1/4" mono jack-connector
• 7 x dubbele klemmenblokken
• 1 x vrouwelijke 6-pins rijconnector
• 3 x 4-pins JST-connectoren
• 1 x mannelijke voedingsconnector

Mechanische onderdelen:

• Luidspreker met vermogensacceptatie gelijk aan of groter dan 18 W
• Houten behuizing
• Houten frame voor uitgesneden gebruikersinterface (voor LCD en roterende encoder).
• Schuimrubber voor luidspreker- en UI-gebieden
• 12 boorschroeven voor de onderdelen
• 4 x bevestigingsbouten en moeren voor LCD-frame
• 4 x rubberen poot voor stabiele apparaatoscillaties (mechanische resonantieruis is een veel voorkomend verschijnsel in het ontwerp van de versterker).
• Knop voor roterende encoder

instrumenten:

• Elektrische schroevendraaier
• Hot-lijmpistool (indien nodig)
• (Optioneel) Lab-voeding
• (Optioneel) Oscilloscoop
• (Optioneel) Functiegenerator
• Soldeerbout\station
• Kleine snijder
• Kleine Tang
• soldeer tin
• Pincet
• Wikkeldraad
• Boren
• Kleine zaag voor het zagen van hout
• Mes
• Slijpbestand

Stap 3: Schema's Uitleg

Omdat we bekend zijn met het blokschema van het project, kunnen we doorgaan naar de schema's, rekening houdend met alle dingen die we moeten weten over de werking van het circuit:

Voorversterkercircuit: LM386 wordt aangesloten met een minimum aan onderdelen, zonder dat externe passieve componenten hoeven te worden gebruikt. In het geval dat u de frequentierespons op de audiosignaalinvoer wilt wijzigen, zoals basversterking of toonregeling, kunt u de LM386-datasheet raadplegen, waarover gesproken is, dit heeft geen invloed op het schematische diagram van dit apparaat, behalve voor kleine veranderingen in de aansluitingen van de voorversterker. Omdat we een enkele 5V DC-voeding voor het IC gebruiken, moet een ontkoppelcondensator (C5) worden toegevoegd aan de uitgang van het IC voor de DC-verwijdering van het signaal. Zoals te zien is, is de 1/4 connector (J1) signaalpin verbonden met de digipot 'A' pin, en de LM386 niet-inverterende ingang is verbonden met de digitpot 'B' pin, dus als resultaat hebben we een eenvoudige spanningsdeler, bestuurd door microcontroller via SPI-interface.

Delay\Echo Effect Circuit: Dit circuit is gebaseerd op PT2399 delay effect IC. Dit circuit lijkt ingewikkeld volgens de datasheet, en het is heel gemakkelijk om in de war te raken door het helemaal te solderen. Het wordt aanbevolen om een complete PT2399-module aan te schaffen die al is gemonteerd, en het enige wat u hoeft te doen is draaipotentiometers van de module los te solderen en digipotlijnen (Wiper, 'A' en 'B') aan te sluiten. Ik heb een gegevensbladverwijzing naar het echo-effectontwerp gebruikt, met digipots die zijn gekoppeld aan de selectie van de oscillatieperiode en het volume van het feedbacksignaal (wat we zouden moeten noemen - "diepte"). De ingang van het vertragingscircuit, de DELAY_IN-lijn genoemd, is verbonden met de uitgang van het voorversterkercircuit. Het wordt niet genoemd in de schema's omdat ik alle circuits wilde maken om alleen stroomlijnen te delen, en signaallijnen zijn verbonden met externe kabels. "Hoe niet handig!", denk je misschien, maar het punt is dat het bij het bouwen van een analoog verwerkingscircuit veel gemakkelijker is om elk circuit in het project deel voor deel op te lossen. Het wordt aanbevolen om bypass-condensatoren toe te voegen aan de 5V DC-voedingspin, vanwege het lawaaierige gebied.

Voeding: het apparaat wordt gevoed via een externe voedingsaansluiting met een 20V 2A AC/DC-adapter. Ik ontdekte dat de beste oplossing om een grote hoeveelheid vermogensdissipatie op een lineaire regelaar in de vorm van warmte te verminderen, is om 8V DC-DC step-down converter (U10) toe te voegen. LM2596 is een buck-converter die in veel toepassingen wordt gebruikt en populair is bij Arduino-gebruikers, die minder dan $ 1 kost op eBay. We weten dat die lineaire regelaar een spanningsval heeft op zijn doorvoer (in het geval van 7805 is de theoretische benadering ongeveer 2,5V), dus er is een veilige kloof van 3V tussen invoer en uitvoer van de LM7805. Het wordt niet aanbevolen om de lineaire regelaar te verwaarlozen en de lm2596 rechtstreeks op de 5V-lijn aan te sluiten, vanwege de schakelruis, welke spanningsrimpel de stroomstabiliteit van de circuits kan beïnvloeden.

Eindversterker: Het is zo simpel als het lijkt. Aangezien ik een TDA2030A-module in dit project heb gebruikt, is de enige vereiste om voedingspinnen en I / O-lijnen van de eindversterker aan te sluiten. Zoals eerder vermeld, is de ingang van de eindversterker verbonden met de uitgang van het vertragingscircuit via een externe kabel met behulp van connectoren. De luidspreker die in het apparaat wordt gebruikt, wordt via een speciaal aansluitblok aangesloten op de uitgang van de eindversterker.

Digitale potentiometers: waarschijnlijk de belangrijkste componenten in het hele apparaat, waardoor het digitaal kan worden bestuurd. Zoals je kunt zien zijn er twee soorten digipots: MCP42100 en MCP4261. Ze delen dezelfde pinout, maar verschillen in communicatie. Ik heb slechts twee laatste digipot in mijn voorraad toen ik dit project heb gebouwd, dus ik gebruikte gewoon wat ik had, maar ik raad aan om twee digipots van hetzelfde type te gebruiken, ofwel MCP42100 of MCP4261. Elke digipot wordt bestuurd door een SPI-interface, gedeelde klok (SCK) en gegevensinvoer (SDI) pinnen. De SPI-controller van de ATMEGA328P kan meerdere apparaten aan door afzonderlijke chipselectie-pinnen (CS of CE) aan te sturen. Het is op die manier ontworpen in dit project, waar SPI-chip enable-pinnen zijn verbonden met afzonderlijke microcontroller-pinnen. PT2399 en LM386 zijn aangesloten op 5V-voeding, dus we hoeven ons geen zorgen te maken over spanningsschommelingen op het digipot-weerstandsnetwerk in de IC's (dit wordt grotendeels behandeld in de datasheet, in het gedeelte over het spanningsniveaubereik op de interne schakelweerstanden).

Microcontroller: zoals gezegd, gebaseerd op een ATMEGA328P in Arduino-stijl, met de noodzaak van een enkele passieve component - pull-up-weerstand (R17) op de reset-pin. 6-pins connector (J2) wordt gebruikt voor apparaatprogrammering via USB ISP-programmeur via SPI-interface (Ja, dezelfde interface waarop digipots zijn aangesloten). Alle pinnen zijn verbonden met de juiste componenten, die worden weergegeven in het schematische diagram. Het wordt sterk aanbevolen om bypass-condensatoren toe te voegen in de buurt van de 5V-voedingspinnen. De condensatoren die u in de buurt van de encoderpinnen (C27, C28) ziet, worden gebruikt om te voorkomen dat de encoderstatus op deze pinnen stuitert.

LCD: LCD-scherm is op een klassieke manier aangesloten met 4-bits gegevensoverdracht en twee extra pinnen voor het vergrendelen van de gegevens - Register select (RS) en Enable (E). LCD heeft een constante helderheid en variabel contrast, dat kan worden aangepast met een enkele trimmer (R18).

Gebruikersinterface: De roterende encoder van het apparaat heeft een ingebouwde SPST-drukknop, waarbij alle verbindingen zijn verbonden met de beschreven microcontroller-pinnen. Het wordt aanbevolen om een pull-up-weerstand aan te sluiten op de pin van elke encoder: A, B en SW, in plaats van een interne pull-up te gebruiken. Zorg ervoor dat de A- en B-pinnen van encoder zijn aangesloten op de externe interrupt-pinnen van de microcontroller: INT0 en INT1 om te voldoen aan de apparaatcode en betrouwbaarheid bij gebruik van de encodercomponent.

JST-connectoren en klemmenblokken: elk analoog circuit: voorversterker, vertraging en eindversterker zijn geïsoleerd op het gesoldeerde bord en zijn met kabels verbonden tussen de klemmenblokken. Encoder en LCD zijn bevestigd aan de JST-kabels en verbonden met het gesoldeerde bord via JST-connectoren zoals hierboven beschreven. Externe voeding jack ingang en 1/4 mono jack gitaar ingang zijn verbonden via klemmenblokken.

Stap 4: Solderen

Na een korte voorbereiding moet men zich een precieze plaatsing van alle componenten op het bord voorstellen. Het verdient de voorkeur om het soldeerproces te beginnen vanaf de voorversterker en te eindigen met alle digitale circuits.

Hier is een stapsgewijze beschrijving:

1. Soldeer voorversterkercircuit. Controleer de verbindingen. Zorg ervoor dat grondlijnen op alle juiste lijnen worden gedeeld.

2. Soldeer de PT2399-module/IC met alle perifere circuits, volgens het schema. Omdat ik het hele vertragingscircuit heb gesoldeerd, kun je zien dat er veel gedeelde lijnen zijn die gemakkelijk kunnen worden gesoldeerd volgens elke PT2399-pinfunctie. Als je een PT2399-module hebt, soldeer dan gewoon de draaipotentiometers en soldeer digitale potentiometernetlijnen aan deze vrijgekomen pinnen.

3. Soldeer de TDA2030A-module, zorg ervoor dat de luidsprekeruitgang zich in het midden van het bord bevindt.

4. Soldeer voedingscircuit. Plaats bypass-condensatoren volgens het schema.

5. Soldeer Microcontroller-circuit met zijn programmeerconnector. Probeer het te programmeren, zorg ervoor dat het niet faalt in het proces.

6. Soldeer digitale potentiometers

7. Soldeer alle JST-connectoren in de gebieden volgens elke lijnverbinding.

8. Schakel het bord in, als u een functiegenerator en oscilloscoop heeft, controleer dan stap voor stap de reactie van elk analoog circuit op het ingangssignaal (aanbevolen: 200mVpp, 1KHz).

9. Controleer de reactie van het circuit op de eindversterker en het vertragingscircuit/module afzonderlijk.

10. Sluit de luidspreker aan op de uitgang van de eindversterker en de signaalgenerator op de ingang, zorg ervoor dat u de toon hoort.

11. Als alle tests die we hebben uitgevoerd succesvol zijn, kunnen we doorgaan naar de montagestap.

Stap 5: Montage

Dit is waarschijnlijk het moeilijkste deel van het project vanuit het oogpunt van technische benadering, tenzij er enkele handige hulpmiddelen zijn voor het zagen van hout in uw voorraad. Ik had een zeer beperkte set instrumenten, dus ik was gedwongen om de moeilijke weg te gaan - de doos handmatig snijden met een slijpvijl. Laten we de essentiële stappen bespreken:

1. De doos voorbereiden:

1.1 Zorg ervoor dat u een houten behuizing heeft met de juiste afmetingen voor de toewijzing van de luidspreker en het elektronische bord.

1.2 Snijd het gebied voor de luidspreker af. Het wordt sterk aanbevolen om een schuimrubberen frame aan het uitgesneden gebied van de luidspreker te bevestigen om resonantietrillingen te voorkomen.

1.3 Snijd een apart houten frame voor de gebruikersinterface (LCD en encoder). Snijd het juiste gebied voor het LCD-scherm af, zorg ervoor dat de richting van het LCD-scherm niet wordt omgekeerd naar het vooraanzicht van de behuizing. Nadat dit is voltooid, boort u een gat voor de roterende encoder. Bevestig het LCD-scherm met 4 boorschroeven en roterende encoder met een geschikte metalen moer.

1.4 Plaats schuimrubber op het houten frame van de gebruikersinterface over de hele omtrek. Dit helpt ook om resonerende noten te voorkomen.

1.5 Lokaliseer waar het elektronische bord zal worden geplaatst en boor vervolgens 4 gaten in de houten behuizing

1.6 Bereid een kant voor waar de DC externe voedingsingang en 1/4 gitaaringang zich bevinden, boor twee gaten met de juiste diameters. Zorg ervoor dat deze connectoren dezelfde pinout hebben als het elektronische bord (dwz polariteit). soldeer twee paar draden voor elke ingang.

2. Aansluiten van de onderdelen:

2.1 Bevestig de luidspreker aan het geselecteerde gebied, zorg ervoor dat twee draden zijn aangesloten op de luidsprekerpinnen met 4 boorschroeven.

2.2 Bevestig het gebruikersinterfacepaneel aan de geselecteerde kant van de behuizing. Vergeet het schuimrubber niet.

2.3 Verbind alle circuits met elkaar via klemmenblokken

2.4 Sluit LCD en encoder aan op het bord via JST-connectoren.

2.5 Sluit de luidspreker aan op de TDA2030A module-uitgang.

2.6 Sluit de stroom- en gitaaringangen aan op de aansluitblokken van het bord.

2.7 Plaats de plank op de positie van de geboorde gaten, zet de plank vast met 4 boorschroeven van buiten de houten behuizing.

2.8 Bevestig alle onderdelen van de houten behuizing aan elkaar zodat het eruitziet als een stevige doos.

Stap 6: Programmeren en coderen

Apparaatcode voldoet aan de regels van de AVR-microcontrollerfamilie en voldoet aan de ATMEGA328P MCU. De code is geschreven in Atmel Studio, maar er is een mogelijkheid om het Arduino-bord te programmeren met Arduino IDE die dezelfde ATMEGA328P MCU heeft. Stand-alone microcontroller kan worden geprogrammeerd via USB-foutopsporingsadapter in overeenstemming met Atmel Studio of via USP ISP-programmeur, die kan worden gekocht bij eBay. Veelgebruikte programmeersoftware is AVRdude, maar ik geef de voorkeur aan een ProgISP - eenvoudige USB ISP-programmeersoftware met een zeer gebruiksvriendelijke gebruikersinterface.

Alle benodigde uitleg over de code is te vinden in het bijgevoegde Amplifice.c-bestand.

Bijgevoegd Amplifice.hex-bestand kan rechtstreeks naar het apparaat worden geüpload als het volledig overeenkomt met het schematische diagram dat we eerder hebben waargenomen.

Stap 7: Testen

Nou, nadat alles wat we wilden gedaan is, is het tijd om te testen. Ik gaf er de voorkeur aan om het apparaat te testen met mijn oude goedkope gitaar en een eenvoudig passief toonregelingscircuit dat ik jaren geleden zonder reden heb gebouwd. Apparaat is ook getest met zowel digitale als analoge effectprocessor. Het is niet zo geweldig dat de PT2399 zo'n klein RAM-geheugen heeft voor het opslaan van audiosamples die worden gebruikt in vertragingssequenties, wanneer de tijd tussen echosamples te groot is, wordt de echo gedigitaliseerd met een groot verlies aan overgangsbits, wat wordt beschouwd als signaalvervorming. Maar die "digitale" vervorming die we horen, kan handig zijn als positief neveneffect van de werking van het apparaat. Het hangt allemaal af van de toepassing die je met dit apparaat wilt maken (die ik trouwens op de een of andere manier "Amplifice V1.0" noemde).

Ik hoop dat je dit instructable nuttig zult vinden.

Bedankt voor het lezen!