Amplificatore per cuffie equalizzato per non udenti: 10 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

I miei bisogni

Alcuni mesi fa mi sono stati dotati di apparecchi acustici per compensare una perdita di sensibilità alle alte frequenze, con conseguente smorzamento dei suoni e difficoltà a distinguere le sibilanti (es. "S" e "F"). Ma gli ausili non danno alcun beneficio quando si usano le cuffie poiché i microfoni sono dietro l'orecchio. Dopo aver sperimentato un collarino a induzione e un input diretto ai miei apparecchi acustici (nessuno dei quali ha dato risultati soddisfacenti) mi è venuta l'idea di un amplificatore per cuffie con una risposta in frequenza regolabile progettato per adattarsi a quello dei miei apparecchi acustici.

Se hai altri requisiti per l'equalizzazione, questo progetto potrebbe essere facilmente adattato. Fornisce boost (o cut, con una modifica banale) a 3 frequenze centrali. Tuttavia, potrebbe essere esteso a più bande di frequenza.

Il risultato

Quello che ho ottenuto è stata una piccola scatola quadrata da 6 cm con jack da 3,5 mm e ingressi Bluetooth e un'uscita per cuffie jack da 3,5 mm. Ho trovato il miglioramento dell'esperienza di ascolto della musica spettacolare e un grande miglioramento del parlato.

Cosa ti darà questo Instructable

Lasciatemi affermare all'inizio, questo non è un progetto per principianti. Avrai bisogno di un livello ragionevole di abilità di saldatura e se vuoi modificarlo (come potresti anche) dovrai imparare Eagle per il layout della scheda e TinkerCAD per la scatola stampata in 3D. Mi ci è voluto un po' di tempo per padroneggiarli entrambi, ma nessuno dei due è stato difficile. Mi aspetto che le persone imparino qualcosa dai miei Instructables (a meno che tu non sappia già più di me), non che seguano ciecamente le istruzioni.

Se non hai mai saldato componenti a montaggio superficiale, non lasciarti scoraggiare: non è così difficile come potresti pensare. Vedi questa guida per un'introduzione.

Quello che otterrai da questo progetto è:

• File di progettazione Eagle (schema e layout della scheda)
• Un foglio di calcolo Excel che incorpora le equazioni di progettazione per consentirti di personalizzare l'equalizzazione in base alle tue esigenze
• Il design TinkerCAD per la scatola stampata in 3D.

Poiché l'ordine minimo per il circuito stampato personalizzato era di 5 pezzi, ho 3 schede nude di scorta (una venduta). Questi sono ora in vendita su eBay - vedi

Fase 1: Il processo di progettazione: requisiti e strategia

Quando ho iniziato a pensare a questo progetto, una delle prime domande nella mia mente era se utilizzare filtri analogici o digitali. In un thread sul forum All About Circuits, Keith Walker mi ha avvisato di un equalizzatore grafico (analogico) molto economico proveniente dall'Estremo Oriente (illustrato sopra) che aveva usato per risolvere lo stesso problema. Quindi ne ho ordinato uno come prova di concetto.

Funzionava bene ma era troppo ingombrante per l'uso portatile e necessitava di linee di alimentazione sia positive che negative, un ulteriore inconveniente. Ma ha confermato l'approccio e il tipo di circuiti di filtro da utilizzare.

Ho affinato le mie esigenze come segue:

• Deve essere compatto, portatile e alimentato da una batteria ricaricabile.
• Dovrebbe accettare input da un jack da 3,5 mm o Bluetooth.
• Deve avere canali stereo sinistro e destro separati.

Ho usato componenti convenzionali a foro passante e circuiti integrati DIL da 0,3 su stripboard in molti progetti precedenti, ma questo lo avrebbe reso troppo ingombrante. Così ho deciso che avrei dovuto progettare un PCB personalizzato (una nuova esperienza per me) usando la superficie montare i componenti (di cui ho una modesta esperienza). Dovrei anche progettare una scatola stampata in 3D (la mia esperienza di progettazione 3D è stata molto limitata).

Una funzionalità Bluetooth sarebbe facile da aggiungere utilizzando uno dei vari moduli Bluetooth economici disponibili.

Ci sono 2 o 3 circuiti integrati per equalizzatori grafici dedicati che ho esaminato, ma l'uso di amplificatori operazionali quad economici alla fine sembrava più semplice e richiedeva solo altrettanti componenti esterni.

Passaggio 2: progettazione dettagliata

L'elemento del circuito di base che ho usato è noto come gyrator. Utilizza un amplificatore operazionale per trasformare un condensatore in un induttore virtuale. Questo, e un altro condensatore, crea un circuito sintonizzato, fornendo un taglio o un aumento su un certo intervallo di frequenze. Moltissimi progetti di equalizzatori grafici utilizzano un design praticamente identico e non ha senso allontanarsi da esso. Sono esemplificati da questo tratto da Electronics Today International, settembre 1977, pagina 27. Questo articolo spiega molto chiaramente come funziona il circuito.

L'ho modificato solo utilizzando quattro operazionali che funzionavano da una singola alimentazione a 5 V e aggiungendo un amplificatore per cuffie IC per assicurarmi che guidasse adeguatamente le cuffie. Ho anche sostituito ogni potenziometro con un potenziometro e un resistore in modo da dare solo boost e un controllo più preciso, poiché non avevo bisogno di tagliare.

Lo schema e il layout della scheda (entrambi generati utilizzando Eagle) sono mostrati sopra.

Una grande caratteristica di Eagle è che include il pacchetto di simulazione del circuito Spice, che consente di convalidare il progetto e prevedere la risposta in frequenza prima di impegnarsi nella produzione del PCB.

La scheda fornisce 2 ingressi, una presa jack da 3,5 mm e piazzole di saldatura per il collegamento di un modulo ricevitore Bluetooth. Questi sono effettivamente in parallelo. L'alimentazione può essere fornita tramite una presa mini-USB o piazzole di saldatura. Ho usato mini anziché micro-USB poiché una presa micro-USB sarebbe piuttosto difficile da saldare a mano ed è anche meno robusta.

Passaggio 3: installazione e configurazione di Eagle

Se vuoi inviare il progetto della scheda per la produzione, modificare il layout o semplicemente modificare la curva di risposta, dovrai installare Eagle. Se (come me quando ho iniziato questo progetto) non lo conosci, il sito web di SparkFun ha una serie di tutorial utili su

Il primo da guardare è Come installare e configurare Eagle.

Ciò include l'installazione delle librerie SparkFun. Il file zip scaricato contiene una cartella SparkFun-Eagle-Libraries-master che dovresti copiare in EAGLE\libraries

Devi anche importare i miei file schematici e di layout della scheda Eagle e i miei modelli Spice. (Spice è il software di simulazione del circuito che ci consente di simulare la risposta in frequenza dell'amplificatore.)

Questi sono tutti inclusi in un file zip che puoi scaricare da

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Apri il file zip e trascina i progetti e le cartelle spice nella cartella EAGLE. (Conterrà già una cartella di progetti vuota.)

Ora dovresti essere pronto per lanciare Eagle.

Nel riquadro di sinistra, apri Progetti, quindi progetti, quindi Amplificatore per cuffie equalizzato.

Fare doppio clic sui file Headphone_Amp.brd e Headphone_Amp.sch. Questi si apriranno in finestre separate, la prima che mostra il layout della scheda e la seconda lo schema.

Nello schema, trova e fai clic sul pulsante Simula.

Questo apre la configurazione della simulazione. Fare clic sul pulsante di opzione AC Sweep, impostare Type su Dec (predefinito) e Start e End Freq rispettivamente su 100 e 10000. Fare clic sul pulsante Simula in basso a destra. Dopo una pausa dovrebbe apparire un grafico della risposta in frequenza, proprio come mostrato nel passaggio successivo.

Passaggio 4: modifica della curva di risposta

Molto probabilmente le tue orecchie saranno diverse dalle mie, quindi prima di tutto hai bisogno di una copia del tuo audiogramma. Il tuo audiologo dovrebbe essere in grado di fornirti questo, ma se hai un buon paio di cuffie puoi crearne di tue andando su

Questo dovrebbe darti una buona idea di quanta spinta hai bisogno alle diverse frequenze. Nel mio caso, la mia perdita dell'udito aumenta rapidamente sopra i 3kHz, rendendo impossibile compensare molto al di sopra di questo. In ogni caso, alcuni esperimenti che analizzano lo spettro di varie sorgenti con Audacity hanno indicato che probabilmente non mi mancava molto al di sopra di quello.

Così com'è, il progetto consente di regolare la risposta in frequenza a 3 frequenze centrali di 1,5, 2,3 e 3,3 kHz, indipendentemente tra i canali sinistro e destro. Puoi rimanere fedele a queste frequenze o modificarle (vedi il passaggio successivo).

Nella cartella EAGLE\spice troverai i modelli per i 3 trimpot POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl e POT_VR131.mdl. Questi controllano la risposta alle 3 frequenze. L'apertura di uno di questi con un editor di testo (ad esempio Blocco note) vedrà una riga come:

.param VAR=50

Cambia il numero in un valore compreso tra 0 e 100 per rappresentare la posizione del trimpot corrispondente e quindi l'aumento a quella frequenza a qualsiasi valore da zero al massimo.

Ora riesegui la simulazione (fai clic su Aggiorna Netlist prima di fare clic su Simula) per vedere come appare ora la risposta in frequenza.

Passaggio 5: modifica delle frequenze centrali

Nella cartella Eagle Project, ho incluso un foglio di calcolo Excel Calc.xlsx. Aprilo con Excel (o se non hai Excel, LibreOffice Calc, che è gratuito). Questo foglio di calcolo incorpora i calcoli di progettazione solo per una delle 3 sezioni del filtro.

La prima casella consente di calcolare la frequenza centrale e il fattore Q per dati valori di R1, R2, C1 e C2. (Il fattore Q o Qualità determina l'ampiezza della banda. Un valore più alto dà una banda più stretta e più spinta. I valori intorno a 4 sembrano funzionare bene se ogni frequenza è circa il 50% maggiore della precedente.)

In effetti è più probabile che tu voglia scegliere le frequenze e calcolare i valori dei componenti. Data una frequenza desiderata e tre dei quattro valori dei componenti, la seconda casella consente di calcolare il valore del 4° componente.

I componenti hanno un valore preferito (ad esempio la serie E12), quindi puoi scegliere il valore preferito più vicino al valore calcolato e reinserirlo nella prima casella per vedere quale frequenza effettiva fornisce.

È quindi necessario inserire i valori nello schema Eagle e ripetere la simulazione.

Visualizza lo schema e, nel pannello di sinistra, fai clic sull'icona del valore del componente, quindi fai clic sul componente che desideri modificare. (La simulazione è impostata per funzionare solo sul canale inferiore o sinistro.) Riceverai un avviso che informa che il componente non ha un valore definibile dall'utente. Vuoi cambiarlo? Certo che lo fai! Inserisci il nuovo valore nella casella che si apre.

Fare clic sul pulsante Simula, fare clic su Aggiorna Netlist, quindi su Simula.

Passaggio 6: componenti necessari

Ovviamente avrai bisogno di un circuito stampato. A meno che non utilizzi una delle mie schede nude di riserva, dovrai inviare i file Eagle per la produzione. La maggior parte dei produttori richiede il design come un insieme di file gerber. Piuttosto che duplicare le istruzioni qui, cerca online Eagle export gerber o fai riferimento al tutorial Sparkfun.

File gerber separati descrivono gli strati di rame, la maschera di saldatura, la serigrafia, la foratura e la fresatura del contorno della scheda.

Inviando i file online a un produttore, li convaliderà e ti avviserà se mancano file essenziali. Ma non ti avviserà se manca un file di serigrafia, che è stato un mio errore. Questo è separato dai contorni del dispositivo.

Avrai bisogno dei seguenti componenti per popolare la scheda.

• TL084 SOIC-14 amplificatore operazionale quad - 2 off
• Amplificatore di potenza LM4880M SOIC 250mW - 1 off
• 0603 Assortimento di resistori SMD
• 0603 Assortimento di condensatori ceramici SMD 100pF - 1μF
• Pentola 5K 3362P-502 - 6 pezzi
• Condensatore multistrato ceramico multistrato 10uF 16V SMD 0805 - 4 off
• 2917 (EIA7343) Condensatore al tantalio 100μF 16V - 2 off
• 2917 (EIA7343) Condensatore al tantalio 470μF 10V - 2 off
• Presa SMD a 5 pin femmina mini USB
• Jack audio stereo per montaggio su PCB da 3,5 mm con foro passante - 2 pezzi
• LED blu da 3 mm (o colore a tua scelta)

Per un'unità alimentata a batteria completa con ingresso Bluetooth avrai inoltre bisogno di:

• Modulo ricevitore Bluetooth che supporta A2DP come questo
• Batteria LiPo: 503035 3.7V 500mAhr
• Caricabatterie LiPo TP4056 con ingresso mini-USB (o microUSB se preferisci) come questo
• Convertitore boost 3V - 5V come questo
• Mini interruttore a scorrimento SPDT

NB È probabile che il caricabatterie LiPo sia impostato per una corrente di carica di 1 A, che è troppo per una batteria da 500 mAh. È importante rimuovere il resistore di programmazione della velocità di carica (normalmente 1.2K collegato al pin 2 del chip TP4056) e sostituirlo con uno da 3.3k.

Ho usato una batteria LiPo con estremità cablata, ma una con un connettore JST in miniatura avrebbe consentito di collegarla solo dopo aver effettuato il cablaggio e aver ricontrollato tutto il resto, oltre a semplificare la sostituzione.

È preferibile un modulo Bluetooth che funzioni a 3,3 V o 5 V in quanto può quindi prelevare l'alimentazione direttamente dalla batteria, riducendo il rumore digitale sull'alimentazione a 5 V alla scheda madre.

Se scegli un modulo Bluetooth che supporta AVRCP e A2DP, puoi aggiungere pulsanti per aumentare/diminuire il volume e la traccia successiva/precedente.

Molti moduli Bluetooth hanno un LED a montaggio superficiale per indicare lo stato di connessione e il caricabatterie TP4056 ha LED a montaggio superficiale rosso e verde per indicare lo stato di carica. Una scatola come quella che ho realizzato probabilmente le nasconderà, in modo che possano essere sostituite (vedi più avanti) da:

• LED blu da 3 mm
• LED ad anodo comune rosso/verde da 3mm.

Passaggio 7: utilizzo di un prototipo di scheda nuda

Se hai ottenuto una delle mie schede prototipo di riserva, ci sono solo alcuni piccoli errori di cui devi essere a conoscenza.

• Non c'è serigrafia nella parte superiore del tabellone. Troverai utile avere una copia stampata del layout della scheda a portata di mano mentre lo completi.
• Un paio di via dovevano collegare i piani di massa superiore e inferiore che non lo fanno. Questo non ha alcuna conseguenza.
• C3 era originariamente 100uF, in un pacchetto 2917. Questo valore era troppo grande e ora è 1uF 0603. Dovrai raschiare via un po' di solder resist dal piano di massa per adattarlo, come mostrato nella foto.

Il guadagno è impostato dai valori dei resistori R106 e R206. 22k dà approssimativamente un guadagno unitario. Dal momento che potresti voler sperimentare valori diversi, ho fornito entrambi i pad resistori SMD 0603 e fori a passo 0,3 per resistori con estremità a filo.

Passaggio 8: inscatolarlo

Puoi trovare il design stampabile in 3D per la scatola che ho usato su tinkercad.com. Le distanze erano un po' troppo strette, quindi ho aumentato la lunghezza e la larghezza della scatola di 1 mm.

Il fondo della scatola offre scomparti per la batteria, il caricabatterie, il convertitore boost 5V e il modulo Bluetooth. La scheda dell'amplificatore per cuffie si adatta alla parte superiore. Il coperchio è trattenuto da due viti autofilettanti M2x5mm.

Caricabatterie identici e moduli boost da 5 V sono ampiamente disponibili, ma ci sono molti moduli Bluetooth diversi. Se uno di questi è diverso dal mio, dovrai modificare il design della scatola.

Una volta posizionati, puoi trattenere leggermente i moduli con la colla a caldo.

Passaggio 9: cablaggio

A scopo di test ho attaccato tutti i moduli a un pezzo di cartone usando il blu-tac. Da questo ho scoperto che l'instradamento delle connessioni di terra era fondamentale. La massa dal modulo Bluetooth deve essere portata all'amplificatore per cuffie insieme ai canali sinistro e destro, ma poi la connessione a terra dalla scheda di distribuzione deve andare al modulo Bluetooth, non all'amplificatore per cuffie, altrimenti si ottiene molto rumore digitale dal modulo Bluetooth in uscita.

Ho montato l'interruttore on/off su un piccolo pezzo di stripboard, 6 strisce larghe 5 lunghe e con un ritaglio 2x4 per l'interruttore. Questo funge anche da quadro di distribuzione dell'alimentazione. Quando è stato completamente cablato, ho incollato l'interruttore in posizione (con lo stripboard attaccato) usando colla epossidica. Se dovessi rifare il progetto, provvederei all'interruttore sulla scheda dell'amplificatore per cuffie.

Hai bisogno di un filo a trefoli abbastanza sottile per il cablaggio, quindi ho diviso una lunghezza di cavo a nastro arcobaleno, che mi ha fornito singoli fili di diversi colori. Normalmente si passavano i fili attraverso un foro in una scheda e si saldavano dall'altro lato, ma con i vari moduli in posizione nella base della scatola ho dovuto saldare allo stesso lato della scheda da cui è entrato il filo, con solo un po' più di isolamento spogliato di quanto altrimenti sarebbe stato necessario. Ho dovuto montare lo stripboard con il lato rame rivolto verso l'alto e saldare i collegamenti allo stesso modo.

Volevo che i LED sul caricabatterie e i moduli Bluetooth fossero visibili, quindi ho rimosso i LED SMD integrati e ho collegato i pad ai LED da 3 mm. Ho praticato dei fori nella scatola per questi poiché non li avevo consentiti nella mia scatola stampata in 3D. Li ho collegati ai pad di saldatura sui moduli con filo smaltato saldabile. Questo è rivestito in poliuretano autofondente che fonde sotto il calore di un saldatore.

Per il modulo caricabatterie, ho utilizzato un LED ad anodo comune rosso/verde. L'anodo comune deve essere collegato a uno dei pad LED SMD più vicini al bordo della scheda (che puoi confermare con un multimetro). Se il tuo modulo Bluetooth ha un LED SMD dovrai determinare la polarità con un multimetro. Alcuni moduli dispongono di connessioni per un LED esterno.

Prima di inserire l'amplificatore per cuffie nella scatola sopra gli altri moduli, ho ritenuto necessario posizionare piccoli pezzi di nastro in PVC sulla sommità di due condensatori elettrolitici sul modulo Bluetooth e sulla presa di ricarica mini-USB in modo da evitare cortocircuiti con il parte inferiore dell'amplificatore per cuffie.

Passaggio 10: miglioramenti

Se volessi trasformarlo in un prodotto ci sono indubbiamente delle cose che cambierei, ma essendomi fatto un gadget che serve al mio scopo, passerò ad altri progetti.

Il circuito:

• Sarebbe stato meglio un alimentatore bipolare. Poiché la corrente assorbita dagli operazionali è piccola, un inverter di tensione della pompa capacitivo come MAX660 avrebbe facilmente fornito l'alimentazione negativa.
• Con un'alimentazione bipolare, il convertitore boost 5V non sarebbe necessario per gli amplificatori operazionali. L'amplificatore per cuffie LM4880 funzionerà sulla tensione di uscita grezza di una batteria LiPo anche se la potenza massima in uscita sarà ridotta da 250 mW per canale a circa 100 mW per canale.

Il bordo:

• La dimensione della tavola è proprio quella che è emersa dal processo di layout, ma rimpicciolirla fino a una dimensione esatta come 6x6 cm avrebbe reso il design della scatola un po' più semplice.
• Allo stesso modo, sarebbe stato più ordinato posizionare i jack di input e output da 3,5 mm in linea ed esattamente al centro dei due lati. Ciò avrebbe anche facilitato il design della scatola.
• Sarebbe stato semplice integrare il circuito del caricabatterie LiPo. Il convertitore boost 3 - 5V non sarebbe necessario con un'alimentazione bipolare, risparmiando così 2 moduli separati.
• Con un semplice caricabatterie TP4056 come utilizzato, la batteria può essere sovraccaricata se si tenta di caricarla con l'unità accesa. I caricabatterie leggermente più sofisticati includono un semplice circuito di protezione, che varrebbe la pena includere.
• Con le modifiche di cui sopra, l'interruttore potrebbe quindi essere montato sulla scheda. Il metodo di montaggio dell'interruttore nella scatola stampata in 3D non era l'ideale.
• Un interruttore a 2 poli a 3 vie consentirebbe di alimentare il modulo Bluetooth solo quando necessario.

La scatola:

• Il montaggio dei moduli in 2 strati ha reso l'assemblaggio più difficile del necessario e una scatola più sottile ma più grande avrebbe potuto adattarsi meglio a una tasca.
• L'interruttore si accende facilmente inavvertitamente. Sarebbe stato semplice includere delle protezioni attorno ad esso nel design della stampa 3D per impedirlo.

Altre applicazioni:

Se, forse come audiofilo, desideri solo un amplificatore per cuffie equalizzato che dia sia boost che taglio a una varietà di frequenze, puoi utilizzare essenzialmente lo stesso design.

Per dare sia boost che cut, elimina R113, R123, R133 e R213, R223, R233 (o sostituiscilo con resistori da 0Ω) e sostituisci i trimpot con 10k (slider pot se preferisci).

Puoi aggiungere tutte le istanze del circuito gyrator di cui hai bisogno.