Amplificador de guitarra de 18 W controlado digitalmente: 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Hace un par de años, construí un amplificador de guitarra de 5W, que era una especie de solución para mi sistema de audio en ese momento, y recientemente decidí construir uno nuevo mucho más poderoso y sin el uso de componentes analógicos para la interfaz de usuario. como potenciómetros giratorios e interruptores de palanca.

El amplificador de guitarra de 18 vatios controlado digitalmente es un amplificador de guitarra mono de 18 vatios controlado digitalmente con un accesorio de sistema de efecto de retardo y una elegante pantalla de cristal líquido, que proporciona información exacta de lo que está sucediendo en el circuito.

Las características del proyecto:

• Control totalmente digital: la entrada de la interfaz de usuario es un codificador rotatorio con un interruptor incorporado.
• ATMEGA328P: Es un microcontrolador (usado como sistema similar a Arduino): Todos los parámetros ajustables son controlados programáticamente por el usuario.
• LCD: actúa como una salida de interfaz de usuario, por lo que los parámetros del dispositivo como ganancia / volumen / profundidad de retardo / tiempo de retardo se pueden observar con gran aproximación.
• Potenciómetros digitales: se utilizan en los subcircuitos, lo que hace que el control del dispositivo sea completamente digital.
• Sistema en cascada: cada circuito en el sistema predefinido es un sistema separado que comparte solo líneas de suministro de energía, capaz de solucionar problemas relativamente fácil en caso de fallas.
• Preamplificador: Basado en el circuito integrado LM386, con un diseño esquemático muy simple y requisitos mínimos de piezas.
• Circuito de efecto de retardo: se basa en el circuito integrado PT2399, se puede comprar en eBay como un IC separado (yo mismo diseñé todo el circuito de retardo) o se puede utilizar como un módulo completo con capacidad para sustituir potenciómetros giratorios con botes digitales.
• Amplificador de potencia: Se basa en el módulo TDA2030, que ya contiene todos los circuitos periféricos para su funcionamiento.
• Fuente de alimentación: el dispositivo funciona con una fuente de alimentación externa de 19 V CC para computadora portátil antigua, por lo que el dispositivo contiene un módulo CC-CC reductor como prerregulador para el LM7805, lo que lo hace disipar mucho menos calor durante el uso de energía del dispositivo.

Una vez que hayamos cubierto toda la información breve, ¡construyémosla!

Paso 1: la idea

Como puede ver en el diagrama de bloques, el dispositivo funciona como un enfoque clásico para el diseño del amplificador de guitarra con ligeras variaciones en el circuito de control y la interfaz de usuario. Hay un total de tres grupos de circuitos sobre los que ampliaremos: Analógico, digital y fuente de alimentación, donde cada grupo consta de subcircuitos separados (el tema se explicará bien en los pasos siguientes). Para facilitar la comprensión de la estructura del proyecto, expliquemos esos grupos:

1. Parte analógica: Los circuitos analógicos se encuentran en la mitad superior del diagrama de bloques, como se puede ver arriba. Esta parte se encarga de todas las señales que pasan por el dispositivo.

El conector de 1/4 es una entrada mono de guitarra de un dispositivo y se encuentra en el límite entre la caja y el circuito electrónico soldado.

La siguiente etapa es un preamplificador, basado en el circuito integrado LM386, que es extremadamente fácil de usar en tales aplicaciones de audio. El LM386 se alimenta 5V DC desde la fuente de alimentación principal, donde sus parámetros, ganancia y volumen, se controlan mediante potenciómetros digitales.

La tercera etapa es un amplificador de potencia, basado en el circuito integrado TDA2030, alimentado por una fuente de alimentación externa de 18 ~ 20 V CC. En este proyecto, la ganancia que se selecciona en el amplificador de potencia permanece constante durante todo el tiempo de funcionamiento. Dado que el dispositivo no es un solo PCB envuelto, se recomienda usar el módulo ensamblado TDA2030A y conectarlo al prototipo de la barra conectando solo los pines de E / S y de la fuente de alimentación.

2. Parte digital: los circuitos digitales se encuentran en la mitad inferior del diagrama de bloques. Se encargan de la interfaz de usuario y el control de parámetros analógicos como el tiempo de retardo / profundidad, volumen y ganancia.

El codificador con interruptor SPST incorporado se define como una entrada de control del usuario. Dado que está ensamblado como una sola pieza, la única necesidad para un funcionamiento adecuado es conectar resistencias pull-up programática o físicamente (lo veremos en el paso de esquemas).

El microprocesador como "cerebro principal" en el circuito es ATMEGA328P, que se utiliza en estilo Arduino en este dispositivo. Es el dispositivo que tiene todo el poder digital sobre los circuitos y ordena todo lo que se debe hacer. La programación se realiza a través de la interfaz SPI, por lo que podemos usar cualquier programador ISP USB apropiado o depurador AVR comprado. En el caso de que desee utilizar Arduino como microcontrolador en el circuito, esto es posible compilando el código C adjunto que está presente en el paso de programación.

Los potenciómetros digitales son un par de circuitos integrados dobles controlados a través de la interfaz SPI por microcontrolador, con un número total de 4 potenciómetros para un control total de todos los parámetros:

LCD es una salida de interfaz de usuario que nos permite saber qué está sucediendo dentro de la caja. En este proyecto utilicé probablemente la pantalla LCD 16x2 más popular entre los usuarios de Arduino.

3. Fuente de alimentación: La fuente de alimentación se encarga de dar energía (voltaje y corriente) a todo el sistema. Dado que el circuito del amplificador de potencia se alimenta directamente desde un adaptador de computadora portátil externo y todos los circuitos restantes se alimentan con 5 V CC, es necesario un regulador lineal o reductor CC-CC. En el caso de poner un regulador lineal de 5V conectándolo al 20V externo, cuando la corriente pasa por el regulador lineal a la carga, una gran cantidad de calor se disipa en el regulador de 5V, no queremos eso. Entonces, entre la línea de 20V y el regulador lineal de 5V (LM7805), hay un convertidor reductor DC-DC de 8V, que actúa como un prerregulador. Dicho accesorio evita una gran disipación en el regulador lineal, cuando la corriente de carga alcanza valores altos.

Paso 2: Partes e instrumentos

Partes electronicas:

1. Módulos:

• PT2399 - Módulo IC de eco / retardo.
• LM2596 - Módulo DC-DC reductor
• TDA2030A - Módulo amplificador de potencia de 18 W
• 1602A - LCD común de 16x2 caracteres.
• Codificador rotatorio con interruptor SPST integrado.

2. Circuitos integrados:

• LM386 - Amplificador de audio mono.
• LM7805 - Regulador lineal 5V.
• MCP4261 / MCP42100 - Potenciómetros digitales duales de 100KOhm
• ATMEGA328P - Microcontrolador

3. Componentes pasivos:

A. Condensadores:

• 5 x 10 uF
• 2 x 470uF
• 1 x 100 uF
• 3 x 0,1 uF

B. Resistencias:

• 1 x 10R
• 4 x 10K

C. Potenciómetro:

1 x 10K

(Opcional) Si no está utilizando el módulo PT2399 y está interesado en construir el circuito usted mismo, se requieren estas piezas:

• PT2399
• 1 x resistencia de 100 K
• Condensador de 2 x 4.7uF
• Condensador 2 x 3.9nF
• Resistencia de 2 x 15K
• Resistencia de 5 x 10K
• 1 x resistencia de 3,7 K
• Condensador 1 x 10uF
• Condensador 1 x 10nF
• 1 x resistencia de 5,6 K
• Condensador 2 x 560pF
• Condensador 2 x 82nF
• Condensador 2 x 100nF
• 1 x condensador 47uF

4. Conectores:

• 1 conector jack mono de 1/4"
• 7 x bloques de terminales dobles
• 1 x conector de fila hembra de 6 pines
• 3 conectores JST de 4 pines
• 1 x conector de alimentación macho

Partes mecánicas:

• Altavoz con aceptación de potencia igual o superior a 18W
• Recinto de madera
• Marco de madera para corte de interfaz de usuario (para LCD y codificador rotatorio).
• Goma de espuma para áreas de altavoces y UI
• 12 tornillos para taladrar las piezas
• 4 x tornillos y tuercas de fijación para marco LCD
• 4 patas de goma para oscilaciones constantes del dispositivo (el ruido mecánico de resonancia es algo común en el diseño del amplificador).
• Perilla para codificador rotatorio

Instrumentos:

• Destornillador electrico
• Pistola de pegamento caliente (si es necesario)
• (Opcional) Fuente de alimentación de laboratorio
• (Opcional) Osciloscopio
• (Opcional) Generador de funciones
• Soldador / estación
• Cortador pequeño
• Pinza pequeña
• Estaño para soldar
• Pinzas
• Envoltura de alambre
• Brocas de perforación
• Sierra de tamaño pequeño para cortar madera
• Cuchillo
• Lima de molienda

Paso 3: Explicación de los esquemas

Dado que estamos familiarizados con el diagrama de bloques del proyecto, podemos pasar a los esquemas, teniendo en cuenta todo lo que necesitamos saber sobre el funcionamiento del circuito:

Circuito de preamplificador: LM386 se conecta con una consideración mínima de piezas, sin necesidad de utilizar componentes pasivos externos. En el caso de que desee cambiar la respuesta de frecuencia a la entrada de la señal de audio, como refuerzo de graves o control de tono, puede consultar la hoja de datos del LM386, hablando de eso, no afectará el diagrama esquemático de este dispositivo, excepto los ligeros cambios en las conexiones del preamplificador.. Dado que estamos utilizando una única fuente de 5 V CC para el IC, se debe agregar un condensador de desacoplamiento (C5) a la salida del IC para la eliminación de CC de la señal. Como se puede ver, el pin de señal del conector de 1/4 (J1) está conectado al pin 'A' del digipot, y la entrada no inversora LM386 está conectada al pin 'B' del digitpot, por lo que tenemos un simple divisor de voltaje, controlado por microcontrolador a través de la interfaz SPI.

Circuito de efecto de retardo / eco: este circuito se basa en el IC de efecto de retardo PT2399. Este circuito parece complicado de acuerdo con su hoja de datos, y es muy fácil confundirse con soldarlo por completo. Se recomienda comprar el módulo PT2399 completo que ya está ensamblado, y lo único que se debe hacer es desoldar los potenciómetros giratorios del módulo y conectar las líneas de digipot (Wiper, 'A' y 'B'). He usado una referencia de hoja de datos para el diseño del efecto de eco, con digipots adjuntos a la selección del período de tiempo de las oscilaciones y al volumen de la señal de retroalimentación (lo que deberíamos llamar - "profundidad"). La entrada del circuito de retardo, conocida como línea DELAY_IN, está conectada a la salida del circuito del preamplificador. No se menciona en los esquemas porque quería hacer que todos los circuitos compartieran solo líneas eléctricas, y las líneas de señal están conectadas con cables externos. "¡Qué no conveniente!", Puede pensar, pero la cuestión es que, cuando se construye un circuito de procesamiento analógico, es mucho más fácil solucionar parte por parte de cada circuito en el proyecto. Se recomienda agregar condensadores de derivación al pin de la fuente de alimentación de 5 V CC, debido a su área ruidosa.

Fuente de alimentación: el dispositivo se alimenta a través de un conector de alimentación externo mediante un adaptador de 20 V 2 A CA / CC. Encontré que la mejor solución para reducir una gran cantidad de disipación de energía en un regulador lineal en forma de calor es agregar un convertidor reductor de CC-CC de 8 V (U10). LM2596 es un convertidor de dinero utilizado en muchas aplicaciones y popular entre los usuarios de Arduino, que cuesta menos de 1 $ en eBay. Sabemos que el regulador lineal tiene una caída de voltaje en su rendimiento (en el caso del 7805, la aproximación teórica es de alrededor de 2,5 V), por lo que hay un espacio seguro de 3 V entre la entrada y la salida del LM7805. No se recomienda descuidar el regulador lineal y conectar el lm2596 directamente a la línea de 5 V, debido al ruido de conmutación, cuya ondulación de voltaje puede afectar la estabilidad de potencia de los circuitos.

Amplificador de potencia: es tan simple como parece. Como he usado un módulo TDA2030A en este proyecto, el único requisito es conectar los pines de alimentación y las líneas de E / S del amplificador de potencia. Como se mencionó anteriormente, la entrada del amplificador de potencia se conecta a la salida del circuito de retardo a través de un cable externo mediante conectores. El altavoz que se utiliza en el dispositivo se conecta a la salida del amplificador de potencia a través de un bloque de terminales dedicado.

Potenciómetros digitales: probablemente los componentes más importantes de todo el dispositivo, lo que lo hace capaz de ser controlado digitalmente. Como puede ver, hay dos tipos de botes digitales: MCP42100 y MCP4261. Comparten el mismo pinout pero difieren en la comunicación. Solo tengo dos últimos botes digitales en mi stock cuando construí este proyecto, así que solo usé lo que tenía, pero recomiendo usar dos botes digitales del mismo tipo, ya sea MCP42100 o MCP4261. Cada digipot está controlado por una interfaz SPI, un reloj compartido (SCK) y pines de entrada de datos (SDI). El controlador SPI del ATMEGA328P es capaz de manejar múltiples dispositivos mediante la activación de pines de selección de chip separados (CS o CE). Está diseñado de esa manera en este proyecto, donde los pines de habilitación del chip SPI están conectados a pines separados del microcontrolador. PT2399 y LM386 están conectados a un suministro de 5 V, por lo que no tenemos que preocuparnos por el cambio de voltaje en la red de resistencias digipot dentro de los circuitos integrados (se trata en gran parte en la hoja de datos, en la sección de rango de nivel de voltaje en resistencias de conmutación internas).

Microcontrolador: Como se mencionó, basado en un ATMEGA328P estilo Arduino, con la necesidad de un solo componente pasivo - resistencia pull-up (R17) en el pin de reinicio. El conector de 6 pines (J2) se utiliza para la programación de dispositivos a través del programador ISP USB a través de la interfaz SPI (Sí, la misma interfaz a la que están conectados los botes digitales). Todos los pines están conectados a los componentes apropiados, que se presentan en el diagrama esquemático. Se recomienda encarecidamente agregar condensadores de derivación cerca de los pines de la fuente de alimentación de 5 V. Los condensadores que ve cerca de los pines del codificador (C27, C28) se utilizan para evitar que el estado del codificador rebote en estos pines.

LCD: la pantalla de cristal líquido está conectada de forma clásica con transmisión de datos de 4 bits y dos pines adicionales para enganchar los datos: selección de registro (RS) y habilitación (E). La pantalla LCD tiene un brillo constante y un contraste variable, que se puede ajustar con un solo trimmer (R18).

Interfaz de usuario: el codificador rotatorio del dispositivo tiene un botón pulsador SPST incorporado, donde todas sus conexiones están vinculadas a los pines del microcontrolador descritos. Se recomienda conectar una resistencia pull-up al pin de cada codificador: A, B y SW, en lugar de usar pull-up interno. Asegúrese de que los pines A y B del codificador estén conectados a los pines de interrupción externos del microcontrolador: INT0 e INT1 para conformar el código del dispositivo y la confiabilidad al usar el componente del codificador.

Conectores y bloques de terminales JST: Cada circuito analógico: el preamplificador, el retardo y el amplificador de potencia están aislados en la placa soldada y están conectados con cables entre los bloques de terminales. El codificador y la pantalla LCD están conectados a los cables JST y conectados a la placa soldada a través de conectores JST como se describe anteriormente. La entrada de jack de fuente de alimentación externa y la entrada de guitarra de jack mono de 1/4 se conectan a través de bloques de terminales.

Paso 4: soldadura

Después de una breve preparación, es necesario imaginar la ubicación precisa de todos los componentes en la placa. Se prefiere comenzar el proceso de soldadura desde el preamplificador y terminar con todos los circuitos digitales.

Aquí está la descripción paso a paso:

1. Circuito preamplificador de soldadura. Verifique sus conexiones. Asegúrese de que las líneas de tierra se compartan en todas las líneas apropiadas.

2. Suelde el módulo / IC PT2399 con todos los circuitos periféricos, de acuerdo con el diagrama esquemático. Como he soldado todo el circuito de retardo, puede ver que hay muchas líneas compartidas que pueden soldarse fácilmente de acuerdo con la función de cada pin PT2399. Si tiene un módulo PT2399, simplemente desolde los potenciómetros giratorios y suelde las líneas de red del potenciómetro digital a estos pines liberados.

3. Suelde el módulo TDA2030A, asegúrese de que el conector de salida del altavoz esté orientado hacia el exterior de la placa.

4. Circuito de alimentación de soldadura. Coloque los condensadores de derivación de acuerdo con el diagrama esquemático.

5. Suelde el circuito del microcontrolador con su conector de programación. Intente programarlo, asegúrese de que no falle en el proceso.

6. Potenciómetros digitales de soldadura

7. Suelde todos los conectores JST en las áreas de acuerdo con cada conexión de línea.

8. Encienda la placa, si tiene un generador de funciones y un osciloscopio, verifique la respuesta de cada circuito analógico a la señal de entrada paso a paso (recomendado: 200mVpp, 1KHz).

9. Verifique la respuesta del circuito en el amplificador de potencia y el circuito / módulo de retardo por separado.

10. Conecte el altavoz a la salida del amplificador de potencia y el generador de señal a la entrada, asegúrese de escuchar el tono.

11. Si todas las pruebas que hemos realizado son satisfactorias, podemos continuar con el paso de montaje.

Paso 5: Montaje

Probablemente esta sea la parte más difícil del proyecto desde el punto de vista del enfoque técnico, a menos que haya algunas herramientas útiles para cortar madera en su stock. Tenía un conjunto de instrumentos muy limitado, por lo que me vi obligado a tomar el camino más difícil: cortar la caja manualmente con una lima de pulir. Cubramos los pasos esenciales:

1. Preparando la caja:

1.1 Asegúrese de tener una caja de madera con las dimensiones adecuadas para el altavoz y la asignación de la placa electrónica.

1.2 Corte la región del altavoz; se recomienda encarecidamente colocar un marco de gomaespuma en el área de corte del altavoz para evitar vibraciones de resonancia.

1.3 Corte un marco de madera separado para la interfaz de usuario (LCD y codificador). Corte el área apropiada para la pantalla LCD, asegúrese de que la dirección de la pantalla LCD no esté invertida a la vista frontal del gabinete. Una vez completado esto, taladre un orificio para el codificador rotatorio. Fije la pantalla LCD con 4 tornillos de perforación y el codificador rotatorio con una tuerca metálica adecuada.

1.4 Coloque goma espuma en el marco de madera de la interfaz de usuario en todo su perímetro. Esto también ayudará a prevenir notas resonantes.

1.5 Ubique el lugar donde se ubicará la placa electrónica, luego taladre 4 orificios en la caja de madera

1.6 Prepare un lado, donde se ubicarán el conector de entrada de la fuente de alimentación externa de CC y la entrada de guitarra de 1/4 , perfore dos orificios con los diámetros adecuados. Asegúrese de que estos conectores compartan el mismo pinout que la placa electrónica (es decir, polaridad). Después de eso, suelde dos pares de cables para cada entrada.

2. Conexión de las piezas:

2.1 Conecte el altavoz al área seleccionada, asegúrese de que dos cables estén conectados a las clavijas del altavoz con 4 tornillos perforadores.

2.2 Coloque el panel de interfaz de usuario en el lado seleccionado del gabinete. No olvide la gomaespuma.

2.3 Conecte todos los circuitos juntos a través de bloques de terminales

2.4 Conecte la pantalla LCD y el codificador a la placa mediante conectores JST.

2.5 Conecte el altavoz a la salida del módulo TDA2030A.

2.6 Conecte las entradas de energía y de guitarra a los bloques de terminales de la placa.

2.7 Ubique la tabla en la posición de los orificios perforados, fije la tabla con 4 tornillos de perforación desde el exterior del gabinete de madera.

2.8 Coloque todas las piezas de la caja de madera juntas para que parezca una caja sólida.

Paso 6: Programación y código

El código del dispositivo obedece las reglas de la familia de microcontroladores AVR y cumple con ATMEGA328P MCU. El código está escrito en Atmel Studio, pero existe la oportunidad de programar la placa Arduino con Arduino IDE que tiene el mismo MCU ATMEGA328P. El microcontrolador independiente se puede programar a través del adaptador de depuración USB de acuerdo con Atmel Studio o mediante el programador ISP de USP, que se puede comprar en eBay. El software de programación que se usa comúnmente es AVRdude, pero yo prefiero un ProgISP, un software de programación ISP USB simple con una interfaz de usuario muy amigable.

Toda la explicación necesaria sobre el código se puede encontrar en el archivo Amplifice.c adjunto.

El archivo Amplifice.hex adjunto se puede cargar directamente en el dispositivo si se ajusta completamente al diagrama esquemático que hemos estado observando anteriormente.

Paso 7: prueba

Bueno, después de que todo lo que queríamos esté hecho, es hora de probar. Preferí probar el dispositivo con mi antigua guitarra barata y un circuito de control de tono pasivo simple que construí hace años sin ningún motivo. El dispositivo se prueba también con procesadores de efectos digitales y analógicos. No es demasiado bueno que PT2399 tenga una RAM tan pequeña para almacenar muestras de audio utilizadas en secuencias de retardo, cuando el tiempo entre muestras de eco es demasiado grande, el eco se digitaliza con una gran pérdida de bits de transición, lo que se considera una distorsión de la señal. Pero esa distorsión "digital" que escuchamos, puede ser útil como un efecto secundario positivo del funcionamiento del dispositivo. Todo depende de la aplicación que quieras hacer con este dispositivo (que de alguna manera llamé "Amplifice V1.0" por cierto).

Espero que encuentre útil este instructivo.

¡Gracias por leer!