Bureauversterker met audiovisualisatie, binaire klok en FM-ontvanger - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Ik hou van versterkers en vandaag zal ik mijn bureauversterker met laag vermogen delen die ik onlangs heb gemaakt. De versterker die ik heb ontworpen heeft een aantal interessante eigenschappen. Het heeft een geïntegreerde binaire klok en kan tijd en datum geven en het kan audio visualiseren, vaak audiospectrumanalysator genoemd. Je kunt hem gebruiken als FM-ontvanger of mp3-speler. Als je mijn klokversterker leuk vindt, volg dan de onderstaande stappen om je eigen kopie te maken.

Stap 1: Tips voor het ontwerpen van goede versterkers

Het ontwerpen van een ruisvrij audiocircuit van goede kwaliteit is zelfs voor een ervaren ontwerper erg moeilijk. U moet dus enkele tips volgen om uw ontwerp beter te maken.

Stroom

Luidsprekerversterkers worden doorgaans rechtstreeks vanuit de hoofdsysteemspanning gevoed en vereisen een relatief hoge stroomsterkte. Weerstand in het spoor zal resulteren in spanningsdalingen die de voedingsspanning van de versterker verminderen en stroom in het systeem verspillen. De spoorweerstand zorgt er ook voor dat de normale fluctuaties in de voedingsstroom worden omgezet in fluctuaties in de spanning. Gebruik korte brede sporen voor alle versterkervoedingen om de prestaties te maximaliseren.

Aarding

Aarding speelt de belangrijkste rol bij het bepalen of het potentieel van het apparaat door het systeem wordt bereikt. Een slecht geaard systeem zal waarschijnlijk een hoge vervorming, ruis, overspraak en RF-gevoeligheid hebben. Hoewel men zich kan afvragen hoeveel tijd er moet worden besteed aan het aarden van het systeem, voorkomt een zorgvuldig ontworpen aardingsschema dat een groot aantal problemen zich ooit voordoen.

De grond in elk systeem moet twee doelen dienen. Ten eerste is het het retourpad voor alle stromen die naar een apparaat stromen. Ten tweede is het de referentiespanning voor zowel digitale als analoge circuits. Aarding zou een eenvoudige oefening zijn als de spanning op alle punten van de grond hetzelfde zou zijn. In werkelijkheid is dit niet mogelijk. Alle draden en sporen hebben een eindige weerstand. Dit betekent dat wanneer er stroom door de grond vloeit, er een overeenkomstige spanningsval zal zijn. Elke draadlus vormt ook een inductor. Dit betekent dat wanneer stroom van de batterij naar een belasting en terug naar de batterij vloeit, het stroompad enige inductantie heeft. De inductantie verhoogt de grondimpedantie bij hoge frequenties.

Hoewel het ontwerpen van het beste grondsysteem voor een bepaalde toepassing geen eenvoudige taak is, zijn enkele algemene richtlijnen van toepassing op alle systemen.

1. Breng een continu grondvlak voor digitale circuits tot stand: Digitale stroom in het grondvlak heeft de neiging dezelfde route te volgen als het oorspronkelijke signaal. Dit pad creëert het kleinste lusgebied voor de stroom, waardoor antenne-effecten en inductantie worden geminimaliseerd. De beste manier om ervoor te zorgen dat alle digitale signaalsporen een bijbehorend aardingspad hebben, is door een ononderbroken aardingsvlak tot stand te brengen op de laag direct naast de signaallaag. Deze laag moet hetzelfde gebied bedekken als het digitale signaalspoor en zo min mogelijk onderbrekingen in de continuïteit hebben. Alle onderbrekingen in het grondvlak, inclusief via's, zorgen ervoor dat de grondstroom in een grotere lus vloeit dan ideaal is, waardoor straling en ruis toenemen.
2. Houd aardstromen gescheiden: De aardstromen voor digitale en analoge circuits moeten worden gescheiden om te voorkomen dat digitale stromen ruis toevoegen aan de analoge circuits. De beste manier om dit te bereiken is door de juiste plaatsing van de componenten. Als alle analoge en digitale circuits op aparte delen van de printplaat worden geplaatst, worden de aardstromen natuurlijk geïsoleerd. Om dit goed te laten werken, moet het analoge gedeelte alleen analoge circuits op alle lagen van de PCB bevatten.
3. Gebruik de steraardingstechniek voor analoge circuits: Audio-eindversterkers hebben de neiging om relatief grote stromen te trekken die zowel hun eigen als andere aardingsreferenties in het systeem nadelig kunnen beïnvloeden. Om dit probleem te voorkomen, biedt u speciale retourpaden voor de voedingsaarde van de overbrugde versterker en de aarding van de hoofdtelefoonaansluiting. Door isolatie kunnen deze stromen terugvloeien naar de batterij zonder de spanning van andere delen van het grondvlak te beïnvloeden. Onthoud dat deze speciale retourpaden niet onder digitale signaalsporen mogen worden gerouteerd, omdat ze de digitale retourstromen kunnen blokkeren.
4. Maximaliseer de effectiviteit van bypass-condensatoren: bijna alle apparaten hebben bypass-condensatoren nodig om onmiddellijke stroom te leveren. Om de inductantie tussen de condensator en de voedingspin van het apparaat te minimaliseren, plaatst u deze condensatoren zo dicht mogelijk bij de voedingspin die ze omzeilen. Elke inductantie vermindert de effectiviteit van de bypass-condensator. Evenzo moet de condensator worden voorzien van een laagohmige verbinding met aarde om de hoogfrequente impedantie van de condensator te minimaliseren. Sluit de aardzijde van de condensator rechtstreeks aan op het grondvlak, in plaats van deze door een spoor te leiden.
5. Overstroom alle ongebruikte PCB-gebieden met aarde: wanneer twee stukken koper in de buurt van elkaar lopen, wordt er een kleine capacitieve koppeling tussen gevormd. Door grondvloed in de buurt van signaalsporen te laten lopen, kan ongewenste hoogfrequente energie in de signaallijnen via de capacitieve koppeling naar aarde worden geleid.

Probeer voedingen, transformatoren en lawaaierige digitale circuits uit de buurt van uw audiocircuits te houden. Gebruik een aparte aardaansluiting voor audiocircuits en het is goed om geen aardvlakken te gebruiken voor audiocircuits. De massaverbinding (GND) van de audioversterker is erg belangrijk in vergelijking met de aarde van andere transistors, IC enz. Als er aarderuis tussen de twee is, zal de versterker deze uitvoeren.

Overweeg om belangrijke IC's en alles wat gevoelig is van stroom te voorzien met een 100R-weerstand tussen hen en +V. Voeg een fatsoenlijke (bijv. 220uF) elect-condensator toe aan de IC-zijde van de weerstand. Als IC veel stroom zal trekken, zorg er dan voor dat de weerstand het aankan (selecteer een voldoende hoog wattage en zorg indien nodig voor koperen heatsinks van de printplaat) en houd er rekening mee dat er een spanningsval over de weerstand zal zijn.

Voor op transformatoren gebaseerde ontwerpen wilt u dat de gelijkrichtercondensatoren zo dicht mogelijk bij de gelijkrichterpennen zijn en via hun eigen dikke sporen zijn verbonden vanwege de grote laadstromen op het hoogtepunt van de gelijkgerichte sinusgolf. Omdat de uitgangsspanning van de gelijkrichter de afnemende spanning van de condensator overschrijdt, wordt er impulsruis geproduceerd in het laadcircuit dat kan worden overgedragen naar het audiocircuit als ze hetzelfde stuk koper delen in een van de hoogspanningslijnen. Je kunt de pulslaadstroom niet kwijtraken, dus het is veel beter om de condensator lokaal bij de bruggelijkrichter te houden om deze hoge stroompulsen van energie te minimaliseren. Als een audioversterker zich in de buurt van de gelijkrichter bevindt, plaats dan geen grote condensator naast de versterker om te voorkomen dat deze condensator dit probleem veroorzaakt, maar als er een beetje afstand is, is het prima om de versterker een eigen condensator te geven als deze zweeft geladen door de voeding en heeft een relatief hoge impedantie vanwege de lengte van het koper.

Lokaliseer en spanningsregelaars die door het audiocircuit worden gebruikt in de buurt van gelijkrichters / PSU-ingang en sluit ze ook aan op hun eigen aansluitingen.

signalen

Vermijd waar mogelijk in- en uitgaande audiosignalen van en naar IC's die parallel op de PCB lopen, aangezien dit oscillaties kan veroorzaken die van output terug naar input leiden. Onthoud dat slechts 5mV veel brom kan veroorzaken!

Houd digitale grondvlakken uit de buurt van audio-GND en audiocircuits in het algemeen. Hum kan eenvoudig in audio worden geïntroduceerd door tracks die te dicht bij digitale vlakken liggen.

Wanneer u verbinding maakt met andere apparatuur en een ander bord met audiocircuits van stroom voorziet (om een audiosignaal te geven of te ontvangen), zorg er dan voor dat er slechts 1 punt is waarop GND verbinding maakt tussen de 2 borden en dit zou idealiter bij de analoge audiosignaalaansluiting moeten zijn punt.

Voor signaal IO-verbindingen met andere apparaten / de buitenwereld is het een goed ideaal om een 100R-weerstand te gebruiken tussen de circuits GND en de buitenwereld GND voor alles (inclusief digitale delen van het circuit) om te voorkomen dat er aardlussen worden gecreëerd.

condensatoren

Gebruik ze overal waar u secties van elkaar wilt isoleren. Te gebruiken waarden: - 220 nF is typisch, 100 nF is prima als u de grootte / kosten wilt verminderen, het beste is om niet onder de 100 nF te gaan.

Gebruik geen keramische condensatoren. De reden is dat keramische condensatoren een piëzo-elektrisch effect geven aan een AC-signaal dat ruis veroorzaakt. Gebruik een poly van een bepaald type - polypropyleen is het beste, maar alles is voldoende. Echte audiokoppen zeggen ook dat ze geen elektrolytische in-line gebruiken, maar veel ontwerpers doen dat zonder probleem - dit is waarschijnlijk voor toepassingen met een hoge zuiverheid en niet voor algemeen standaard audio-ontwerp.

Gebruik geen tantaalcondensatoren binnen de audiosignaalpaden (sommige ontwerpers zijn het daar misschien niet mee eens, maar ze kunnen vreselijke problemen veroorzaken)

Een algemeen aanvaard substituut voor polycarbonaat is PPS (Polyfenyleensulfide).

Hoge kwaliteit polycarbonaatfilm en polystyreenfilm en tefloncondensatoren en NPO/COG keramische condensatoren hebben zeer lage spanningscoëfficiënten van de capaciteit en dus een zeer lage vervorming en de resultaten zijn zeer duidelijk bij gebruik van spectrumanalysatoren en oren.

Vermijd de keramische diëlektrische met hoge K, ze hebben een hoge spanningscoëfficiënt die naar mijn mening tot enige vervorming zou kunnen leiden als ze in een toonregelingsfase zouden worden gebruikt.

Componentplaatsing

De eerste stap van elk PCB-ontwerp is kiezen waar de componenten moeten worden geplaatst. Deze taak wordt 'vloerplanning' genoemd. Zorgvuldige plaatsing van componenten kan signaalroutering en grondpartitionering vergemakkelijken. Het minimaliseert het opnemen van ruis en het benodigde bordoppervlak.

De plaatsing van de componenten binnen de analoge sectie moet worden geselecteerd. Componenten moeten zo worden geplaatst dat de afstand die audiosignalen afleggen tot een minimum wordt beperkt. Plaats de audioversterker zo dicht mogelijk bij de hoofdtelefoonaansluiting en de luidspreker. Deze positionering minimaliseert de EMI-straling van klasse D-luidsprekerversterkers en minimaliseert de ruisgevoeligheid van hoofdtelefoonsignalen met een lage amplitude. Plaats de apparaten die de analoge audio leveren zo dicht mogelijk bij de versterker om het opnemen van ruis op de versterkeringangen te minimaliseren. Alle sporen van het ingangssignaal zullen fungeren als antennes voor RF-signalen, maar het verkorten van de sporen helpt de antenne-efficiëntie te verminderen voor frequenties die doorgaans van belang zijn.

Stap 2: Je hebt nodig…

1. TEA2025B Audioversterker IC (ebay.com)

2. 6 stuks 100uF elektrolytische condensator (ebay.com)

3. 2 stuks 470uF elektrolytische condensator (ebay.com)

4. 2 stuks 0.22uF condensator:

5. 2 stuks 0.15uF keramische condensator;

6. Potentiometer voor dubbele volumeregeling (50 - 100K) (ebay.com)

7. 2 stuks 4 ohm 2,5 W luidspreker

8. MP3 + FM-ontvangermodule (ebay.com)

9. LED-matrix met stuurprogramma-IC (Adafruit.com)

10. Vero Board & Sommige draden.

11. Arduino UNO (Adafruit.com)

12. DS1307 RTC-module (Adafruit.com)

Stap 3: Het versterkercircuit maken

Soldeer volgens het bijgevoegde schakelschema de volledige componenten in de printplaat. Gebruik een nauwkeurige waarde voor de condensatoren. Wees voorzichtig met de polariteit van de elektrolytische condensatoren. Probeer alle condensatoren zo dicht mogelijk bij het IC te houden om de ruis te minimaliseren. Soldeer IC direct zonder IC-basis te gebruiken. Zorg ervoor dat u de sporen tussen de twee zijden van het versterker-IC snijdt. Alle soldeerverbindingen moeten perfect zijn. Dit is een audioversterkercircuit, dus wees professioneel over de soldeerverbinding, vooral over aarde (GND).

Stap 4: Het circuit testen met luidspreker

Na het voltooien van alle aansluitingen en het solderen, sluit u twee 4 ohm 2.5W-luidsprekers aan op het versterkercircuit. Sluit een audiobron aan op het circuit en zet het aan. Als alles goed gaat heb je hier het ruisvrije geluid.

Ik gebruikte TEA2025B audioversterker IC voor audioversterking. Het is een mooie audioversterkerchip die werkte in een breed spanningsbereik (3 V tot 9 V). U kunt het dus testen met elke spanning binnen het bereik. Ik gebruik een 9V-adapter en werkt prima. De IC kan in dual- of bridge-verbindingsmodus werken. Raadpleeg de datasheet voor meer informatie over de versterkerchip.

Stap 5: Dot Matrix-voorpaneel voorbereiden

Voor de visualisatie van het audiosignaal en het weergeven van datum en tijd heb ik een dot matrix display aan de voorkant van de versterkerbox geplaatst. Om het werk mooi te doen, gebruikte ik een roterend gereedschap om het frame te snijden op basis van de grootte van de matrix. Als uw display geen geïntegreerde driverchip heeft, gebruik er dan een apart. Ik geef de voorkeur aan Bi-color matrix van Adafruit. Nadat u de perfecte matrixweergave hebt geselecteerd, past u de weergave aan op de basis met hete lijm.

We zullen het later op het Arduino-bord aansluiten. Het tweekleurige display van Adafruit gebruikt het i2c-protocol om te communiceren met de microcontroller. We zullen dus de SCL- en SDA-pin van het stuurprogramma-IC verbinden met het Arduino-bord.

Stap 6: Programmeren met Arduino

Sluit Adafruit Smart Bi-color dot matrix-display aan als:

1. Sluit de Arduino 5V-pin aan op de LED-matrix + pin.
2. Verbind de Arduino GND-pin met zowel de microfoonversterker GND-pin als de LED-matrix-pin.
3. U kunt een breadboard-stroomrail gebruiken, of de Arduino heeft meerdere GND-pinnen beschikbaar. Sluit Arduino analoge pin 0 aan op de audiosignaalpin.
4. Sluit de Arduino-pinnen SDA en SCL aan op respectievelijk de matrixrugzak D (data) en C (klok) pinnen.
5. Eerdere Arduino-kaarten bevatten geen SDA- en SCL-pinnen - gebruik in plaats daarvan analoge pinnen 4 en 5.
6. Upload het bijgevoegde programma en test of het werkt of niet:

Begin met het downloaden van de Piccolo-repository van Github. Selecteer de knop "ZIP downloaden". Zodra dit is voltooid, decomprimeert u het resulterende ZIP-bestand op uw harde schijf. Er zullen twee mappen zijn: "Piccolo" moet worden verplaatst naar uw gebruikelijke Arduino-schetsboekmap. "ffft" moet worden verplaatst naar uw Arduino "Bibliotheken"-map (in de map Sketchbook - als het er niet is, maak er dan een aan). Als u niet bekend bent met het installeren van Arduino-bibliotheken, volgt u deze tutorial. En installeer nooit in de bibliotheekmap naast de Arduino-toepassing zelf… de juiste locatie is altijd een submap van uw thuismap!Als u de Adafruit LED Backpack Library (voor het gebruik van de LED-matrix) nog niet heeft geïnstalleerd, download en installeer dat ook. Zodra de mappen en bibliotheken zich bevinden, start u de Arduino IDE opnieuw en de "Piccolo" -schets zou beschikbaar moeten zijn in het menu Bestand-> Schetsboek.

Selecteer met de Piccolo-schets geopend uw Arduino-bordtype en seriële poort in het menu Tools. Klik vervolgens op de knop Uploaden. Na een moment, als alles goed gaat, zie je het bericht 'Klaar met uploaden'. Als alles goed gaat, zie je het audiospectrum voor elke audio-invoer.

Als uw systeem goed werkt, upload dan de complete.ino-schets die is bijgevoegd met de stap voor het toevoegen van een binaire klok met de audiovisualisatie. Voor elke audio-invoer geeft de luidspreker het audiospectrum weer, anders worden de tijd en datum weergegeven.

Stap 7: Alle dingen samen oplossen

Bevestig nu het versterkercircuit dat u in de vorige fase hebt gebouwd aan de doos met hete lijm. Volg de afbeeldingen die bij deze stap zijn bijgevoegd.

Na het aansluiten van het versterkercircuit, sluit u nu de MP3 + FM-ontvangermodule aan op de doos. Voordat u het met lijm bevestigt, moet u een test doen om te controleren of het werkt. Als het goed werkt, fixeer het dan met lijm. De audio-uitgang van de MP3-module moet worden aangesloten op de ingang van het versterkercircuit.

Stap 8: Interne verbindingen en eindproduct

Als de luidspreker een audiosignaal ontvangt, wordt het audiospectrum weergegeven, anders worden de datum en tijd in binair BCD-formaat weergegeven. Als je van programmeren en digitale technologie houdt, dan weet ik zeker dat je van binair houdt. Ik hou van binaire en binaire klok. Eerder maakte ik een binair polshorloge en het tijdformaat is precies hetzelfde als mijn vorige horloge. Dus ter illustratie van het tijdformaat heb ik een vorige afbeelding van mijn horloge toegevoegd zonder een andere te maken.

Bedankt.

Vierde prijs in de Circuits Contest 2016

Eerste prijs in de Amps and Speakers Contest 2016