Tischverstärker mit Audiovisualisierung, Binäruhr & FM-Empfänger - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Ich mag Verstärker und heute werde ich meinen Low-Power-Desk-Verstärker teilen, den ich kürzlich gemacht habe. Der von mir entworfene Verstärker hat einige interessante Eigenschaften. Es hat eine integrierte binäre Uhr und kann Uhrzeit und Datum anzeigen und kann Audio visualisieren, das oft als Audiospektrumanalysator bezeichnet wird. Sie können es als FM-Empfänger oder MP3-Player verwenden. Wenn Ihnen mein Taktverstärker gefällt, führen Sie die folgenden Schritte aus, um Ihre eigene Kopie zu erstellen.

Schritt 1: Gute Verstärkerdesign-Tipps

Das Entwerfen einer rauschfreien Audioschaltung von guter Qualität ist selbst für einen erfahrenen Designer wirklich schwierig. Daher sollten Sie einige Tipps befolgen, um Ihr Design zu verbessern.

Leistung

Lautsprecherverstärker werden typischerweise direkt von der Hauptsystemspannung gespeist und benötigen einen relativ hohen Strom. Ein Widerstand in der Leiterbahn führt zu Spannungsabfällen, die die Versorgungsspannung des Verstärkers reduzieren und Energie im System verschwenden. Der Leiterbahnwiderstand bewirkt auch, dass die normalen Schwankungen des Versorgungsstroms in Spannungsschwankungen umgewandelt werden. Um die Leistung zu maximieren, verwenden Sie kurze breite Leiterbahnen für alle Verstärkernetzteile.

Erdung

Die Erdung spielt die einzige und wichtigste Rolle bei der Bestimmung, ob das Potenzial des Geräts vom System erreicht wird. Ein schlecht geerdetes System weist wahrscheinlich hohe Verzerrungen, Rauschen, Übersprechen und HF-Anfälligkeit auf. Obwohl man sich fragen kann, wie viel Zeit für die Systemerdung aufgewendet werden sollte, verhindert ein sorgfältig konzipiertes Erdungsschema, dass viele Probleme jemals auftreten.

Der Boden in jedem System muss zwei Zwecken dienen. Erstens ist es der Rückweg für alle Ströme, die zu einem Gerät fließen. Zweitens ist es die Referenzspannung sowohl für digitale als auch für analoge Schaltungen. Erdung wäre eine einfache Übung, wenn die Spannung an allen Punkten der Erde gleich sein könnte. In Wirklichkeit ist dies nicht möglich. Alle Drähte und Leiterbahnen haben einen endlichen Widerstand. Dies bedeutet, dass immer dann, wenn Strom durch die Erde fließt, ein entsprechender Spannungsabfall auftritt. Jede Drahtschleife bildet auch einen Induktor. Dies bedeutet, dass immer dann, wenn Strom von der Batterie zu einer Last und zurück zur Batterie fließt, der Strompfad eine gewisse Induktivität aufweist. Die Induktivität erhöht die Erdimpedanz bei hohen Frequenzen.

Obwohl es keine einfache Aufgabe ist, das beste Erdungssystem für eine bestimmte Anwendung zu entwerfen, gelten einige allgemeine Richtlinien für alle Systeme.

1. Richten Sie eine kontinuierliche Masseebene für digitale Schaltkreise ein: Der digitale Strom in der Masseebene folgt in der Regel dem gleichen Weg, den das ursprüngliche Signal genommen hat. Dieser Pfad schafft die kleinste Schleifenfläche für den Strom und minimiert so Antenneneffekte und Induktivität. Der beste Weg, um sicherzustellen, dass alle digitalen Signalspuren einen entsprechenden Massepfad haben, besteht darin, eine durchgehende Masseebene auf der Schicht direkt neben der Signalschicht einzurichten. Diese Schicht sollte den gleichen Bereich wie die digitale Signalspur abdecken und möglichst wenig Unterbrechungen in ihrer Kontinuität aufweisen. Alle Unterbrechungen in der Masseebene, einschließlich Durchkontaktierungen, führen dazu, dass der Massestrom in einer größeren Schleife als ideal fließt, wodurch Strahlung und Rauschen erhöht werden.
2. Erdströme getrennt halten: Die Erdströme für digitale und analoge Schaltkreise müssen getrennt werden, um zu verhindern, dass digitale Ströme Rauschen zu den analogen Schaltkreisen hinzufügen. Der beste Weg, dies zu erreichen, ist die richtige Platzierung der Komponenten. Wenn alle analogen und digitalen Schaltungen auf separaten Teilen der Leiterplatte platziert sind, werden die Erdströme natürlich isoliert. Damit dies gut funktioniert, darf der analoge Abschnitt auf allen Ebenen der Leiterplatte nur analoge Schaltkreise enthalten.
3. Verwenden Sie die Sternerdungstechnik für analoge Schaltkreise: Audio-Leistungsverstärker neigen dazu, relativ große Ströme zu ziehen, die sowohl ihre eigenen als auch andere Erdungsreferenzen im System beeinträchtigen können. Um dieses Problem zu vermeiden, stellen Sie dedizierte Rückleitungen für die Leistungsmasse der überbrückten Verstärker und die Masserückleitungen der Kopfhörerbuchse bereit. Durch die Isolation können diese Ströme zur Batterie zurückfließen, ohne die Spannung anderer Teile der Masseplatte zu beeinträchtigen. Denken Sie daran, dass diese dedizierten Rückwege nicht unter digitalen Signalspuren geführt werden sollten, da sie die digitalen Rückströme blockieren könnten.
4. Maximieren Sie die Effektivität von Bypass-Kondensatoren: Fast alle Geräte benötigen Bypass-Kondensatoren, um sofortigen Strom bereitzustellen. Um die Induktivität zwischen dem Kondensator und dem Versorgungsstift des Geräts zu minimieren, platzieren Sie diese Kondensatoren so nah wie möglich am Versorgungsstift, den sie umgehen. Jede Induktivität verringert die Wirksamkeit des Bypass-Kondensators. In ähnlicher Weise muss der Kondensator mit einer niederohmigen Verbindung zur Erde versehen werden, um die Hochfrequenzimpedanz des Kondensators zu minimieren. Verbinden Sie die Erdungsseite des Kondensators direkt mit der Erdungsebene, anstatt sie durch eine Leiterbahn zu führen.
5. Alle ungenutzten PCB-Bereiche mit Masse überfluten: Immer wenn zwei Kupferstücke nahe beieinander verlaufen, bildet sich zwischen ihnen eine kleine kapazitive Kopplung. Durch das Betreiben von Bodenfluten in der Nähe von Signalspuren kann unerwünschte Hochfrequenzenergie in den Signalleitungen durch die kapazitive Kopplung zur Erde abgeleitet werden.

Versuchen Sie, Netzteile, Transformatoren und verrauschte digitale Schaltkreise von Ihren Audio-Schaltkreisen fernzuhalten. Verwenden Sie einen separaten Erdungsanschluss für den Audiokreis und es ist ratsam, keine Erdungsebenen für den Audiokreis zu verwenden. Die Masseverbindung (GND) des Audioverstärkers ist sehr wichtig, verglichen mit der Masse anderer Transistoren, ICs usw. Wenn zwischen den beiden Masserauschen vorhanden ist, wird der Verstärker es ausgeben.

Ziehen Sie in Betracht, wichtige ICs und alles, was empfindlich ist, mit einem 100R-Widerstand zwischen ihnen und +V zu versorgen. Fügen Sie einen anständigen Kondensator (z. B. 220uF) auf der IC-Seite des Widerstands ein. Wenn der IC viel Strom zieht, stellen Sie sicher, dass der Widerstand damit umgehen kann (wählen Sie eine ausreichend hohe Wattzahl und stellen Sie bei Bedarf einen PCB-Kupferkühlkörper bereit) und bedenken Sie, dass am Widerstand ein Spannungsabfall auftritt.

Bei transformatorbasierten Designs möchten Sie, dass sich die Gleichrichterkondensatoren so nah wie möglich an den Gleichrichterstiften befinden und aufgrund der großen Ladeströme auf der Spitze der gleichgerichteten Sinuswelle über ihre eigenen dicken Leiterbahnen verbunden sind. Da die Ausgangsspannung des Gleichrichters die abklingende Spannung des Kondensators überschreitet, wird in der Ladeschaltung ein Impulsrauschen erzeugt, das in die Audioschaltung übertragen werden kann, wenn sie in einer der Stromleitungen dasselbe Kupferstück verwenden. Sie können den Impulsladestrom nicht loswerden, daher ist es viel besser, den Kondensator lokal am Brückengleichrichter zu halten, um diese hohen Stromimpulse zu minimieren. Wenn sich ein Audioverstärker in der Nähe des Gleichrichters befindet, platzieren Sie keinen großen Kondensator neben dem Verstärker, um zu vermeiden, dass dieser Kondensator dieses Problem verursacht vom Netzteil geladen und hat aufgrund der Länge des Kupfers eine relativ hohe Impedanz.

Lokalisieren und Spannungsregler, die von der Audio-Schaltung verwendet werden, in der Nähe von Gleichrichtern / PSU-Eingang und verbinden Sie auch mit ihren eigenen Anschlüssen.

Signale

Vermeiden Sie nach Möglichkeit ein- und ausgehende Audiosignale zu und von den ICs, die parallel auf der Platine laufen, da dies zu Schwingungen führen kann, die vom Ausgang zum Eingang zurückgeführt werden. Denken Sie daran, dass nur 5 mV viel Brummen verursachen können!

Halten Sie digitale Masseflächen von Audio-GND und Audio-Schaltkreisen im Allgemeinen fern. Brummen kann in Audio einfach von Spuren eingefügt werden, die sich zu nahe an digitalen Ebenen befinden.

Wenn Sie eine Verbindung zu anderen Geräten herstellen und eine andere Platine mit Audioschaltkreisen (die ein Audiosignal ausgeben oder empfangen) mit Strom versorgen, stellen Sie sicher, dass es nur einen Punkt gibt, an dem GND zwischen den beiden Platinen angeschlossen ist, und dies sollte idealerweise am analogen Audiosignalanschluss sein Punkt.

Für Signal-IO-Verbindungen zu anderen Geräten / der Außenwelt ist es ideal, einen 100R-Widerstand zwischen der GND der Schaltungen und der GND der Außenwelt für alles (einschließlich digitaler Teile der Schaltung) zu verwenden, um die Entstehung von Masseschleifen zu verhindern.

Kondensatoren

Verwenden Sie sie überall dort, wo Sie Abschnitte voneinander isolieren möchten. Zu verwendende Werte: - 220 nF ist typisch, 100 nF ist in Ordnung, wenn Sie Größe / Kosten reduzieren möchten, am besten nicht unter 100 nF gehen.

Keine Keramikkondensatoren verwenden. Der Grund dafür ist, dass Keramikkondensatoren einem Wechselstromsignal einen piezoelektrischen Effekt verleihen, der Rauschen verursacht. Verwenden Sie ein Poly irgendeiner Art – Polypropylen ist am besten, aber jedes reicht aus. Echte Audioköpfe sagen auch, dass sie keine Inline-Elektrolyten verwenden, aber viele Designer tun dies ohne Probleme – dies ist wahrscheinlich für hochreine Anwendungen und nicht für allgemeines Standard-Audiodesign geeignet.

Verwenden Sie nirgendwo in Audiosignalpfaden Tantal-Kondensatoren (einige Designer sind möglicherweise anderer Meinung, aber sie können schreckliche Probleme verursachen).

Ein allgemein akzeptierter Ersatz für Polycarbonat ist PPS (Polyphenylensulfid).

Hochwertige Polycarbonatfolien und Polystyrolfolien sowie Teflonkondensatoren und NPO/COG-Keramikkondensatoren haben sehr niedrige Spannungskoeffizienten der Kapazität und daher eine sehr geringe Verzerrung, und die Ergebnisse sind sowohl mit Spektrumanalysatoren als auch mit Ohren sehr klar.

Vermeiden Sie die High-K-Keramik-Dielektrikums, sie haben einen hohen Spannungskoeffizienten, der meiner Meinung nach zu Verzerrungen führen könnte, wenn sie in einer Tonregelstufe verwendet werden.

Komponentenplatzierung

Der erste Schritt bei jedem PCB-Design ist die Auswahl der Position der Komponenten. Diese Aufgabe wird als "Grundrissplanung" bezeichnet. Eine sorgfältige Platzierung der Komponenten kann das Signalrouting und die Masseaufteilung erleichtern. Es minimiert die Geräuschaufnahme und die erforderliche Platinenfläche.

Die Komponentenplatzierung innerhalb des analogen Abschnitts muss ausgewählt werden. Komponenten sollten so platziert werden, dass die Entfernung, die Audiosignale zurücklegen, minimiert wird. Platzieren Sie den Audioverstärker so nah wie möglich an der Kopfhörerbuchse und dem Lautsprecher. Diese Positionierung minimiert die EMI-Strahlung von Lautsprecherverstärkern der Klasse D und minimiert die Rauschanfälligkeit von Kopfhörersignalen mit niedriger Amplitude. Platzieren Sie die Geräte, die das analoge Audio liefern, so nah wie möglich am Verstärker, um die Rauschaufnahme an den Verstärkereingängen zu minimieren. Alle Eingangssignalspuren fungieren als Antennen für HF-Signale, aber das Kürzen der Spuren trägt dazu bei, den Antennenwirkungsgrad für Frequenzen zu verringern, die typischerweise von Bedeutung sind.

Schritt 2: Sie brauchen…

1. TEA2025B Audioverstärker-IC (ebay.com)

2. 6 Stück 100uF Elektrolytkondensator (ebay.com)

3. 2 Stück 470uF Elektrolytkondensatoren (ebay.com)

4. 2 Stück 0,22uF Kondensator

5. 2 Stück 0.15uF Keramikkondensator

6. Duales Lautstärkeregler-Potentiometer (50 - 100K) (ebay.com)

7. 2 Stück 4 Ohm 2.5W Lautsprecher

8. MP3 + FM-Empfängermodul (ebay.com)

9. LED-Matrix mit Treiber-IC (Adafruit.com)

10. Vero Board & Einige Drähte.

11. Arduino UNO (Adafruit.com)

12. DS1307 RTC-Modul (Adafruit.com)

Schritt 3: Herstellen der Verstärkerschaltung

Löten Sie gemäß beiliegendem Schaltplan die gesamten Komponenten in die Leiterplatte ein. Verwenden Sie einen genauen Wert für die Kondensatoren. Achten Sie auf die Polarität der Elektrolytkondensatoren. Versuchen Sie, den gesamten Kondensator so nah wie möglich am IC zu halten, um das Rauschen zu minimieren. IC direkt verlöten, ohne IC-Basis zu verwenden. Stellen Sie sicher, dass Sie die Spuren zwischen den beiden Seiten des Verstärker-ICs schneiden. Alle Lötstellen sollten perfekt sein. Dies ist eine Audioverstärkerschaltung, also seien Sie professionell bei der Lötverbindung, insbesondere bei der Masse (GND).

Schritt 4: Testen der Schaltung mit Lautsprecher

Nachdem Sie alle Anschlüsse und Lötarbeiten abgeschlossen haben, schließen Sie zwei 4-Ohm-2,5-W-Lautsprecher an die Verstärkerschaltung an. Schließen Sie eine Audioquelle an die Schaltung an und schalten Sie sie ein. Wenn alles gut geht, erhalten Sie hier den rauschfreien Klang.

Ich habe den Audioverstärker-IC TEA2025B für die Audioverstärkung verwendet. Es ist ein schöner Audioverstärkerchip, der in einem weiten Spannungsbereich (3 V bis 9 V) betrieben wird. Sie können es also mit jeder Spannung innerhalb des Bereichs testen. Ich benutze 9V Adapter und funktioniert einwandfrei. Der IC kann im Dual- oder Bridge-Verbindungsmodus betrieben werden. Weitere Informationen zum Verstärkerchip finden Sie im Datenblatt.

Schritt 5: Vorbereiten der Dot-Matrix-Frontplatte

Zur Visualisierung des Audiosignals und zur Anzeige von Datum und Uhrzeit habe ich eine Punktmatrix-Anzeige in die Frontseite der Verstärkerbox eingebaut. Um die Arbeit gut zu machen, habe ich das Rotationswerkzeug verwendet, um den Rahmen entsprechend der Größe der Matrix zu schneiden. Wenn Ihr Display keinen integrierten Treiberchip hat, verwenden Sie einen separat. Ich bevorzuge Bi-Color Matrix von Adafruit. Nachdem Sie das perfekte Matrix-Display ausgewählt haben, passen Sie das Display mit Heißkleber an die Basis an.

Wir werden es später mit dem Arduino-Board verbinden. Das zweifarbige Display von Adafruit verwendet das i2c-Protokoll, um mit dem Mikrocontroller zu kommunizieren. Wir werden also den SCL- und SDA-Pin des Treiber-ICs mit der Arduino-Platine verbinden.

Schritt 6: Programmierung mit Arduino

Verbinden Sie das Adafruit Smart Bi-Color-Punktmatrix-Display als:

1. Verbinden Sie den Arduino 5V-Pin mit der LED-Matrix + Pin.
2. Verbinden Sie den Arduino GND-Pin sowohl mit dem GND-Pin des Mikrofonverstärkers als auch mit dem LED-Matrix-Pin.
3. Sie können eine Steckbrett-Stromschiene verwenden, oder das Arduino hat mehrere GND-Pins zur Verfügung. Verbinden Sie den analogen Arduino-Pin 0 mit dem Audiosignal-Pin.
4. Verbinden Sie die Arduino-Pins SDA und SCL mit den Pins D (Daten) und C (Clock) des Matrixrucksacks.
5. Frühere Arduino-Boards enthalten keine SDA- und SCL-Pins - verwenden Sie stattdessen die analogen Pins 4 und 5.
6. Laden Sie das angehängte Programm hoch und testen Sie, ob es funktioniert oder nicht:

Beginnen Sie mit dem Herunterladen des Piccolo-Repositorys von Github. Wählen Sie die Schaltfläche „ZIP herunterladen“. Sobald dies abgeschlossen ist, entpacken Sie die resultierende ZIP-Datei auf Ihrer Festplatte. Darin befinden sich zwei Ordner: „Piccolo“sollte in Ihren üblichen Arduino-Skizzenbuchordner verschoben werden. "ffft" sollte in Ihren Arduino-Ordner "Libraries" verschoben werden (innerhalb des Sketchbook-Ordners - wenn er nicht dort ist, erstellen Sie einen). Wenn Sie mit der Installation von Arduino-Bibliotheken nicht vertraut sind, folgen Sie bitte diesem Tutorial. Und installieren Sie niemals im Library-Ordner neben der Arduino-Anwendung selbst … der richtige Ort ist immer ein Unterverzeichnis Ihres Home-Ordners! Wenn Sie die Adafruit LED Backpack Library (zur Verwendung der LED-Matrix) noch nicht installiert haben, laden Sie sie bitte herunter und installieren Sie sie das auch. Sobald sich die Ordner und Bibliotheken befinden, starten Sie die Arduino IDE neu, und die Skizze „Piccolo“sollte im Menü Datei-> Skizzenbuch verfügbar sein.

Wählen Sie bei geöffneter Piccolo-Skizze Ihren Arduino-Board-Typ und die serielle Schnittstelle aus dem Menü Extras aus. Klicken Sie dann auf die Schaltfläche Hochladen. Wenn alles gut geht, sehen Sie nach einem Moment die Meldung "Hochladen abgeschlossen". Wenn alles gut geht, sehen Sie das Audiospektrum für jeden Audioeingang.

Wenn Ihr System gut funktioniert, laden Sie die komplette.ino-Skizze hoch, die mit dem Schritt zum Hinzufügen einer Binäruhr mit der Audiovisualisierung verbunden ist. Für jeden Audioeingang zeigt der Lautsprecher das Audiospektrum an, andernfalls zeigt er Uhrzeit und Datum an.

Schritt 7: Alle Dinge zusammen reparieren

Befestigen Sie nun die Verstärkerschaltung, die Sie in der vorherigen Stufe gebaut haben, mit Heißkleber an der Box. Folgen Sie den angehängten Bildern mit diesem Schritt.

Nachdem Sie die Verstärkerschaltung angeschlossen haben, schließen Sie nun das MP3- + FM-Empfängermodul an die Box an. Bevor Sie es mit Kleber befestigen, machen Sie einen Test, um sicherzustellen, dass es funktioniert. Wenn es gut funktioniert, fixieren Sie es mit Kleber. Der Audioausgang des MP3-Moduls sollte mit dem Eingang der Verstärkerschaltung verbunden werden.

Schritt 8: Interne Verbindungen und Endprodukt

Wenn der Lautsprecher ein Audiosignal empfängt, zeigt er das Audiospektrum an, ansonsten Datum und Uhrzeit im BCD-Binärformat. Wenn Sie Programmieren und Digitaltechnik mögen, dann bin ich sicher, dass Sie Binär mögen. Ich mag binäre und binäre Uhr. Zuvor habe ich eine binäre Armbanduhr erstellt und das Zeitformat ist genau das gleiche wie bei meiner vorherigen Uhr. Zur Veranschaulichung des Zeitformats habe ich das vorherige Bild meiner Uhr hinzugefügt, ohne ein anderes zu erstellen.

Danke schön.

Vierter Preis beim Circuits Contest 2016

Erster Preis beim Amps and Speakers Contest 2016