Amplificador de escritorio con visualización de audio, reloj binario y receptor de FM: 8 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Me gustan los amplificadores y hoy, compartiré mi amplificador de escritorio de baja potencia que hice recientemente. El amplificador que diseñé tiene algunas características interesantes. Tiene un reloj binario integrado y puede dar la hora y la fecha y puede visualizar audio, a menudo llamado analizador de espectro de audio. Puede utilizarlo como receptor de FM o reproductor de MP3. Si le gusta mi amplificador de reloj, siga los pasos a continuación para hacer su propia copia.

Paso 1: buenos consejos para el diseño de amplificadores

Diseñar un circuito de audio de buena calidad sin ruido es realmente difícil, incluso para un diseñador experimentado. Por lo tanto, debes seguir algunos consejos para mejorar tu diseño.

Poder

Los amplificadores de altavoz generalmente se alimentan directamente del voltaje del sistema principal y requieren una corriente relativamente alta. La resistencia en la traza dará como resultado caídas de voltaje que reducen el voltaje de suministro del amplificador y desperdician energía en el sistema. La traza de resistencia también hace que las fluctuaciones normales en la corriente de suministro se conviertan en fluctuaciones de voltaje. Para maximizar el rendimiento, utilice trazos anchos y cortos para todas las fuentes de alimentación del amplificador.

Toma de tierra

La conexión a tierra desempeña el papel más importante a la hora de determinar si el sistema logra el potencial del dispositivo. Un sistema mal conectado a tierra probablemente tendrá alta distorsión, ruido, diafonía y susceptibilidad a RF. Aunque uno puede preguntarse cuánto tiempo se debe dedicar a la puesta a tierra del sistema, un esquema de puesta a tierra cuidadosamente diseñado evita que ocurran una gran cantidad de problemas.

El suelo en cualquier sistema debe tener dos propósitos. Primero, es la ruta de retorno para todas las corrientes que fluyen hacia un dispositivo. En segundo lugar, es el voltaje de referencia para circuitos digitales y analógicos. La conexión a tierra sería un ejercicio simple si el voltaje en todos los puntos de la tierra pudiera ser el mismo. En realidad, esto no es posible. Todos los cables y trazas tienen una resistencia finita. Esto significa que siempre que haya corriente fluyendo a través del suelo, habrá una caída de voltaje correspondiente. Cualquier bucle de alambre también forma un inductor. Esto significa que siempre que la corriente fluye de la batería a una carga y de regreso a la batería, la ruta de la corriente tiene cierta inductancia. La inductancia aumenta la impedancia de tierra a altas frecuencias.

Si bien diseñar el mejor sistema de tierra para una aplicación en particular no es una tarea sencilla, algunas pautas generales se aplican a todos los sistemas.

1. Establezca un plano de tierra continuo para circuitos digitales: la corriente digital en el plano de tierra tiende a seguir la misma ruta que tomó la señal original. Esta ruta crea el área de bucle más pequeña para la corriente, minimizando así los efectos de la antena y la inductancia. La mejor manera de asegurarse de que todas las trazas de señales digitales tengan una ruta de tierra correspondiente es establecer un plano de tierra continuo en la capa inmediatamente adyacente a la capa de señal. Esta capa debe cubrir la misma área que la traza de la señal digital y tener la menor cantidad posible de interrupciones en su continuidad. Todas las interrupciones en el plano de tierra, incluidas las vías, hacen que la corriente de tierra fluya en un bucle más grande de lo ideal, lo que aumenta la radiación y el ruido.
2. Mantenga las corrientes de tierra separadas: las corrientes de tierra de los circuitos digitales y analógicos deben estar separadas para evitar que las corrientes digitales agreguen ruido a los circuitos analógicos. La mejor manera de lograr esto es mediante la colocación correcta de los componentes. Si todos los circuitos analógicos y digitales se colocan en partes separadas de la PCB, las corrientes de tierra estarán naturalmente aisladas. Para que esto funcione bien, la sección analógica debe contener solo circuitos analógicos en todas las capas de la PCB.
3. Utilice la técnica de puesta a tierra en estrella para circuitos analógicos: los amplificadores de potencia de audio tienden a generar corrientes relativamente grandes que pueden afectar negativamente tanto a su propia referencia como a otras referencias a tierra en el sistema. Para evitar este problema, proporcione rutas de retorno dedicadas para las conexiones a tierra del amplificador en puente y las conexiones a tierra de la toma de auriculares. El aislamiento permite que estas corrientes regresen a la batería sin afectar el voltaje de otras partes del plano de tierra. Recuerde que estas rutas de retorno dedicadas no deben enrutarse bajo trazas de señales digitales porque podrían bloquear las corrientes de retorno digitales.
4. Maximice la eficacia de los condensadores de derivación: casi todos los dispositivos requieren condensadores de derivación para proporcionar corriente instantánea. Para minimizar la inductancia entre el condensador y el pin de suministro del dispositivo, ubique estos condensadores lo más cerca posible del pin de suministro que están evitando. Cualquier inductancia reduce la eficacia del condensador de derivación. De manera similar, el capacitor debe tener una conexión de baja impedancia a tierra para minimizar la impedancia de alta frecuencia del capacitor. Conecte directamente el lado de tierra del capacitor al plano de tierra, en lugar de enrutarlo a través de una traza.
5. Inunda todo el área de PCB no utilizada con tierra: siempre que dos piezas de cobre corren cerca una de la otra, se forma un pequeño acoplamiento capacitivo entre ellas. Al ejecutar una inundación de tierra cerca de las trazas de señal, la energía de alta frecuencia no deseada en las líneas de señal se puede desviar a tierra a través del acoplamiento capacitivo.

Trate de mantener las fuentes de alimentación, el transformador y los circuitos digitales ruidosos lejos de sus circuitos de audio. Use una conexión a tierra separada para el circuito de audio y es bueno no usar planos de tierra para los circuitos de audio. La conexión a tierra (GND) del amplificador de audio es muy importante en comparación con la tierra de otros transistores, IC, etc., si hay ruido de tierra entre los dos, el amplificador lo emitirá.

Considere alimentar IC importantes y cualquier cosa sensible usando una resistencia de 100R entre ellos y + V. Incluya un condensador elect de tamaño decente (por ejemplo, 220uF) en el lado IC de la resistencia. Si el IC consume mucha energía, asegúrese de que la resistencia pueda manejarlo (seleccione un vataje lo suficientemente alto y proporcione disipador de calor de cobre de PCB si es necesario) y tenga en cuenta que habrá una caída de voltaje en la resistencia.

Para diseños basados en transformadores, desea que los condensadores rectificadores estén lo más cerca posible de los pines rectificadores y conectados a través de sus propias pistas gruesas debido a las grandes corrientes de carga en el mismo punto de la onda sinusoidal rectificada. A medida que el voltaje de salida del rectificador excede el voltaje decreciente del capacitor, se produce un ruido de impulso en el circuito de carga que puede transferirse al circuito de audio si comparten la misma pieza de cobre en cualquiera de las líneas eléctricas. No puede deshacerse de la corriente de carga de pulsos, por lo que es mucho mejor mantener el condensador local al puente rectificador para minimizar estos pulsos de energía de alta corriente. Si un amplificador de audio está cerca del rectificador, no ubique un capacitor grande al lado del amplificador para evitar que este capacitor cause este problema, pero si hay un poco de distancia, entonces está bien darle al amplificador su propio capacitor a medida que flota. cargado de la fuente de alimentación y termina teniendo una impedancia relativamente alta debido a la longitud del cobre.

Ubique los reguladores de voltaje que utilizan los circuitos de audio cerca de los rectificadores / entrada de la fuente de alimentación y conéctelos también con sus propias conexiones.

Señales

Siempre que sea posible, evite las señales de audio de entrada y salida hacia y desde los circuitos integrados que se ejecutan en paralelo en la PCB, ya que esto puede causar oscilaciones que se transmiten de la salida a la entrada. Recuerde que solo 5 mV pueden causar mucho zumbido.

Mantenga los planos de tierra digitales alejados del GND de audio y de los circuitos de audio en general. El zumbido se puede introducir en el audio simplemente a partir de que las pistas estén demasiado cerca de los planos digitales.

Cuando se conecta a otro equipo, si se alimenta otra placa que incluye circuitos de audio (que va a dar o recibir una señal de audio), asegúrese de que solo haya un punto en el que GND se conecta entre las 2 placas y esto debería estar idealmente en la conexión de la señal analógica de audio. punto.

Para las conexiones de E / S de señal a otros dispositivos / el mundo exterior, es un buen ideal usar una resistencia de 100R entre los circuitos GND y el mundo exterior GND para todo (incluidas las partes digitales del circuito) para detener la creación de bucles de tierra.

Condensadores

Úselos donde desee aislar secciones entre sí. Valores a utilizar: - 220nF es típico, 100nF está bien si desea reducir el tamaño / costo, es mejor no bajar de 100nF.

No utilice condensadores cerámicos. La razón es que los condensadores cerámicos darán un efecto piezoeléctrico a una señal de CA que causa ruido. Use un poli de algún tipo: el polipropileno es mejor, pero cualquiera servirá. Los verdaderos cabezales de audio también dicen que no use electrolíticos en línea, pero muchos diseñadores lo hacen sin problemas; esto es probable para aplicaciones de alta pureza, no para el diseño de audio estándar general.

No use condensadores de tantalio en ningún lugar dentro de las rutas de la señal de audio (algunos diseñadores pueden no estar de acuerdo, pero pueden causar problemas horribles)

Un sustituto generalmente aceptado del policarbonato es el PPS (sulfuro de polifenileno).

La película de policarbonato y la película de poliestireno de alta calidad y los condensadores de teflón y los condensadores cerámicos NPO / COG tienen coeficientes de capacitancia de voltaje muy bajos y, por lo tanto, una distorsión muy baja y los resultados son muy claros utilizando analizadores de espectro y oídos.

Evite los dieléctricos de cerámica de alto K, tienen un coeficiente de alto voltaje que supongo que podría provocar cierta distorsión si se usaran en una etapa de control de tono.

Colocación de componentes

El primer paso de cualquier diseño de PCB es elegir dónde colocar los componentes. Esta tarea se denomina "planificación del piso". La colocación cuidadosa de los componentes puede facilitar el enrutamiento de la señal y la partición de tierra. Minimiza la captación de ruido y el área de la placa requerida.

Se debe seleccionar la ubicación del componente dentro de la sección analógica. Los componentes deben colocarse de manera que se minimice la distancia que recorren las señales de audio. Ubique el amplificador de audio lo más cerca posible de la toma de auriculares y el altavoz. Este posicionamiento minimizará la radiación EMI de los amplificadores de altavoz de Clase D y minimizará la susceptibilidad al ruido de las señales de auriculares de baja amplitud. Coloque los dispositivos que suministran el audio analógico lo más cerca posible del amplificador para minimizar la captación de ruido en las entradas del amplificador. Todas las trazas de la señal de entrada actuarán como antenas para las señales de RF, pero acortar las trazas ayuda a reducir la eficiencia de la antena para las frecuencias que suelen ser motivo de preocupación.

Paso 2: Necesitas …

1. Circuito integrado de amplificador de audio TEA2025B (ebay.com)

2. Condensador electrolítico de 6 piezas 100uF (ebay.com)

3. Condensador electrolítico de 2 piezas 470uF (ebay.com)

4. Condensador de 2 piezas 0.22uF

5. Condensador de cerámica de 2 piezas 0.15uF

6. Potenciómetro de control de volumen dual (50 - 100K) (ebay.com)

7. 2 altavoces de 4 ohmios y 2,5 W

8. Módulo receptor MP3 + FM (ebay.com)

9. Matriz de LED con controlador IC (Adafruit.com)

10. Tablero Vero y algunos cables.

11. Arduino UNO (Adafruit.com)

12. Módulo RTC DS1307 (Adafruit.com)

Paso 3: hacer el circuito del amplificador

De acuerdo con el diagrama de circuito adjunto, suelde todos los componentes en la PCB. Utilice un valor exacto para los condensadores. Tenga cuidado con la polaridad de los condensadores electrolíticos. Intente mantener todo el condensador lo más cerca posible del IC para minimizar el ruido. Suelde directamente IC sin usar la base IC. Asegúrese de cortar las huellas entre los dos lados del amplificador IC. Todas las juntas de soldadura deben ser perfectas. Este es un circuito amplificador de audio, así que sea profesional con la conexión de soldadura, especialmente con la tierra (GND).

Paso 4: Prueba del circuito con altavoz

Después de completar toda la conexión y soldadura, conecte dos altavoces de 4 ohmios y 2,5 W al circuito amplificador. Conecte una fuente de audio al circuito y enciéndalo. Si todo va bien, aquí tendrá el sonido libre de ruidos.

Usé un amplificador de audio TEA2025B IC para amplificación de audio. Es un bonito chip amplificador de audio que funciona en un amplio rango de voltaje (3 V a 9 V). Por lo tanto, puede probarlo con cualquier voltaje dentro del rango. Estoy usando un adaptador de 9V y funciona bien. El IC puede operar en modo de conexión dual o puente. Para obtener más detalles sobre el chip amplificador, consulte la hoja de datos.

Paso 5: preparación del panel frontal de matriz de puntos

Para visualizar la señal de audio y mostrar la fecha y la hora, configuré una pantalla de matriz de puntos en la parte frontal de la caja del amplificador. Para hacer bien el trabajo, utilicé una herramienta giratoria para cortar el marco de acuerdo con el tamaño de la matriz. Si su pantalla no tiene un chip controlador integrado, utilice uno por separado. Prefiero la matriz bicolor de Adafruit. Después de seleccionar la pantalla de matriz perfecta, ajuste la pantalla a la base con pegamento caliente.

Lo conectaremos a la placa Arduino más tarde. La pantalla bicolor de Adafruit utiliza el protocolo i2c para comunicarse con el microcontrolador. Entonces, conectaremos el pin SCL y SDA del controlador IC a la placa Arduino.

Paso 6: Programación con Arduino

Conecte la pantalla de matriz de puntos Adafruit Smart Bi-color como:

1. Conecte el pin Arduino 5V a la matriz LED + pin.
2. Conecte el pin GND de Arduino al pin GND del amplificador de micrófono y al pin de matriz de LED.
3. Puede usar un riel de alimentación de placa de prueba, o el Arduino tiene varios pines GND disponibles. Conecte el pin analógico 0 de Arduino al pin de señal de audio.
4. Conecte los pines SDA y SCL de Arduino a los pines D (datos) y C (reloj) de la mochila de matriz, respectivamente.
5. Las placas Arduino anteriores no incluyen pines SDA y SCL; en su lugar, use pines analógicos 4 y 5.
6. Sube el programa adjunto y prueba si funciona o no:

Comience descargando el repositorio Piccolo de Github. Seleccione el botón "descargar ZIP". Una vez que haya terminado, descomprima el archivo ZIP resultante en su disco duro. Habrá dos carpetas dentro: "Piccolo" debe moverse a su carpeta habitual de cuaderno de bocetos Arduino. "Ffft" debe moverse a la carpeta "Bibliotecas" de Arduino (dentro de la carpeta del cuaderno de bocetos; si no está allí, cree una). Si no está familiarizado con la instalación de bibliotecas Arduino, siga este tutorial. Y nunca instale en la carpeta Library adyacente a la aplicación Arduino … ¡la ubicación correcta es siempre un subdirectorio de su carpeta de inicio! Si aún no ha instalado Adafruit LED Backpack Library (para usar la matriz LED), descargue e instale Una vez que las carpetas y bibliotecas estén ubicadas, reinicie el IDE de Arduino, y el boceto "Piccolo" debería estar disponible en el menú Archivo-> Cuaderno de bocetos.

Con el boceto de Piccolo abierto, seleccione el tipo de placa Arduino y el puerto serie en el menú Herramientas. Luego haga clic en el botón Cargar. Después de un momento, si todo va bien, verá el mensaje "Finalizar carga". Si todo va bien, verá el espectro de audio para cualquier entrada de audio.

Si su sistema funciona bien, cargue el boceto complete.ino adjunto con el paso para agregar un reloj binario con la visualización de audio. Para cualquier entrada de audio, el altavoz mostrará el espectro de audio; de lo contrario, mostrará la hora y la fecha.

Paso 7: arreglar todas las cosas juntas

Ahora, conecte el circuito amplificador que construyó en la etapa anterior a la caja con pegamento caliente. Siga las imágenes adjuntas con este paso.

Después de conectar el circuito amplificador, ahora conecte el módulo receptor MP3 + FM a la caja. Antes de fijarlo con pegamento haz una prueba para asegurarte de que está funcionando. Si funciona bien, fíjelo con pegamento. La salida de audio del módulo MP3 debe conectarse con la entrada del circuito amplificador.

Paso 8: Conexiones internas y producto final

Si el altavoz recibe una señal de audio, muestra el espectro de audio; de lo contrario, muestra la fecha y la hora en formato binario BCD. Si te gusta la programación y la tecnología digital, estoy seguro de que te gusta el binario. Me gusta el reloj binario y binario. Anteriormente hice un reloj de pulsera binario y el formato de hora es exactamente el mismo que el de mi reloj anterior. Entonces, para ilustrar el formato de la hora, agregué una imagen anterior de mi reloj sin producir otra.

Gracias.

Cuarto premio en el Concurso de Circuitos 2016

Primer premio en el Concurso de Amplificadores y Altavoces 2016