Penguat Gitar 18W yang Dikawal Secara Digital: 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:10

Beberapa tahun yang lalu, saya membina penguat gitar 5W, yang merupakan penyelesaian untuk sistem audio saya pada masa itu, dan baru-baru ini saya memutuskan untuk membina yang baru lebih kuat dan tanpa menggunakan komponen analog untuk antara muka pengguna, seperti potensiometer berputar dan suis togol.

Digitally Controlled 18W Guitar Amplifier adalah penguat gitar mono 18W yang berdiri sendiri dan dikawal secara digital dengan lampiran sistem kesan kelewatan dan paparan kristal cecair yang elegan, memberikan maklumat yang tepat mengenai apa yang berlaku di litar.

Ciri-ciri projek:

• Kawalan digital sepenuhnya: Input antara muka pengguna adalah pengekod putar dengan suis terpasang.
• ATMEGA328P: Merupakan pengawal mikro (digunakan sebagai sistem seperti Arduino): Semua parameter yang dapat disesuaikan dikendalikan secara teratur oleh pengguna.
• LCD: bertindak sebagai output antara muka pengguna, jadi parameter peranti seperti kenaikan / kelantangan / kedalaman penundaan / waktu tunda dapat diperhatikan dengan sangat dekat.
• Potensiometer Digital: Digunakan dalam sub-litar sehingga menjadikan kawalan peranti sepenuhnya digital.
• Sistem lata: Setiap litar dalam sistem yang telah ditentukan adalah sistem yang berasingan yang hanya berkongsi saluran bekalan kuasa, yang mampu menyelesaikan masalah dengan mudah sekiranya berlaku kegagalan.
• Pra-penguat: Berdasarkan litar bersepadu LM386, dengan reka bentuk skematik yang sangat sederhana dan keperluan bahagian minimum.
• Litar kesan kelewatan: Berdasarkan rangkaian terpadu PT2399, boleh dibeli dari eBay sebagai IC yang berasingan (saya merancang sendiri litar penundaan keseluruhan) atau boleh digunakan sebagai modul lengkap dengan keupayaan untuk menggantikan potensiometer berputar dengan digipots.
• Penguat kuasa: Berdasarkan modul TDA2030, yang sudah mengandungi semua rangkaian periferal untuk pengoperasiannya.
• Bekalan kuasa: Peranti dikuasakan oleh bekalan kuasa komputer riba 19V DC luaran lama, oleh itu peranti mengandungi modul DC-DC step-down sebagai pra-pengatur untuk LM7805 menjadikannya menghilangkan haba yang jauh lebih sedikit semasa penggunaan kuasa peranti.

Setelah merangkumi semua maklumat ringkas, mari kita bina!

Langkah 1: Idea

Seperti yang anda lihat dalam gambarajah blok, peranti beroperasi sebagai pendekatan klasik untuk reka bentuk penguat gitar dengan sedikit variasi pada litar kawalan dan antara muka pengguna. Terdapat tiga kumpulan litar yang akan kami kembangkan: Analog, digital dan bekalan kuasa, di mana setiap kumpulan terdiri daripada sub-litar yang berasingan (topiknya akan dijelaskan dengan baik dalam langkah selanjutnya). Untuk lebih mudah memahami struktur projek, mari jelaskan kumpulan-kumpulan tersebut:

1. Bahagian Analog: Litar analog terletak di bahagian atas rajah blok seperti yang dapat dilihat di atas. Bahagian ini bertanggungjawab untuk semua isyarat yang melalui peranti.

Jack 1/4 adalah input mono gitar peranti dan terletak di sempadan antara litar elektronik kotak dan terpateri.

Tahap seterusnya adalah pra-penguat, berdasarkan litar bersepadu LM386, yang sangat mudah digunakan dalam aplikasi audio seperti itu. LM386 dibekalkan 5V DC dari bekalan kuasa utama, di mana parameter, keuntungan dan isipadunya dikendalikan melalui potensiometer digital.

Tahap ketiga adalah penguat kuasa, berdasarkan litar bersepadu TDA2030, yang dikuasakan oleh bekalan kuasa DC 18 ~ 20V luaran. Pada projek ini, keuntungan yang dipilih pada penguat kuasa tetap berterusan sepanjang masa operasi. Oleh kerana peranti bukan satu PCB yang dibungkus, disarankan untuk menggunakan modul pemasangan TDA2030A, dan pasangkannya ke bard prototaip dengan hanya menghubungkan pin I / O & power supply.

2. Bahagian Digital: Litar digital terletak di bahagian bawah rajah blok. Mereka bertanggungjawab untuk kawalan antara muka pengguna dan parameter analog seperti kelewatan masa / kedalaman, kelantangan dan keuntungan.

Pengekod dengan suis SPST terbina dalam ditakrifkan sebagai input kawalan pengguna. Oleh kerana ia dipasang sebagai satu bahagian, satu-satunya keperluan untuk operasi yang betul adalah melampirkan pull-up resistors secara program atau fizikal (Kita akan melihatnya dalam langkah skema).

Mikroprosesor sebagai "otak utama" dalam rangkaian adalah ATMEGA328P, yang digunakan dalam gaya seperti Arduino dalam peranti ini. Ini adalah peranti yang mempunyai semua kuasa digital di atas litar, dan memerintahkan apa yang harus dilakukan. Pengaturcaraan dilakukan melalui antara muka SPI, jadi kami dapat menggunakan programmer USB ISP yang sesuai atau debugger AVR yang dibeli. Sekiranya anda ingin menggunakan Arduino sebagai mikrokontroler dalam litar, ini mungkin dilakukan dengan menyusun kod C yang dilampirkan yang terdapat dalam langkah pengaturcaraan.

Potensiometer digital adalah beberapa litar bersepadu berganda yang dikawal melalui jarak SPI oleh mikrokontroler, dengan jumlah 4 potensiometer untuk kawalan penuh terhadap semua parameter:

LCD adalah output antara muka pengguna, yang memungkinkan kita mengetahui apa yang berlaku di dalam kotak. Dalam projek ini saya menggunakan LCD 16x2 yang paling popular di kalangan pengguna Arduino.

3. Bekalan Kuasa: Bekalan kuasa bertanggungjawab untuk memberi tenaga (Voltan dan arus) ke seluruh sistem. Oleh kerana litar penguat kuasa dihidupkan terus dari penyesuai komputer riba luaran dan semua litar yang selebihnya digerakkan dari 5V DC, maka perlu ada pengatur turun atau lurus DC-DC. Sekiranya meletakkan pengatur linier 5V yang menghubungkannya ke 20V luaran, ketika arus melewati pengatur linier ke beban, sejumlah besar haba yang disebarkan pada pengatur 5V, kami tidak menginginkannya. Jadi, antara garis 20V dan pengatur linear 5V (LM7805), terdapat 8V DC-DC step-down converter, yang bertindak sebagai pra-pengatur. Lekapan sedemikian menghalang penyebaran besar pada pengatur linier, ketika arus beban mencapai nilai tinggi.

Langkah 2: Bahagian dan Alat

Bahagian elektronik:

1. Modul:

• PT2399 - Echo / delay IC modul.
• LM2596 - Modul DC-DC step-down
• Modul penguat TDA2030A - 18W Power
• 1602A - Aksara LCD 16x2 biasa.
• Pengekod putar dengan suis SPST tertanam.

2. Litar Bersepadu:

• LM386 - Penguat audio mono.
• Pengatur Linear LM7805 - 5V.
• Potensiometer digital MCP4261 / MCP42100 - 100KOhm
• ATMEGA328P - Pengawal mikro

3. Komponen Pasif:

A. Kapasitor:

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

B. Perintang:

• 1 x 10R
• 4 x 10K

C. Potensiometer:

1 x 10K

(Pilihan) Sekiranya anda tidak menggunakan modul PT2399, dan berminat untuk membina litar sendiri, bahagian-bahagian ini diperlukan:

• PT2399
• Perintang 1 x 100K
• Kapasitor 2 x 4.7uF
• Kapasitor 2 x 3.9nF
• Perintang 2 x 15K
• Perintang 5 x 10K
• Perintang 1 x 3.7K
• Kapasitor 1 x 10uF
• Kapasitor 1 x 10nF
• Perintang 1 x 5.6K
• Kapasitor 2 x 560pF
• Kapasitor 2 x 82nF
• Kapasitor 2 x 100nF
• Kapasitor 1 x 47uF

4. Penyambung:

• Penyambung bicu 1 x 1/4"
• 7 x Blok terminal berganda
• 1 x Penyambung baris 6 pin wanita
• Penyambung JST 3 x 4-pin
• 1 x bicu penyambung kuasa lelaki

Bahagian Mekanikal:

• Pembesar suara dengan penerimaan kuasa sama atau lebih besar daripada 18W
• Pagar kayu
• Kerangka kayu untuk pemotong antara muka pengguna (Untuk LCD dan pengekod putar).
• Getah busa untuk kawasan pembesar suara dan UI
• 12 skru gerudi untuk bahagian
• 4 x bolt dan mur pengikat untuk bingkai LCD
• 4 kaki getah untuk ayunan peranti yang stabil (bunyi mekanikal resonans adalah perkara biasa dalam reka bentuk penguat).
• Tombol untuk pengekod putar

Instrumen:

• Pemutar skru elektrik
• Pistol gam panas (Sekiranya perlu)
• (Pilihan) Bekalan kuasa makmal
• (Pilihan) Osiloskop
• (Pilihan) Penjana fungsi
• Stesen besi pematerian
• Pemotong kecil
• Plier Kecil
• Tin pematerian
• Pinset
• Kawat pembalut
• Penggerudian bit
• Gergaji bersaiz kecil untuk pemotongan kayu
• Pisau
• Fail pengisaran

Langkah 3: Penjelasan Skematik

Oleh kerana kita sudah biasa dengan gambarajah blok projek, kita dapat meneruskan skema, dengan mengambil kira semua perkara yang perlu kita ketahui mengenai operasi litar:

Litar Pra-Penguat: LM386 dihubungkan dengan pertimbangan bahagian minimum, tanpa perlu menggunakan komponen pasif luaran. Sekiranya anda ingin menukar tindak balas frekuensi pada input isyarat audio, seperti penguat bass atau kawalan nada, anda boleh merujuk ke lembar data LM386, yang mana tidak akan mempengaruhi rajah skematik peranti ini kecuali perubahan kecil pada sambungan pra-penguat. Oleh kerana kita menggunakan bekalan DC 5V tunggal untuk IC, kapasitor decoupling (C5) harus ditambahkan ke output IC untuk penyingkiran sinyal DC. Seperti yang dapat dilihat, pin isyarat penyambung 1/4 (J1) disambungkan ke pin digipot 'A', dan input non-pembalik LM386 disambungkan ke pin 'B' digitpot, jadi hasilnya, kami pembahagi voltan, dikendalikan oleh mikrokontroler melalui antara muka SPI.

Litar Kesan Kelewatan / Echo: Litar ini berdasarkan IC kesan penundaan PT2399. Litar ini kelihatan rumit menurut lembar datanya, dan sangat mudah dikelirukan dengan pemateriannya sama sekali. Dianjurkan untuk membeli modul PT2399 lengkap yang sudah dipasang, dan satu-satunya perkara yang perlu dilakukan ialah melepaskan potensiometer putar dari modul dan memasang garis digipot (Wiper, 'A' dan 'B'). Saya telah menggunakan rujukan datasheet untuk reka bentuk kesan gema, dengan digipots dilampirkan pada pemilihan jangka masa ayunan dan jumlah isyarat maklum balas (Apa yang harus kita panggil - "kedalaman"). Input litar kelewatan, disebut sebagai garis DELAY_IN disambungkan ke output litar pra-penguat. Itu tidak disebutkan dalam skema kerana saya ingin membuat semua litar hanya berkongsi talian kuasa, dan garis isyarat dihubungkan dengan kabel luaran. "Bagaimana tidak senang!", Anda mungkin berfikir, tetapi masalahnya, ketika membina litar pemprosesan analog, lebih mudah untuk menyelesaikan masalah bahagian demi bahagian setiap litar dalam projek. Sebaiknya tambahkan kapasitor pintas ke pin bekalan kuasa 5V DC, kerana kawasannya yang bising.

Bekalan Kuasa: Peranti dikuasakan melalui bicu kuasa luaran oleh penyesuai AC / DC 20V 2A. Saya dapati bahawa penyelesaian terbaik untuk mengurangkan sejumlah besar pelesapan kuasa pada pengatur linier dalam bentuk haba, adalah dengan menambahkan 8V DC-DC step-down converter (U10). LM2596 adalah penukar wang yang digunakan dalam banyak aplikasi dan popular di kalangan pengguna Arduino, yang harganya kurang dari $ 1 di eBay. Kita tahu, pengatur linier mempunyai penurunan voltan pada throughputnya (dalam hal 7805 pendekatan teori adalah sekitar 2.5V), oleh itu terdapat jurang 3V yang selamat antara input dan output LM7805. Tidak dianjurkan untuk mengabaikan pengatur linier dan menghubungkan lm2596 terus ke saluran 5V, kerana bunyi beralih, riak voltan mana yang dapat mempengaruhi kestabilan daya litar.

Power Amplifier: Ringkasnya sepertinya. Oleh kerana saya telah menggunakan modul TDA2030A dalam projek ini, satu-satunya syarat adalah menyambungkan pin kuasa dan saluran I / O penguat kuasa. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, input power amp disambungkan ke output litar tunda melalui kabel luaran menggunakan penyambung. Pembesar suara yang digunakan dalam peranti disambungkan ke output penguat kuasa melalui blok terminal khusus.

Potensiometer Digital: Mungkin komponen yang paling penting dalam keseluruhan peranti, menjadikannya dapat dikendalikan secara digital. Seperti yang anda lihat terdapat dua jenis digipots: MCP42100 dan MCP4261. Mereka berkongsi pinout yang sama tetapi berbeza dalam komunikasi. Saya hanya mempunyai dua digipot terakhir dalam stok saya semasa saya membina projek ini, jadi saya hanya menggunakan apa yang saya ada, tetapi saya mengesyorkan untuk menggunakan dua digipot jenis yang sama ada MCP42100 atau MCP4261. Setiap digipot dikendalikan oleh antara muka SPI, jam perkongsian (SCK), dan pin input data (SDI). Pengawal SPI ATMEGA328P mampu mengendalikan pelbagai peranti dengan menggerakkan pin pilih chip (CS atau CE) yang berasingan. Ia dirancang sedemikian rupa dalam projek ini, di mana cip SPI membolehkan pin disambungkan ke pin mikrokontroler yang terpisah. PT2399 dan LM386 disambungkan ke bekalan 5V, jadi kami tidak perlu bimbang tentang ayunan voltan pada rangkaian resistor digipot di dalam IC (Ia sebahagian besarnya diliputi dalam lembar data, di bahagian julat tahap voltan pada perintang beralih dalaman).

Mikrokontroler: Seperti yang telah disebutkan, berdasarkan ATMEGA328P gaya Arduino, dengan kebutuhan komponen pasif tunggal - resistor pull-up (R17) pada pin reset. Penyambung 6-pin (J2) digunakan untuk pengaturcaraan peranti melalui pengaturcara ISP USB melalui antara muka SPI (Ya, antara muka yang sama dengan digipots disambungkan). Semua pin disambungkan ke komponen yang sesuai, yang ditunjukkan dalam rajah skematik. Sangat disarankan untuk menambahkan kapasitor pintasan berhampiran pin bekalan kuasa 5V. Kapasitor yang anda lihat di dekat pin pengekod (C27, C28) digunakan untuk mengelakkan keadaan pengekod terpental pada pin ini.

LCD: Paparan kristal cecair dihubungkan dengan cara klasik dengan penghantaran data 4-bit dan tambahan dua pin untuk memasukkan data - Daftar pilih (RS) dan Aktifkan (E). LCD mempunyai kecerahan berterusan dan kontras berubah, yang dapat disesuaikan dengan pemangkas tunggal (R18).

Antara Muka Pengguna: Pengekod putar peranti mempunyai butang tekan SPST terbina dalam, di mana semua sambungannya terikat pada pin mikrokontroler yang dijelaskan. Sebaiknya pasangkan resistor tarik ke pin setiap pengekod: A, B dan SW, dan bukannya menggunakan pull-up dalaman. Pastikan pin pengekod A dan B disambungkan ke pin gangguan luaran mikrokontroler: INT0 dan INT1 untuk mematuhi kod dan kebolehpercayaan peranti semasa menggunakan komponen pengekod.

Penyambung JST dan Blok Terminal: Setiap litar analog: penguat pra, penguat kelewatan dan kuasa diasingkan pada papan pematerian dan disambungkan dengan kabel di antara Blok Terminal. Encoder dan LCD dilampirkan ke kabel JST dan disambungkan ke papan pematerian melalui Penyambung JST seperti yang dijelaskan di atas. Input bicu bekalan kuasa luaran dan input gitar mono jack 1/4 disambungkan melalui blok terminal.

Langkah 4: Pematerian

Selepas persiapan ringkas, perlu dibayangkan penempatan tepat semua komponen di papan tulis. Adalah lebih baik untuk memulakan proses pematerian dari penguat pra, dan menyelesaikan dengan semua litar digital.

Berikut adalah penerangan langkah demi langkah:

1. Litar pra-penguat pateri. Periksa sambungannya. Pastikan garis bawah dikongsi pada semua garisan yang sesuai.

2. Solder PT2399 modul / IC dengan semua litar periferal, mengikut rajah skematik. Oleh kerana saya telah menyolder keseluruhan litar penundaan, anda dapat melihat bahawa terdapat banyak talian kongsi yang mampu disolder dengan mudah mengikut setiap fungsi pin PT2399. Sekiranya anda mempunyai modul PT2399, kemudian hentikan garis potensiometer putar dan jalur bersih potensiometer digital solder ke pin bebas ini.

3. Modul solder TDA2030A, pastikan penyambung output pembesar suara menghadap ke tengah di luar papan.

4. Litar bekalan kuasa pateri. Letakkan kapasitor pintasan mengikut gambarajah skematik.

5. Litar Mikrokontroler pemateri dengan penyambung pengaturcaraannya. Cuba memprogramnya, pastikan ia tidak gagal dalam prosesnya.

6. Potensiometer digital pateri

7. Pateri semua penyambung JST di kawasan mengikut setiap sambungan talian.

8. Nyalakan papan, jika anda mempunyai penjana fungsi dan osiloskop, periksa setiap tindak balas litar analog ke isyarat input langkah demi langkah (disyorkan: 200mVpp, 1KHz).

9. Periksa tindak balas litar pada penguat kuasa dan litar tertunda / modul secara berasingan.

10. Sambungkan pembesar suara ke output penguat kuasa dan penjana isyarat ke input, pastikan anda mendengar nada.

11. Sekiranya semua ujian yang kami jalankan berjaya, kami dapat melanjutkan ke langkah pemasangan.

Langkah 5: Perhimpunan

Mungkin ini adalah bahagian paling sukar dari sudut pandang pendekatan teknikal, kecuali ada beberapa alat berguna untuk memotong kayu dalam stok anda. Saya mempunyai sekumpulan instrumen yang sangat terhad, jadi saya terpaksa menggunakan cara yang sukar - memotong kotak secara manual dengan fail penggiling. Mari merangkumi langkah-langkah penting:

1. Menyiapkan kotak:

1.1 Pastikan anda mempunyai penutup kayu dengan dimensi yang sesuai dengan pembesar suara dan papan elektronik.

1.2 Potong kawasan untuk pembesar suara, sangat disarankan untuk memasang bingkai getah busa ke kawasan pemotong pembesar suara untuk mengelakkan getaran resonans.

1.3 Potong bingkai kayu yang berasingan untuk antara muka pengguna (LCD dan pengekod). Potong kawasan yang sesuai untuk LCD, pastikan arah LCD tidak terbalik ke pandangan kandang depan. Setelah ini selesai, gerudi lubang untuk pengekod putar. Kencangkan penyihir LCD 4 skru penggerudian dan pengekod putar dengan mur logam yang sesuai.

1.4 Letakkan getah busa pada bingkai kayu antara muka pengguna di seluruh perimeternya. Ini akan membantu mengelakkan nota bergema juga.

1.5 Cari di mana papan elektronik akan berada, kemudian gerudi 4 lubang pada kandang kayu

1.6 Sediakan sisi, di mana bicu input bekalan kuasa luaran DC dan input gitar 1/4 akan berada, gerudi dua lubang dengan diameter yang sesuai. Pastikan penyambung ini mempunyai pinout yang sama dengan papan elektronik (iaitu kekutuban). Selepas itu, pateri dua pasang wayar untuk setiap input.

2. Menyambungkan bahagian:

2.1 Pasangkan pembesar suara ke kawasan yang dipilih, pastikan dua wayar disambungkan ke pin pembesar suara dengan 4 skru penggerudian.

2.2 Pasang panel antara muka pengguna di bahagian kandang yang dipilih. Jangan lupa getah busa.

2.3 Sambungkan semua litar bersama melalui blok terminal

2.4 Sambungkan LCD dan pengekod ke papan melalui penyambung JST.

2.5 Sambungkan pembesar suara ke output modul TDA2030A.

2.6 Sambungkan input kuasa dan gitar ke blok terminal papan.

2.7 Cari papan pada kedudukan lubang yang digerudi, pasangkan papan dengan 4 skru penggerudian dari luar kandang kayu.

2.8 Pasangkan semua bahagian penutup kayu sehingga semuanya kelihatan seperti kotak yang kukuh.

Langkah 6: Pengaturcaraan dan Kod

Kod peranti mematuhi peraturan keluarga mikrokontroler AVR dan mematuhi ATMEGA328P MCU. Kodnya ditulis di Atmel Studio tetapi ada peluang untuk memprogram papan Arduino dengan Arduino IDE yang memiliki MCU ATMEGA328P yang sama. Mikrokontroler mandiri dapat diprogramkan melalui penyesuai debug USB sesuai dengan Atmel Studio atau melalui pengaturcara USP ISP, yang dapat dibeli dari eBay. Perisian pengaturcaraan yang biasanya digunakan adalah AVRdude, tetapi saya lebih suka perisian ProgISP - USB ISP Programming yang ringkas dengan antara muka pengguna yang sangat mesra.

Semua penjelasan yang diperlukan mengenai kod, boleh didapati di fail Amplifice.c yang dilampirkan.

Fail Amplifice.hex yang dilampirkan boleh dimuat terus ke peranti jika sesuai dengan rajah skematik yang telah kita amati sebelumnya.

Langkah 7: Menguji

Nah, setelah semua yang kita mahukan selesai, inilah masanya untuk ujian. Saya lebih suka menguji peranti dengan gitar murah kuno saya dan litar kawalan nada pasif sederhana yang saya buat bertahun-tahun yang lalu tanpa sebab. Peranti diuji juga dengan pemproses kesan digital dan analog. Tidak terlalu hebat PT2399 memiliki RAM yang kecil untuk menyimpan sampel audio yang digunakan dalam urutan tunda, ketika waktu antara sampel gema terlalu besar, gema menjadi digital dengan kehilangan bit peralihan yang besar, yang dianggap sebagai penyimpangan isyarat. Tetapi distorsi "digital" yang kita dengar, mungkin berguna sebagai kesan sampingan positif dari operasi peranti. Semuanya bergantung pada aplikasi yang ingin anda buat dengan peranti ini (yang entah bagaimana saya memanggil "Amplifice V1.0").

Semoga anda mendapat petunjuk yang berguna ini.

Terima kasih untuk membaca!