Amplificatore per chitarra da 18 W a controllo digitale: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Un paio di anni fa ho costruito un amplificatore per chitarra da 5W, che era una sorta di soluzione per il mio sistema audio dell'epoca, e recentemente ho deciso di costruirne uno nuovo molto più potente e senza l'uso di componenti analogici per l'interfaccia utente, come potenziometri rotativi e interruttori a levetta.

L'amplificatore per chitarra da 18 W a controllo digitale è un amplificatore per chitarra mono da 18 W a controllo digitale autonomo con attacco per sistema di effetti di ritardo e un elegante display a cristalli liquidi, che fornisce informazioni esatte su ciò che sta accadendo nel circuito.

Le caratteristiche del progetto:

• Controllo completamente digitale: l'ingresso dell'interfaccia utente è un encoder rotativo con un interruttore integrato.
• ATMEGA328P: è un microcontrollore (utilizzato come sistema simile ad Arduino): tutti i parametri regolabili sono controllati in modo programmatico dall'utente.
• LCD: funge da uscita dell'interfaccia utente, quindi i parametri del dispositivo come guadagno/volume/profondità di ritardo/tempo di ritardo possono essere osservati con grande approssimazione.
• Potenziometri digitali: vengono utilizzati nei sottocircuiti rendendo così il controllo del dispositivo completamente digitale.
• Sistema in cascata: ogni circuito nel sistema predefinito è un sistema separato che condivide solo le linee di alimentazione, in grado di effettuare una risoluzione dei problemi relativamente semplice in caso di guasti.
• Preamplificatore: Basato sul circuito integrato LM386, con un design schematico molto semplice e requisiti minimi di parti.
• Circuito dell'effetto di ritardo: si basa sul circuito integrato PT2399, può essere acquistato da eBay come IC separato (ho progettato io stesso l'intero circuito di ritardo) o può essere utilizzato come modulo completo con la possibilità di sostituire i potenziometri rotativi con i digipot.
• Amplificatore di potenza: Si basa sul modulo TDA2030, che contiene già tutti i circuiti periferici per il suo funzionamento.
• Alimentazione: il dispositivo è alimentato da un vecchio alimentatore esterno da 19 V CC per laptop, quindi il dispositivo contiene un modulo DC-DC step-down come pre-regolatore per l'LM7805, che consente di dissipare molto meno calore durante l'utilizzo dell'alimentazione del dispositivo.

Dopo aver coperto tutte le brevi informazioni, costruiamolo!

Passaggio 1: l'idea

Come puoi vedere nello schema a blocchi, il dispositivo funziona come un approccio classico al design dell'amplificatore per chitarra con lievi variazioni sul circuito di controllo e sull'interfaccia utente. C'è un totale di tre gruppi di circuiti su cui approfondiremo: analogico, digitale e alimentazione, dove ogni gruppo è costituito da sotto-circuiti separati (l'argomento sarà ben spiegato nei passaggi successivi). Per rendere molto più semplice la comprensione della struttura del progetto, spieghiamo questi gruppi:

1. Parte analogica: i circuiti analogici si trovano nella metà superiore dello schema a blocchi come si può vedere sopra. Questa parte è responsabile di tutti i segnali che passano attraverso il dispositivo.

Il jack da 1/4 è l'ingresso mono per chitarra di un dispositivo e si trova al confine tra la scatola e il circuito elettronico saldato.

La fase successiva è un preamplificatore, basato sul circuito integrato LM386, estremamente facile da usare in tali applicazioni audio. LM386 è alimentato a 5V DC dall'alimentatore principale, dove i suoi parametri, guadagno e volume, sono controllati tramite potenziometri digitali.

Il terzo stadio è l'amplificatore di potenza, basato sul circuito integrato TDA2030, alimentato da un alimentatore esterno da 18 ~ 20 V CC. In questo progetto, il guadagno selezionato sull'amplificatore di potenza rimane costante per tutto il tempo di funzionamento. Poiché il dispositivo non è un singolo PCB avvolto, si consiglia di utilizzare il modulo assemblato TDA2030A e di collegarlo alla barra del prototipo collegando solo i pin di I/O e di alimentazione.

2. Parte digitale: i circuiti digitali si trovano nella metà inferiore dello schema a blocchi. Sono responsabili dell'interfaccia utente e del controllo dei parametri analogici come tempo di ritardo/profondità, volume e guadagno.

L'encoder con interruttore SPST integrato è definito come un ingresso di controllo utente. Poiché è assemblato come una singola parte, l'unica necessità per il corretto funzionamento è collegare i resistori di pull-up in modo programmatico o fisico (lo vedremo nella fase degli schemi).

Il microprocessore come "cervello principale" nel circuito è ATMEGA328P, utilizzato in stile Arduino in questo dispositivo. È il dispositivo che ha tutta la potenza digitale sui circuiti e comanda tutto ciò che deve fare. La programmazione viene eseguita tramite l'interfaccia SPI, quindi possiamo utilizzare qualsiasi programmatore ISP USB appropriato o debugger AVR acquistato. Nel caso in cui si voglia utilizzare Arduino come microcontrollore nel circuito, questo è possibile compilando il codice C allegato che è presente nella fase di programmazione.

I potenziometri digitali sono una coppia di doppi circuiti integrati controllati tramite interfaccia SPI da microcontrollore, con un numero totale di 4 potenziometri per il pieno controllo di tutti i parametri:

LCD è un output dell'interfaccia utente, che ci consente di sapere cosa sta succedendo all'interno della scatola. In questo progetto ho utilizzato LCD 16x2 probabilmente il più popolare tra gli utenti Arduino.

3. Alimentazione: l'alimentatore ha il compito di fornire energia (tensione e corrente) all'intero sistema. Poiché il circuito dell'amplificatore di potenza è alimentato direttamente dall'adattatore per laptop esterno e tutti i circuiti rimanenti sono alimentati da 5 V CC, è necessario un regolatore lineare o step-down DC-DC. Nel caso in cui si metta un regolatore lineare a 5V collegandolo al 20V esterno, quando la corrente passa attraverso il regolatore lineare al carico, un'enorme quantità di calore dissipata sul regolatore a 5V, non lo vogliamo. Quindi, tra la linea da 20 V e il regolatore lineare da 5 V (LM7805), c'è un convertitore step-down DC-DC da 8 V, che funge da pre-regolatore. Tale attacco impedisce enormi dissipazioni sul regolatore lineare, quando la corrente di carico raggiunge valori elevati.

Passaggio 2: parti e strumenti

Parti elettroniche:

1. Moduli:

• PT2399 - Modulo IC eco\ritardo.
• LM2596 - Modulo DC-DC step-down
• TDA2030A - Modulo amplificatore di potenza 18W
• 1602A - LCD comune 16x2 caratteri.
• Encoder rotativo con interruttore SPST integrato.

2. Circuiti integrati:

• LM386 - Amplificatore audio mono.
• LM7805 - Regolatore lineare 5V.
• MCP4261/MCP42100 - Potenziometri digitali doppi da 100KOhm
• ATMEGA328P - Microcontrollore

3. Componenti passivi:

A. Condensatori:

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

B. Resistori:

• 1 x 10R
• 4 x 10K

C. Potenziometro:

1 x 10K

(Facoltativo) Se non si utilizza il modulo PT2399 e si è interessati a costruire il circuito da soli, sono necessarie queste parti:

• PT2399
• 1 x resistenza da 100K
• Condensatore 2 x 4.7uF
• Condensatore 2 x 3,9 nF
• Resistore 2 x 15K
• Resistenza 5 x 10K
• 1 x 3,7 K resistore
• 1 x condensatore da 10uF
• 1 x condensatore 10nF
• 1 x 5,6 K resistore
• Condensatore 2 x 560 pF
• Condensatore 2 x 82nF
• Condensatore 2 x 100nF
• 1 x 47uF condensatore

4. Connettori:

• 1 connettore jack mono da 1/4"
• 7 x Morsettiere doppie
• 1 x connettore di fila femmina a 6 pin
• 3 connettori JST a 4 pin
• 1 x connettore di alimentazione maschio jack

Parti meccaniche:

• Altoparlante con accettazione di potenza uguale o superiore a 18 W
• Recinto di legno
• Cornice in legno per interfaccia utente in sezione (per LCD e encoder rotativo).
• Gommapiuma per altoparlanti e aree dell'interfaccia utente
• 12 viti autofilettanti per le parti
• 4 x bulloni e dadi di fissaggio per cornice LCD
• 4 x gamba in gomma per oscillazioni costanti del dispositivo (il rumore meccanico di risonanza è una cosa comune nel design dell'amplificatore).
• Manopola per encoder rotativo

Strumenti:

• Avvitatore elettrico
• Pistola per colla a caldo (se necessario)
• (Opzionale) Alimentatore da laboratorio
• (Opzionale) Oscilloscopio
• (Opzionale) Generatore di funzioni
• Saldatore\stazione
• Taglierina piccola
• Piccola pinza
• stagno di saldatura
• pinzette
• Avvolgimento del filo
• Punte di perforazione
• Sega di piccole dimensioni per il taglio del legno
• Coltello
• File di rettifica

Passaggio 3: Spiegazione degli schemi

Poiché abbiamo familiarità con lo schema a blocchi del progetto, possiamo procedere agli schemi, tenendo conto di tutte le cose che dobbiamo sapere sul funzionamento del circuito:

Circuito preamplificatore: LM386 è collegato con un minimo di componenti, senza la necessità di utilizzare componenti passivi esterni. Nel caso in cui si desideri modificare la risposta in frequenza all'ingresso del segnale audio, come l'aumento dei bassi o il controllo del tono, è possibile fare riferimento alla scheda tecnica dell'LM386, a proposito della quale, non influenzerà il diagramma schematico di questo dispositivo tranne che per i lievi cambiamenti nelle connessioni del preamplificatore. Poiché utilizziamo un'unica alimentazione a 5 V CC per l'IC, è necessario aggiungere un condensatore di disaccoppiamento (C5) all'uscita dell'IC per la rimozione CC del segnale. Come si può vedere, il pin del segnale del connettore da 1/4 "(J1) è collegato al pin "A" del digitpot e l'ingresso non invertente LM386 è collegato al pin "B" del digitpot, quindi, di conseguenza, abbiamo un semplice partitore di tensione, controllato da microcontrollore tramite interfaccia SPI.

Circuito Delay\Echo Effect: questo circuito è basato sul circuito integrato con effetto delay PT2399. Questo circuito sembra complicato secondo la sua scheda tecnica, ed è molto facile confonderlo con la saldatura del tutto. Si consiglia di acquistare il modulo PT2399 completo già assemblato e l'unica cosa da fare è dissaldare i potenziometri rotativi dal modulo e collegare le linee digipot (Wiper, 'A' e 'B'). Ho usato un riferimento alla scheda tecnica per il design dell'effetto eco, con digipot collegati alla selezione del periodo di tempo delle oscillazioni e al volume del segnale di feedback (quello che dovremmo chiamare - "profondità"). L'ingresso del circuito di ritardo, denominato linea DELAY_IN, è collegato all'uscita del circuito del preamplificatore. Non è menzionato negli schemi perché volevo fare in modo che tutti i circuiti condividessero solo le linee di alimentazione e le linee di segnale fossero collegate con cavi esterni. "Quanto non è conveniente!", potresti pensare, ma il fatto è che, quando si costruisce un circuito di elaborazione analogico, è molto più facile risolvere parte per parte ogni circuito nel progetto. Si consiglia di aggiungere condensatori di bypass al pin di alimentazione da 5 V CC, a causa della sua area rumorosa.

Alimentazione: il dispositivo è alimentato tramite jack di alimentazione esterno tramite adattatore AC/DC da 20 V 2 A. Ho scoperto che la soluzione migliore per ridurre la grande quantità di dissipazione di potenza su un regolatore lineare sotto forma di calore è aggiungere un convertitore step-down DC-DC da 8 V (U10). LM2596 è un convertitore buck utilizzato in molte applicazioni e popolare tra gli utenti Arduino, che costa meno di 1$ su eBay. Sappiamo che il regolatore lineare ha una caduta di tensione sul suo throughput (nel caso del 7805 l'approssimazione teorica è di circa 2,5 V), quindi c'è un gap sicuro di 3 V tra ingresso e uscita dell'LM7805. Non è consigliabile trascurare il regolatore lineare e collegare lm2596 direttamente alla linea 5V, a causa del rumore di commutazione, il cui ripple di tensione può influire sulla stabilità della potenza dei circuiti.

Amplificatore di potenza: è semplice come sembra. Poiché in questo progetto ho utilizzato un modulo TDA2030A, l'unico requisito è collegare i pin di alimentazione e le linee I/O dell'amplificatore di potenza. Come accennato in precedenza, l'ingresso dell'amplificatore di potenza è collegato all'uscita del circuito di ritardo tramite un cavo esterno tramite connettori. L'altoparlante utilizzato nel dispositivo è collegato all'uscita dell'amplificatore di potenza tramite una morsettiera dedicata.

Potenziometri digitali: probabilmente i componenti più importanti dell'intero dispositivo, che lo rendono in grado di essere controllato digitalmente. Come puoi vedere ci sono due tipi di digipot: MCP42100 e MCP4261. Condividono lo stesso pinout ma differiscono nella comunicazione. Ho solo due ultimi digipot nel mio magazzino quando ho costruito questo progetto, quindi ho usato solo quello che avevo, ma consiglio di usare due digipot dello stesso tipo MCP42100 o MCP4261. Ogni digipot è controllato da un'interfaccia SPI, condividendo i pin di clock (SCK) e di input dati (SDI). Il controller SPI dell'ATMEGA328P è in grado di gestire più dispositivi guidando pin di selezione del chip separati (CS o CE). È progettato in questo modo in questo progetto, in cui i pin di abilitazione del chip SPI sono collegati a pin separati del microcontrollore. PT2399 e LM386 sono collegati a un'alimentazione a 5 V, quindi non dobbiamo preoccuparci dell'oscillazione di tensione sulla rete di resistori digipot all'interno dei circuiti integrati (è ampiamente trattato nella scheda tecnica, nella sezione dell'intervallo di livello di tensione sui resistori di commutazione interni).

Microcontrollore: come è stato detto, basato su un ATMEGA328P in stile Arduino, con la necessità di un singolo componente passivo - resistore di pull-up (R17) sul pin di ripristino. Il connettore a 6 pin (J2) viene utilizzato per la programmazione del dispositivo tramite il programmatore USB ISP tramite l'interfaccia SPI (Sì, la stessa interfaccia a cui sono collegati i digipot). Tutti i pin sono collegati ai componenti appropriati, che sono presentati nel diagramma schematico. Si consiglia vivamente di aggiungere condensatori di bypass vicino ai pin di alimentazione da 5 V. I condensatori che vedi vicino ai pin dell'encoder (C27, C28) vengono utilizzati per evitare che lo stato dell'encoder rimbalzi su questi pin.

LCD: Il display a cristalli liquidi è collegato in modo classico con trasmissione dati a 4 bit e ulteriori due pin di latch dei dati - Register select (RS) e Enable (E). Il display LCD ha una luminosità costante e contrasto variabile, che può essere regolato con un unico trimmer (R18).

Interfaccia utente: l'encoder rotativo del dispositivo ha un pulsante SPST integrato, dove tutte le sue connessioni sono legate ai pin del microcontrollore descritti. Si consiglia di collegare un resistore di pull-up al pin di ciascun encoder: A, B e SW, invece di utilizzare il pull-up interno. Assicurarsi che i pin A e B dell'encoder siano collegati ai pin di interrupt esterni del microcontrollore: INT0 e INT1 per conformarsi al codice del dispositivo e all'affidabilità quando si utilizza il componente dell'encoder.

Connettori JST e morsettiere: ogni circuito analogico: preamplificatore, ritardo e amplificatore di potenza sono isolati sulla scheda saldata e sono collegati con cavi tra le morsettiere. Encoder e LCD sono collegati ai cavi JST e collegati alla scheda saldata tramite connettori JST come descritto sopra. L'ingresso jack per alimentazione esterna e l'ingresso per chitarra jack mono da 1/4 sono collegati tramite morsettiere.

Passaggio 4: saldatura

Dopo una breve preparazione, è necessario immaginare il posizionamento preciso di tutti i componenti sulla scheda. È preferibile iniziare il processo di saldatura dal preamplificatore e terminare con tutti i circuiti digitali.

Ecco la descrizione passo passo:

1. Circuito del preamplificatore a saldare. Controlla i suoi collegamenti. Assicurati che le linee di terra siano condivise su tutte le linee appropriate.

2. Saldare il modulo/IC PT2399 con tutti i circuiti periferici, secondo il diagramma schematico. Dato che ho saldato l'intero circuito di ritardo, puoi vedere che ci sono molte linee condivise che possono essere saldate facilmente in base a ciascuna funzione del pin PT2399. Se si dispone di un modulo PT2399, è sufficiente dissaldare i potenziometri rotativi e saldare le linee di rete del potenziometro digitale a questi pin liberati.

3. Saldare il modulo TDA2030A, assicurarsi che il connettore di uscita dell'altoparlante sia centrato sul lato esterno della scheda.

4. Circuito di alimentazione a saldare. Posizionare i condensatori di bypass secondo il diagramma schematico.

5. Saldare il circuito del microcontrollore con il suo connettore di programmazione. Prova a programmarlo, assicurati che non fallisca nel processo.

6. Potenziometri digitali a saldare

7. Saldare tutti i connettori JST nelle aree in base a ciascuna connessione di linea.

8. Accendere la scheda, se si dispone di un generatore di funzioni e di un oscilloscopio, controllare passo dopo passo la risposta di ogni circuito analogico al segnale di ingresso (consigliato: 200 mVpp, 1 KHz).

9. Controllare la risposta del circuito sull'amplificatore di potenza e sul circuito/modulo di ritardo separatamente.

10. Collegare l'altoparlante all'uscita dell'amplificatore di potenza e il generatore di segnale all'ingresso, assicurarsi di sentire il tono.

11. Se tutti i test che abbiamo condotto hanno esito positivo, possiamo procedere alla fase di assemblaggio.

Passaggio 5: assemblaggio

Probabilmente questa è la parte più difficile del progetto dal punto di vista dell'approccio tecnico, a meno che nel magazzino non ci siano degli strumenti utili per il taglio del legno. Avevo un set di strumenti molto limitato, quindi sono stato costretto a fare il duro: tagliare la scatola manualmente con un file di rettifica. Copriamo i passaggi essenziali:

1. Preparazione della scatola:

1.1 Assicurarsi di disporre di un contenitore in legno di dimensioni adeguate all'allocazione dell'altoparlante e della scheda elettronica.

1.2 Tagliare la regione per l'altoparlante, si consiglia vivamente di fissare un telaio in gommapiuma all'area ritagliata dell'altoparlante per evitare vibrazioni di risonanza.

1.3 Tagliare una cornice di legno separata per l'interfaccia utente (LCD ed encoder). Tagliare l'area appropriata per l'LCD, assicurarsi che la direzione dell'LCD non sia invertita rispetto alla vista dell'involucro anteriore. Al termine, praticare un foro per l'encoder rotativo. Fissare LCD con 4 viti autoforanti e encoder rotativo con un dado metallico appropriato.

1.4 Posizionare la gommapiuma sul telaio in legno dell'interfaccia utente su tutto il suo perimetro. Questo aiuterà anche a prevenire le note di risonanza.

1.5 Individuare dove verrà posizionata la scheda elettronica, quindi praticare 4 fori sulla custodia in legno

1.6 Preparare un lato, dove saranno posizionati il jack di ingresso dell'alimentatore esterno CC e l'ingresso per chitarra da 1/4 , praticare due fori con diametri appropriati. Assicurarsi che questi connettori condividano lo stesso pinout della scheda elettronica (cioè la polarità). Successivamente, saldare due coppie di fili per ogni ingresso.

2. Collegamento delle parti:

2.1 Collegare l'altoparlante all'area selezionata, assicurarsi che due fili siano collegati ai pin dell'altoparlante con 4 viti perforanti.

2.2 Collegare il pannello dell'interfaccia utente sul lato selezionato dell'armadio. Non dimenticare la gommapiuma.

2.3 Collegare tutti i circuiti insieme tramite morsettiere

2.4 Collegare LCD ed encoder alla scheda tramite connettori JST.

2.5 Collegare l'altoparlante all'uscita del modulo TDA2030A.

2.6 Collegare gli ingressi di alimentazione e chitarra alle morsettiere della scheda.

2.7 Individuare la scheda nella posizione dei fori praticati, fissare la scheda con 4 viti autoforanti dall'esterno della custodia in legno.

2.8 Attacca tutte le parti in legno della custodia tutte insieme in modo che sembri una scatola solida.

Passaggio 6: programmazione e codice

Il codice del dispositivo obbedisce alle regole della famiglia di microcontrollori AVR ed è conforme all'MCU ATMEGA328P. Il codice è scritto in Atmel Studio ma c'è la possibilità di programmare la scheda Arduino con Arduino IDE che ha lo stesso MCU ATMEGA328P. Il microcontrollore autonomo può essere programmato tramite l'adattatore di debug USB in accordo con Atmel Studio o tramite il programmatore USP ISP, che può essere acquistato da eBay. Il software di programmazione comunemente usato è AVRdude, ma io preferisco un ProgISP - un semplice software di programmazione USB ISP con un'interfaccia utente molto amichevole.

Tutte le spiegazioni necessarie sul codice, possono essere trovate nel file allegato Amplifice.c.

Il file Amplifice.hex allegato può essere caricato direttamente sul dispositivo se è completamente conforme al diagramma schematico che abbiamo osservato in precedenza.

Passaggio 7: test

Bene, dopo che tutto ciò che volevamo è stato fatto, è il momento dei test. Ho preferito testare il dispositivo con la mia vecchia chitarra economica e il semplice circuito di controllo del tono passivo che ho costruito anni fa senza motivo. Il dispositivo è testato anche con processore di effetti sia digitale che analogico. Non è eccezionale che PT2399 abbia una RAM così piccola per la memorizzazione di campioni audio utilizzati nelle sequenze di ritardo, quando il tempo tra i campioni di eco è troppo grande, l'eco viene digitalizzato con una grande perdita di bit di transizione, ciò che è considerato distorsione del segnale. Ma quella distorsione "digitale" che sentiamo, può essere utile come effetto collaterale positivo del funzionamento del dispositivo. Tutto dipende dall'applicazione che vuoi realizzare con questo dispositivo (che in qualche modo ho chiamato "Amplifice V1.0" tra l'altro).

Spero che troverai utile questo istruibile.

Grazie per aver letto!