Amplificatore da tavolo con visualizzazione audio, orologio binario e ricevitore FM: 8 passaggi (con immagini)

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

Mi piacciono gli amplificatori e oggi condividerò il mio amplificatore da tavolo a bassa potenza che ho realizzato di recente. L'amplificatore che ho progettato ha alcune caratteristiche interessanti. Ha un orologio binario integrato e può fornire ora e data e può visualizzare l'audio spesso chiamato analizzatore di spettro audio. Puoi usarlo come ricevitore FM o lettore MP3. Se ti piace il mio amplificatore di clock, segui i passaggi seguenti per creare la tua copia.

Passaggio 1: buoni consigli per la progettazione di amplificatori

Progettare un circuito audio di buona qualità privo di rumore è davvero difficile anche per un progettista esperto. Quindi, dovresti seguire alcuni suggerimenti per migliorare il tuo design.

Potenza

Gli amplificatori per altoparlanti in genere sono alimentati direttamente dalla tensione del sistema principale e richiedono una corrente relativamente elevata. La resistenza nella traccia provocherà cadute di tensione che riducono la tensione di alimentazione dell'amplificatore e sprecano energia nel sistema. La resistenza di traccia fa sì che anche le normali fluttuazioni della corrente di alimentazione si convertano in fluttuazioni di tensione. Per massimizzare le prestazioni, utilizzare tracce larghe e corte per tutti gli alimentatori dell'amplificatore.

messa a terra

La messa a terra svolge il ruolo unico e più significativo nel determinare se il potenziale del dispositivo è raggiunto dal sistema. Un sistema con scarsa messa a terra avrà probabilmente un'elevata distorsione, rumore, diafonia e suscettibilità RF. Sebbene ci si possa chiedere quanto tempo dovrebbe essere dedicato alla messa a terra del sistema, uno schema di messa a terra attentamente progettato impedisce il verificarsi di un gran numero di problemi.

Il terreno in qualsiasi sistema deve servire a due scopi. Innanzitutto, è il percorso di ritorno per tutte le correnti che fluiscono verso un dispositivo. In secondo luogo, è la tensione di riferimento sia per i circuiti digitali che per quelli analogici. La messa a terra sarebbe un semplice esercizio se la tensione in tutti i punti della terra potesse essere la stessa. In realtà, questo non è possibile. Tutti i fili e le tracce hanno una resistenza finita. Ciò significa che ogni volta che c'è corrente che scorre attraverso la terra, ci sarà una corrispondente caduta di tensione. Qualsiasi anello di filo forma anche un induttore. Ciò significa che ogni volta che la corrente scorre dalla batteria a un carico e di nuovo alla batteria, il percorso della corrente ha una certa induttanza. L'induttanza aumenta l'impedenza di terra alle alte frequenze.

Sebbene progettare il miglior sistema di terra per una particolare applicazione non sia un compito semplice, alcune linee guida generali si applicano a tutti i sistemi.

1. Stabilire un piano di massa continuo per i circuiti digitali: la corrente digitale nel piano di massa tende a seguire lo stesso percorso del segnale originale. Questo percorso crea l'area del circuito più piccola per la corrente, riducendo così al minimo gli effetti dell'antenna e l'induttanza. Il modo migliore per garantire che tutte le tracce del segnale digitale abbiano un percorso di massa corrispondente è stabilire un piano di massa continuo sullo strato immediatamente adiacente allo strato del segnale. Questo strato dovrebbe coprire la stessa area della traccia del segnale digitale e avere il minor numero possibile di interruzioni nella sua continuità. Tutte le interruzioni nel piano di massa, inclusi i vias, fanno sì che la corrente di terra fluisca in un circuito più ampio di quello ideale, aumentando così la radiazione e il rumore.
2. Mantieni separate le correnti di terra: le correnti di terra per i circuiti digitali e analogici devono essere separate per evitare che le correnti digitali aggiungano rumore ai circuiti analogici. Il modo migliore per farlo è attraverso il corretto posizionamento dei componenti. Se tutti i circuiti analogici e digitali sono posti su parti separate del PCB, le correnti di terra saranno naturalmente isolate. Affinché ciò funzioni bene, la sezione analogica deve contenere solo circuiti analogici su tutti gli strati del PCB.
3. Utilizzare la tecnica di messa a terra a stella per i circuiti analogici: gli amplificatori di potenza audio tendono ad assorbire correnti relativamente grandi che possono influenzare negativamente sia i propri riferimenti di massa che quelli di altri nel sistema. Per evitare questo problema, fornire percorsi di ritorno dedicati per la messa a terra dell'amplificatore a ponte e la messa a terra del jack per le cuffie. L'isolamento consente a queste correnti di tornare alla batteria senza influenzare la tensione di altre parti del piano di massa. Ricordare che questi percorsi di ritorno dedicati non devono essere instradati sotto tracce di segnali digitali perché potrebbero bloccare le correnti di ritorno digitali.
4. Massimizza l'efficacia dei condensatori di bypass: quasi tutti i dispositivi richiedono condensatori di bypass per fornire corrente istantanea. Per ridurre al minimo l'induttanza tra il condensatore e il pin di alimentazione del dispositivo, posizionare questi condensatori il più vicino possibile al pin di alimentazione che stanno bypassando. Qualsiasi induttanza riduce l'efficacia del condensatore di bypass. Allo stesso modo, il condensatore deve essere dotato di un collegamento a terra a bassa impedenza per ridurre al minimo l'impedenza ad alta frequenza del condensatore. Collega direttamente il lato di massa del condensatore al piano di massa, invece di instradarlo attraverso una traccia.
5. Inondare tutta l'area del PCB inutilizzata con la messa a terra: ogni volta che due pezzi di rame corrono uno vicino all'altro, si forma un piccolo accoppiamento capacitivo tra di loro. Facendo scorrere il terreno vicino alle tracce del segnale, l'energia ad alta frequenza indesiderata nelle linee di segnale può essere deviata a terra attraverso l'accoppiamento capacitivo.

Cerca di tenere alimentatori, trasformatori e circuiti digitali rumorosi lontano dai tuoi circuiti audio. Utilizzare una connessione di massa separata per il circuito audio ed è bene non utilizzare piani di massa per i circuiti audio. La connessione di terra (GND) dell'amplificatore audio è molto importante rispetto alla terra di altri transistor, IC ecc., Se c'è rumore di terra tra i due, l'amplificatore lo emetterà.

Considera di alimentare circuiti integrati importanti e qualsiasi cosa sensibile usando un resistore da 100R tra loro e +V. Includere un condensatore elect di dimensioni decenti (ad esempio 220uF) sul lato IC del resistore. Se il circuito integrato assorbirà molta potenza, assicurati che il resistore possa gestirlo (selezionare un wattaggio sufficientemente alto e fornire un dissipatore di calore in rame PCB se necessario) e tenere presente che ci sarà una caduta di tensione attraverso il resistore.

Per i progetti basati su trasformatori, si desidera che i condensatori del raddrizzatore siano il più vicino possibile ai pin del raddrizzatore e collegati tramite le proprie tracce spesse a causa delle grandi correnti di carica proprio all'inizio dell'onda sinusoidale rettificata. Poiché la tensione di uscita del raddrizzatore supera la tensione di decadimento del condensatore, nel circuito di carica viene prodotto un rumore impulsivo che può essere trasferito nel circuito audio se condividono lo stesso pezzo di rame in una delle linee elettriche. Non è possibile eliminare la corrente di carica degli impulsi, quindi è molto meglio mantenere il condensatore locale rispetto al raddrizzatore a ponte per ridurre al minimo questi impulsi di energia ad alta corrente. Se un amplificatore audio è vicino al raddrizzatore, non posizionare un condensatore grande accanto all'amplificatore per evitare che questo condensatore causi questo problema, ma se c'è un po' di distanza, allora va bene dare all'amplificatore il proprio condensatore mentre diventa galleggiante caricato dall'alimentatore e finisce per avere un'impedenza relativamente alta a causa della lunghezza del rame.

Individuare i regolatori di tensione utilizzati dai circuiti audio vicino all'ingresso dei raddrizzatori / PSU e collegarli anche con le proprie connessioni.

Segnali

Ove possibile, evitare i segnali audio in entrata e in uscita da e verso i circuiti integrati in esecuzione in parallelo sul PCB poiché ciò può causare oscillazioni che si alimentano dall'uscita all'ingresso. Ricorda che solo 5 mV possono causare molto ronzio!

Tenere i piani di massa digitali lontani dal GND audio e dai circuiti audio in generale. Il ronzio può essere introdotto nell'audio semplicemente da tracce troppo vicine ai piani digitali.

Quando ci si interfaccia con altre apparecchiature, se si alimenta qualche altra scheda che include circuiti audio (andando a dare o ricevere un segnale audio) assicurarsi che ci sia solo 1 punto in cui GND si connette tra le 2 schede e questo dovrebbe idealmente essere alla connessione del segnale audio analogico punto.

Per le connessioni di segnale IO ad altri dispositivi / il mondo esterno è un buon ideale utilizzare un resistore da 100R tra i circuiti GND e il mondo esterno GND per tutto (comprese le parti digitali del circuito) per fermare la creazione di loop di massa.

Condensatori

Usali ovunque tu voglia isolare le sezioni l'una dall'altra. Valori da utilizzare:- 220nF è tipico, 100nF va bene se si vogliono ridurre dimensioni/costo, meglio non scendere sotto i 100nF.

Non utilizzare condensatori ceramici. Il motivo è che i condensatori ceramici daranno un effetto piezoelettrico a un segnale CA che causa rumore. Usa un Poly di qualche tipo: il polipropilene è il migliore, ma qualsiasi cosa andrà bene. Anche le vere teste audio affermano di non utilizzare elettrolitici in linea, ma molti progettisti lo fanno senza problemi: questo è probabile per applicazioni ad alta purezza, non per la progettazione audio standard generale.

Non utilizzare condensatori al tantalio ovunque all'interno dei percorsi del segnale audio (alcuni progettisti potrebbero non essere d'accordo ma possono causare problemi orribili)

Un sostituto generalmente accettato del policarbonato è il PPS (polifenilene solfuro).

Film di policarbonato di alta qualità e film di polistirene e condensatori in teflon e condensatori ceramici NPO/COG hanno coefficienti di capacità di tensione molto bassi e quindi distorsione molto bassa e i risultati sono molto chiari utilizzando analizzatori di spettro e orecchie.

Evitate quelli dielettrici ceramici ad alto K, hanno un coefficiente di alta tensione che immagino potrebbe portare a qualche distorsione se fossero usati in una fase di controllo del tono.

Posizionamento dei componenti

Il primo passo di qualsiasi progetto di PCB è scegliere dove posizionare i componenti. Questo compito è chiamato "pianificazione del pavimento". Un accurato posizionamento dei componenti può facilitare l'instradamento del segnale e il partizionamento della terra. Riduce al minimo la raccolta del rumore e l'area della scheda richiesta.

Deve essere selezionato il posizionamento del componente all'interno della sezione analogica. I componenti devono essere posizionati in modo da ridurre al minimo la distanza percorsa dai segnali audio. Individuare l'amplificatore audio il più vicino possibile al jack delle cuffie e all'altoparlante. Questo posizionamento ridurrà al minimo le radiazioni EMI dagli amplificatori dei diffusori di classe D e ridurrà al minimo la suscettibilità al rumore dei segnali delle cuffie a bassa ampiezza. Posizionare i dispositivi che forniscono l'audio analogico il più vicino possibile all'amplificatore per ridurre al minimo la raccolta del rumore sugli ingressi dell'amplificatore. Tutte le tracce del segnale in ingresso agiranno come antenne per i segnali RF, ma accorciare le tracce aiuta a ridurre l'efficienza dell'antenna per le frequenze tipicamente preoccupanti.

Passaggio 2: è necessario…

1. CI amplificatore audio TEA2025B (ebay.com)

2. Condensatore elettrolitico da 6 pezzi 100uF (ebay.com)

3. 2 condensatori elettrolitici da 470uF (ebay.com)

4. Condensatore da 0,22uF da 2 pezzi

5. Condensatore ceramico da 0,15uF da 2 pezzi

6. Potenziometro di controllo del doppio volume (50 - 100K) (ebay.com)

7. Altoparlante da 2 pezzi da 4 ohm da 2,5 W

8. Modulo ricevitore MP3 + FM (ebay.com)

9. Matrice LED con driver IC (Adafruit.com)

10. Vero Board e alcuni cavi.

11. Arduino UNO (Adafruit.com)

12. Modulo RTC DS1307 (Adafruit.com)

Passaggio 3: realizzare il circuito dell'amplificatore

Secondo lo schema elettrico allegato, saldare gli interi componenti nel PCB. Utilizzare un valore accurato per i condensatori. Fare attenzione alla polarità dei condensatori elettrolitici. Cerca di mantenere tutto il condensatore il più vicino possibile all'IC per ridurre al minimo il rumore. Saldare direttamente IC senza utilizzare la base IC. Assicurati di tagliare le tracce tra i due lati dell'amplificatore IC. Tutti i giunti di saldatura dovrebbero essere perfetti. Questo è un circuito di amplificazione audio, quindi sii professionale sulla connessione di saldatura, in particolare sulla terra (GND).

Passaggio 4: test del circuito con l'altoparlante

Dopo aver completato tutti i collegamenti e le saldature, collegare due altoparlanti da 4 ohm da 2,5 W al circuito dell'amplificatore. Collega una sorgente audio al circuito e accendilo. Se tutto va bene, qui troverai il suono senza rumore.

Ho usato il circuito integrato dell'amplificatore audio TEA2025B per l'amplificazione audio. È un bel chip amplificatore audio che opera in un'ampia gamma di tensioni (da 3 V a 9 V). Quindi, puoi testarlo con qualsiasi tensione all'interno dell'intervallo. Sto usando un adattatore da 9V e funziona bene. L'IC può operare in modalità di connessione duale o bridge. Per maggiori dettagli sul chip dell'amplificatore si prega di controllare la scheda tecnica.

Passaggio 5: preparazione del pannello frontale a matrice di punti

Per la visualizzazione del segnale audio e la visualizzazione di data e ora ho posizionato un display a matrice di punti nella parte anteriore della scatola dell'amplificatore. Per fare bene il lavoro ho usato uno strumento rotante per tagliare la cornice in base alle dimensioni della matrice. Se il tuo display non ha un chip driver integrato, usane uno separatamente. Preferisco la matrice bicolore di Adafruit. Dopo aver selezionato il display a matrice perfetta regolare il display alla base con colla a caldo.

Lo collegheremo alla scheda Arduino in seguito. Il display bicolore di Adafruit utilizza il protocollo i2c per comunicare con il microcontrollore. Quindi, collegheremo i pin SCL e SDA dell'IC del driver alla scheda Arduino.

Passaggio 6: programmazione con Arduino

Collega il display a matrice di punti bicolore Adafruit Smart come:

1. Collega il pin Arduino 5V alla matrice LED + pin.
2. Collega il pin GND di Arduino sia al pin GND dell'amplificatore del microfono che al pin della matrice LED.
3. È possibile utilizzare una barra di alimentazione breadboard o Arduino ha più pin GND disponibili. Collegare il pin analogico 0 di Arduino al pin del segnale audio.
4. Collegare i pin Arduino SDA e SCL ai pin D (dati) e C (clock) dello zaino della matrice, rispettivamente.
5. Le schede Arduino precedenti non includono i pin SDA e SCL, ma utilizzano i pin analogici 4 e 5.
6. Carica il programma allegato e verifica se funziona o meno:

Inizia scaricando il repository Piccolo da Github. Seleziona il pulsante "scarica ZIP". Una volta terminato, decomprimi il file ZIP risultante sul tuo disco rigido. All'interno ci saranno due cartelle: "Piccolo" dovrebbe essere spostato nella tua solita cartella di Arduino sketchbook. "ffft" dovrebbe essere spostato nella cartella "Librerie" di Arduino (all'interno della cartella dello sketchbook - se non è presente, creane uno). Se non hai familiarità con l'installazione delle librerie Arduino, segui questo tutorial. E non installare mai nella cartella Library adiacente all'applicazione Arduino stessa… la posizione corretta è sempre una sottodirectory della tua cartella home! Se non hai già installato la libreria Adafruit LED Backpack (per l'utilizzo della matrice LED), scarica e installa anche quello. Una volta individuate le cartelle e le librerie, riavvia l'IDE di Arduino e lo sketch "Piccolo" dovrebbe essere disponibile dal menu File->Sketchbook.

Con lo sketch Piccolo aperto, seleziona il tipo di scheda Arduino e la porta seriale dal menu Strumenti. Quindi fare clic sul pulsante Carica. Dopo un momento, se tutto va bene, vedrai il messaggio "Caricamento completato". Se tutto va bene vedrai lo spettro audio per qualsiasi ingresso audio.

Se il tuo sistema funziona bene, carica lo sketch complete.ino allegato con il passaggio per l'aggiunta dell'orologio binario con la visualizzazione dell'audio. Per qualsiasi ingresso audio l'altoparlante visualizzerà lo spettro audio altrimenti mostrerà l'ora e la data.

Passaggio 7: sistemare tutte le cose insieme

Ora, collega il circuito dell'amplificatore che hai costruito nella fase precedente alla scatola con la colla a caldo. Segui le immagini allegate con questo passaggio.

Dopo aver collegato il circuito dell'amplificatore, collegare ora il modulo ricevitore MP3 + FM nella scatola. Prima di fissarlo con la colla fate una prova per assicurarvi che funzioni. Se funziona bene, aggiustalo con la colla. L'uscita audio del modulo MP3 deve essere collegata all'ingresso del circuito dell'amplificatore.

Passaggio 8: collegamenti interni e prodotto finale

Se l'altoparlante riceve e segnale audio mostra lo spettro audio altrimenti mostra data e ora in formato binario BCD. Se ti piace la programmazione e la tecnologia digitale, allora sono sicuro che ti piace il binario. Mi piace l'orologio binario e binario. In precedenza ho realizzato un orologio da polso binario e il formato dell'ora è esattamente lo stesso del mio orologio precedente. Quindi, per illustrare il formato dell'ora, ho aggiunto l'immagine precedente del mio orologio senza produrne un'altra.

Grazie.

Quarto Premio al Concorso Circuiti 2016

Primo Premio al Concorso Amps and Speakers 2016