Bộ khuếch đại để bàn với hình ảnh âm thanh, đồng hồ nhị phân & bộ thu FM: 8 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Tôi thích bộ khuếch đại và hôm nay, tôi sẽ chia sẻ bộ khuếch đại để bàn công suất thấp mà tôi đã thực hiện gần đây. Bộ khuếch đại tôi thiết kế có một số tính năng thú vị. Nó có một đồng hồ nhị phân tích hợp và có thể cung cấp thời gian và ngày tháng và nó có thể trực quan hóa âm thanh thường được gọi là bộ phân tích phổ âm thanh. Bạn có thể sử dụng nó như bộ thu FM hoặc máy nghe nhạc MP3. Nếu bạn thích bộ khuếch đại đồng hồ của tôi thì hãy làm theo các bước dưới đây để tạo bản sao của riêng bạn.

Bước 1: Mẹo thiết kế bộ khuếch đại tốt

Thiết kế một mạch âm thanh chất lượng tốt không có tạp âm thực sự khó ngay cả đối với một nhà thiết kế có kinh nghiệm. Vì vậy, bạn nên làm theo một số mẹo để làm cho thiết kế của bạn tốt hơn.

Quyền lực

Bộ khuếch đại loa thường được cấp nguồn trực tiếp từ điện áp của hệ thống chính và yêu cầu dòng điện tương đối cao. Điện trở trong dấu vết sẽ dẫn đến sụt áp làm giảm điện áp cung cấp của bộ khuếch đại và lãng phí điện năng trong hệ thống. Điện trở dấu vết cũng làm cho các dao động bình thường của dòng điện cung cấp chuyển thành các dao động của điện áp. Để tối đa hóa hiệu suất, hãy sử dụng các dấu vết rộng ngắn cho tất cả các bộ nguồn của bộ khuếch đại.

Nối đất

Tiếp đất đóng một vai trò quan trọng nhất trong việc xác định xem hệ thống có đạt được tiềm năng của thiết bị hay không. Một hệ thống được nối đất kém có thể sẽ có độ nhạy cao, nhiễu, xuyên âm và tần số vô tuyến cao. Mặc dù người ta có thể đặt câu hỏi nên dành bao nhiêu thời gian cho việc nối đất hệ thống, nhưng một sơ đồ nối đất được thiết kế cẩn thận sẽ ngăn chặn một số lượng lớn các vấn đề xảy ra.

Mặt đất trong bất kỳ hệ thống nào phải phục vụ hai mục đích. Đầu tiên, nó là đường dẫn trở lại cho tất cả các dòng điện chạy đến một thiết bị. Thứ hai, nó là điện áp tham chiếu cho cả mạch kỹ thuật số và mạch tương tự. Nối đất sẽ là một bài tập đơn giản nếu điện áp tại tất cả các điểm của mặt đất có thể giống nhau. Trong thực tế, điều này là không thể. Tất cả các dây và vết đều có điện trở hữu hạn. Điều này có nghĩa là bất cứ khi nào có dòng điện chạy qua đất, sẽ có một sự sụt giảm điện áp tương ứng. Bất kỳ vòng dây nào cũng tạo thành cuộn cảm. Điều này có nghĩa là bất cứ khi nào dòng điện chạy từ pin đến tải và trở lại pin, đường dẫn dòng điện có một số điện cảm. Cảm kháng làm tăng trở kháng đất ở tần số cao.

Mặc dù thiết kế hệ thống mặt đất tốt nhất cho một ứng dụng cụ thể không phải là nhiệm vụ đơn giản, nhưng một số hướng dẫn chung vẫn áp dụng cho tất cả các hệ thống.

1. Thiết lập mặt đất liên tục cho mạch kỹ thuật số: Dòng điện kỹ thuật số trong mặt đất có xu hướng đi theo cùng một tuyến đường mà tín hiệu ban đầu đã lấy. Đường dẫn này tạo ra diện tích vòng lặp nhỏ nhất cho dòng điện, do đó giảm thiểu hiệu ứng ăng ten và điện cảm. Cách tốt nhất để đảm bảo rằng tất cả các dấu vết tín hiệu kỹ thuật số đều có một đường dẫn mặt đất tương ứng là thiết lập một mặt phẳng mặt đất liên tục trên lớp ngay sát lớp tín hiệu. Lớp này phải bao phủ cùng một khu vực với dấu vết tín hiệu kỹ thuật số và có càng ít gián đoạn trong tính liên tục của nó càng tốt. Tất cả các gián đoạn trong mặt đất, bao gồm cả vias, làm cho dòng đất chạy trong một vòng lớn hơn lý tưởng, do đó làm tăng bức xạ và tiếng ồn.
2. Giữ dòng điện nối đất riêng biệt: Dòng điện nối đất cho mạch kỹ thuật số và mạch tương tự phải được tách biệt để ngăn dòng điện kỹ thuật số gây nhiễu cho mạch tương tự. Cách tốt nhất để thực hiện điều này là thông qua vị trí thành phần chính xác. Nếu tất cả các mạch tương tự và kỹ thuật số được đặt trên các phần riêng biệt của PCB, các dòng nối đất sẽ tự nhiên bị cô lập. Để điều này hoạt động tốt, phần tương tự phải chỉ chứa các mạch tương tự trên tất cả các lớp của PCB.
3. Sử dụng kỹ thuật nối đất hình sao cho mạch tương tự: Bộ khuếch đại công suất âm thanh có xu hướng tạo ra dòng điện tương đối lớn có thể ảnh hưởng xấu đến cả tham chiếu nối đất của chính chúng và các tham chiếu nối đất khác trong hệ thống. Để ngăn chặn sự cố này, hãy cung cấp các đường trở lại dành riêng cho các mặt đất nguồn bộ khuếch đại cầu nối và đường trở đất cho giắc cắm tai nghe. Sự cô lập cho phép các dòng điện này chảy ngược trở lại pin mà không ảnh hưởng đến điện áp của các bộ phận khác trên mặt đất. Hãy nhớ rằng không nên định tuyến các đường dẫn trở về chuyên dụng này theo các dấu vết tín hiệu kỹ thuật số vì chúng có thể chặn các dòng điện trở lại kỹ thuật số.
4. Tối đa hóa hiệu quả của tụ điện rẽ nhánh: Gần như tất cả các thiết bị đều yêu cầu tụ điện rẽ nhánh để cung cấp dòng điện tức thời. Để giảm thiểu độ tự cảm giữa tụ điện và chân cấp nguồn của thiết bị, hãy đặt các tụ điện này càng gần chân nguồn mà chúng đang đi qua càng tốt. Bất kỳ độ tự cảm nào làm giảm hiệu quả của tụ điện rẽ nhánh. Tương tự, tụ điện phải được kết nối trở kháng thấp với mặt đất để giảm thiểu trở kháng tần số cao của tụ điện. Kết nối trực tiếp mặt đất của tụ điện với mặt đất, thay vì định tuyến nó qua một dấu vết.
5. Ngập tất cả khu vực PCB không sử dụng với đất: Bất cứ khi nào hai miếng đồng chạy gần nhau, một khớp nối điện dung nhỏ sẽ được hình thành giữa chúng. Bằng cách chạy lũ đất gần các dấu vết tín hiệu, năng lượng tần số cao không mong muốn trong các đường tín hiệu có thể được ngắt xuống đất thông qua khớp nối điện dung.

Cố gắng giữ nguồn điện, máy biến áp và các mạch kỹ thuật số ồn ào cách xa mạch âm thanh của bạn. Sử dụng kết nối đất riêng cho mạch âm thanh và tốt nhất là không sử dụng mặt đất cho mạch âm thanh. Kết nối đất (GND) của bộ khuếch đại âm thanh là rất quan trọng so với mặt đất của các bóng bán dẫn khác, IC, v.v., nếu có tiếng ồn đất giữa hai thì bộ khuếch đại sẽ xuất nó.

Cân nhắc cấp nguồn cho các vi mạch quan trọng và bất kỳ thứ gì nhạy cảm bằng cách sử dụng điện trở 100R giữa chúng và + V. Bao gồm một tụ điện có kích thước phù hợp (ví dụ: 220uF) trên mặt IC của điện trở. Nếu IC sẽ kéo rất nhiều điện thì hãy đảm bảo điện trở có thể xử lý nó (chọn công suất đủ cao và cung cấp tản nhiệt bằng đồng PCB nếu cần) và lưu ý rằng sẽ có điện áp giảm trên điện trở.

Đối với các thiết kế dựa trên máy biến áp, bạn muốn các tụ điện chỉnh lưu càng gần chân bộ chỉnh lưu càng tốt và được kết nối qua các rãnh dày của riêng chúng do dòng sạc lớn ở điểm bắt đầu của sóng sin chỉnh lưu. Khi điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu vượt quá điện áp phân rã của tụ điện, nhiễu xung được tạo ra trong mạch sạc có thể được chuyển vào mạch âm thanh nếu chúng chia sẻ cùng một miếng đồng ở một trong hai đường dây điện. Bạn không thể loại bỏ dòng sạc xung nên tốt hơn hết là giữ tụ điện cục bộ với bộ chỉnh lưu cầu để giảm thiểu những xung năng lượng hiện tại cao này. Nếu bộ khuếch đại âm thanh ở gần bộ chỉnh lưu thì không đặt tụ điện lớn bên cạnh bộ khuếch đại để tránh tụ điện này gây ra sự cố này, nhưng nếu có một chút khoảng cách thì tốt nhất là bạn nên cung cấp cho bộ khuếch đại là tụ điện riêng vì nó bị nổi được sạc từ nguồn điện và cuối cùng có trở kháng tương đối cao do chiều dài của đồng.

Xác định vị trí và bộ điều chỉnh điện áp được sử dụng bởi mạch âm thanh gần bộ chỉnh lưu / đầu vào PSU và kết nối với các kết nối riêng của chúng.

Tín hiệu

Nếu có thể, hãy tránh các tín hiệu âm thanh vào và ra của IC chạy song song trên PCB vì điều này có thể gây ra dao động truyền từ đầu ra trở lại đầu vào. Hãy nhớ rằng chỉ 5mV có thể gây ra nhiều tiếng ồn!

Giữ mặt đất kỹ thuật số cách xa GND âm thanh và mạch âm thanh nói chung. Hum có thể được đưa vào âm thanh đơn giản từ các bản nhạc ở quá gần máy bay kỹ thuật số.

Khi giao tiếp với thiết bị khác, nếu cấp nguồn cho một số bảng mạch khác bao gồm mạch âm thanh (sẽ cung cấp hoặc nhận tín hiệu âm thanh), hãy đảm bảo chỉ có 1 điểm tại đó GND kết nối giữa 2 bảng và điều này lý tưởng là ở kết nối tín hiệu âm thanh tương tự chỉ trỏ.

Đối với các kết nối IO tín hiệu với các thiết bị khác / thế giới bên ngoài, lý tưởng tốt nhất là sử dụng điện trở 100R giữa mạch GND và GND thế giới bên ngoài cho mọi thứ (bao gồm cả các bộ phận kỹ thuật số của mạch) để dừng các vòng nối đất được tạo ra.

Tụ điện

Sử dụng chúng ở bất cứ đâu bạn muốn để tách biệt các phần với nhau. Giá trị sử dụng: - 220nF là thông thường, 100nF cũng được nếu bạn muốn giảm kích thước / chi phí, tốt nhất không nên xuống dưới 100nF.

Không sử dụng tụ gốm. Nguyên nhân là do tụ gốm sẽ tạo ra hiệu ứng áp điện đối với tín hiệu xoay chiều gây ra nhiễu. Sử dụng một số loại Poly - Polypropylene là tốt nhất nhưng bất kỳ loại nào cũng được. Đầu âm thanh thực sự cũng nói rằng không sử dụng điện phân trong dòng nhưng nhiều nhà thiết kế sử dụng mà không có vấn đề gì - điều này có thể dành cho các ứng dụng có độ tinh khiết cao không phải thiết kế âm thanh tiêu chuẩn chung.

Không sử dụng tụ tantali ở bất kỳ đâu trong đường dẫn tín hiệu âm thanh (một số nhà thiết kế có thể không đồng ý nhưng chúng có thể gây ra các vấn đề khủng khiếp)

Một chất thay thế thường được chấp nhận cho polycarbonate là PPS (Polyphenylene Sulphide).

Màng polycarbonate và màng polystyrene chất lượng cao và tụ teflon và tụ gốm NPO / COG có hệ số điện áp rất thấp của điện dung và do đó biến dạng rất thấp và kết quả rất rõ ràng khi sử dụng máy phân tích phổ cũng như tai nghe.

Tránh những chất điện môi gốm K cao, chúng có hệ số điện áp cao mà tôi đoán có thể dẫn đến một số biến dạng nếu chúng được sử dụng trong giai đoạn kiểm soát âm sắc.

Vị trí thành phần

Bước đầu tiên của bất kỳ thiết kế PCB nào là chọn vị trí đặt các thành phần. Nhiệm vụ này được gọi là "quy hoạch tầng". Vị trí thành phần cẩn thận có thể dễ dàng định tuyến tín hiệu và phân vùng mặt đất. Nó giảm thiểu tiếng ồn và diện tích bảng cần thiết.

Vị trí thành phần trong phần tương tự phải được chọn. Các thành phần phải được đặt để giảm thiểu khoảng cách mà tín hiệu âm thanh truyền đi. Đặt bộ khuếch đại âm thanh càng gần giắc cắm tai nghe và loa càng tốt. Việc định vị này sẽ giảm thiểu bức xạ EMI từ bộ khuếch đại loa Class D và giảm thiểu tính nhạy cảm với tiếng ồn của tín hiệu tai nghe biên độ thấp. Đặt các thiết bị cung cấp âm thanh analog càng gần bộ khuếch đại càng tốt để giảm thiểu hiện tượng nhiễu âm trên các đầu vào của bộ khuếch đại. Tất cả các dấu vết tín hiệu đầu vào sẽ hoạt động như ăng-ten đối với tín hiệu RF, nhưng việc rút ngắn dấu vết sẽ giúp giảm hiệu quả của ăng-ten đối với các tần số thường được quan tâm.

Bước 2: Bạn cần…

1. IC Khuếch đại âm thanh TEA2025B (ebay.com)

2. 6 cái Tụ điện 100uF (ebay.com)

3. 2 cái Tụ điện 470uF (ebay.com)

4. 2 chiếc Tụ điện 0.22uF

5. 2 chiếc Tụ gốm 0.15uF

6. Chiết áp điều khiển âm lượng kép (50 - 100K) (ebay.com)

7. 2 chiếc loa 4 ohm 2,5W

8. Mô-đun thu MP3 + FM (ebay.com)

9. Ma trận LED với IC điều khiển (Adafruit.com)

10. Bo mạch Vero & Một số dây.

11. Arduino UNO (Adafruit.com)

12. Mô-đun RTC DS1307 (Adafruit.com)

Bước 3: Tạo mạch khuếch đại

Theo sơ đồ mạch đính kèm, hàn toàn bộ các thành phần vào PCB. Sử dụng giá trị chính xác cho các tụ điện. Hãy cẩn thận về cực của các tụ điện. Cố gắng giữ tất cả các tụ điện càng gần IC càng tốt để giảm thiểu nhiễu. Hàn trực tiếp IC mà không cần sử dụng đế IC. Đảm bảo rằng bạn đã cắt các vết giữa hai mặt của IC khuếch đại. Tất cả các mối hàn phải hoàn hảo. Đây là mạch khuếch đại âm thanh, vì vậy hãy chuyên nghiệp về kết nối hàn đặc biệt là về mặt đất (GND).

Bước 4: Kiểm tra mạch với loa

Sau khi hoàn thành tất cả các kết nối và hàn, kết nối hai loa 4 ohm 2,5W vào mạch khuếch đại. Kết nối nguồn âm thanh với mạch và bật nguồn. Nếu mọi thứ suôn sẻ, bạn sẽ ở đây âm thanh không có tiếng ồn.

Tôi đã sử dụng IC khuếch đại âm thanh TEA2025B để khuếch đại âm thanh. Nó là một chip khuếch đại âm thanh tốt, hoạt động trong dải điện áp rộng (3 V đến 9 V). Vì vậy, bạn có thể kiểm tra nó với bất kỳ điện áp nào trong phạm vi. Tôi đang sử dụng bộ chuyển đổi 9V và đang hoạt động tốt. IC có thể hoạt động chế độ kết nối kép hoặc kết nối cầu. Để biết thêm chi tiết về chip khuếch đại, vui lòng kiểm tra biểu dữ liệu.

Bước 5: Chuẩn bị bảng mặt trước ma trận chấm

Để hiển thị tín hiệu âm thanh và hiển thị ngày giờ, tôi đặt một màn hình ma trận điểm ở mặt trước của hộp khuếch đại. Để thực hiện công việc một cách độc đáo, tôi đã sử dụng công cụ quay để cắt khung theo kích thước của ma trận. Nếu màn hình của bạn không có chip trình điều khiển tích hợp, hãy sử dụng một chip riêng biệt. Tôi thích ma trận màu Bi từ Adafruit. Sau khi chọn màn hình ma trận hoàn hảo, hãy điều chỉnh màn hình vào đế bằng keo nóng.

Chúng tôi sẽ kết nối nó với bảng Arduino sau. Màn hình hai màu từ Adafruit sử dụng giao thức i2c để giao tiếp với vi điều khiển. Vì vậy, chúng tôi sẽ kết nối SCL và chân SDA của IC trình điều khiển với bảng Arduino.

Bước 6: Lập trình với Arduino

Kết nối màn hình ma trận điểm Bi-color thông minh Adafruit như:

1. Kết nối chân 5V Arduino với chân + ma trận LED.
2. Kết nối chân Arduino GND với cả chân mic amp GND và chân ma trận LED.
3. Bạn có thể sử dụng đường sắt nguồn breadboard hoặc Arduino có sẵn nhiều chân GND. Kết nối chân 0 tương tự Arduino với chân tín hiệu âm thanh.
4. Kết nối các chân Arduino SDA và SCL tương ứng với chân ba lô ma trận D (dữ liệu) và C (đồng hồ).
5. Các bảng Arduino trước đây không bao gồm các chân SDA và SCL - thay vào đó, sử dụng các chân tương tự 4 và 5.
6. Tải lên chương trình đính kèm và kiểm tra xem nó có hoạt động hay không:

Bắt đầu bằng cách tải xuống kho lưu trữ Piccolo từ Github. Chọn nút “tải xuống ZIP”. Sau khi hoàn tất, hãy giải nén tệp ZIP kết quả trên ổ cứng của bạn. Sẽ có hai thư mục bên trong: “Piccolo” sẽ được chuyển vào thư mục sổ phác thảo Arduino thông thường của bạn. “Ffft” sẽ được chuyển vào thư mục “Libraries” Arduino của bạn (bên trong thư mục sketchbook - nếu không có, hãy tạo một thư viện). Nếu bạn chưa quen với việc cài đặt thư viện Arduino, hãy làm theo hướng dẫn này. Và không bao giờ cài đặt trong thư mục Thư viện liền kề với chính ứng dụng Arduino… vị trí thích hợp luôn là thư mục con của thư mục chính của bạn! Nếu bạn chưa cài đặt Thư viện ba lô LED Adafruit (để sử dụng ma trận LED), vui lòng tải xuống và cài đặt Sau khi đã định vị xong các thư mục và thư viện, hãy khởi động lại Arduino IDE và bản phác thảo “Piccolo” sẽ có sẵn từ menu File-> Sketchbook.

Khi mở bản phác thảo Piccolo, hãy chọn loại bảng Arduino và cổng nối tiếp của bạn từ menu Công cụ. Sau đó nhấp vào nút Tải lên. Sau một lúc, nếu mọi việc suôn sẻ, bạn sẽ thấy thông báo “Đã tải lên xong”. Nếu mọi thứ suôn sẻ, bạn sẽ thấy phổ âm thanh cho bất kỳ đầu vào âm thanh nào.

Nếu hệ thống của bạn hoạt động tốt, hãy tải lên bản phác thảo complete.ino kèm theo bước thêm đồng hồ nhị phân với hình ảnh âm thanh. Đối với bất kỳ đầu vào âm thanh nào, loa sẽ hiển thị phổ âm thanh nếu không, loa sẽ hiển thị ngày và giờ.

Bước 7: Sửa chữa tất cả mọi thứ cùng nhau

Bây giờ, gắn mạch khuếch đại bạn đã xây dựng ở giai đoạn trước vào hộp bằng keo nóng. Làm theo các hình ảnh đính kèm với bước này.

Sau khi kết nối mạch khuếch đại, bây giờ kết nối mô-đun thu MP3 + FM vào hộp. Trước khi cố định nó bằng keo, hãy kiểm tra để đảm bảo rằng nó đang hoạt động. Nếu nó hoạt động tốt, hãy sửa nó bằng keo. Đầu ra âm thanh của mô-đun MP3 phải được kết nối với đầu vào của mạch khuếch đại.

Bước 8: Kết nối nội bộ và sản phẩm cuối cùng

Nếu loa nhận và tín hiệu âm thanh, nó sẽ hiển thị phổ âm thanh, ngược lại sẽ hiển thị ngày và giờ ở định dạng nhị phân BCD. Nếu bạn thích lập trình và công nghệ kỹ thuật số, thì tôi chắc chắn rằng bạn thích hệ nhị phân. Tôi thích nhị phân và đồng hồ nhị phân. Trước đây tôi đã làm một chiếc đồng hồ đeo tay nhị phân và định dạng thời gian giống hệt như chiếc đồng hồ trước đây của tôi. Vì vậy, để minh họa về định dạng thời gian, tôi đã thêm hình ảnh trước đó của chiếc đồng hồ của mình mà không tạo ra hình ảnh khác.

Cảm ơn.

Giải tư cuộc thi Mạch năm 2016

Giải nhất cuộc thi Amps and Speakers 2016