Amplificator pentru căști egalizat pentru deficiențe de auz: 10 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Nevoile mele

Cu câteva luni în urmă, am fost echipat cu aparate auditive pentru a compensa pierderea sensibilității la frecvențe înalte, provocând înăbușirea sunetelor și o dificultate în a distinge sibilanții (de exemplu, „S” și „F”). Dar ajutoarele nu oferă niciun beneficiu atunci când utilizați căști, deoarece microfoanele sunt în spatele urechii. După ce am experimentat cu un gât de inducție și intrare directă în aparatele auditive (niciunul dintre ele nu a dat rezultate satisfăcătoare) am venit cu ideea unui amplificator pentru căști cu un răspuns de frecvență reglabil conceput pentru a se potrivi cu cel al aparatelor mele auditive.

Dacă aveți o altă cerință pentru egalizare, atunci acest proiect ar putea fi ușor adaptat. Oferă boost (sau tăiere, cu o modificare banală) la 3 frecvențe centrale. Cu toate acestea, ar putea fi extins la mai multe benzi de frecvență.

Rezultatul

Am ajuns cu o cutie mică pătrată de 6 cm, cu intrare de 3,5 mm și intrări Bluetooth și o ieșire pentru căști de 3,5 mm. Am considerat că îmbunătățirea experienței de ascultare a muzicii este spectaculoasă și o îmbunătățire deosebită pentru vorbire.

Ce vă va oferi acest instructabil

Permiteți-mi să afirm, de la început, că nu este un proiect pentru începători. Veți avea nevoie de un nivel rezonabil de abilități de lipire și, dacă doriți să îl modificați (așa cum este bine), va trebui să învățați Eagle pentru aspectul plăcii și TinkerCAD pentru cutia imprimată 3D. Amândoi m-au luat puțin timp să stăpânesc, dar niciunul nu a fost greu. Mă aștept ca oamenii să învețe ceva din Instructables (dacă nu știi deja mai mult decât mine), nu doar să urmeze orbește instrucțiunile.

Dacă nu ați lipit niciodată componente de montare pe suprafață, nu vă lăsați amânați - nu este atât de greu pe cât ați putea crede. Consultați acest ghid pentru o introducere.

Ce veți obține din acest proiect este:

• Fișiere de proiectare Eagle (schematică și aspectul plăcii)
• O foaie de calcul Excel care cuprinde ecuațiile de proiectare pentru a vă permite să personalizați egalizarea în funcție de nevoile dvs.
• Designul TinkerCAD pentru cutia imprimată 3D.

Deoarece comanda minimă pentru placa de circuite imprimate personalizate a fost de 5 bucăți, am 3 plăci goale de rezervă (una vândută). Acestea sunt acum în vânzare pe eBay - consultați

Pasul 1: Procesul de proiectare: Cerințe și strategie

Când am început să mă gândesc la acest proiect, una dintre primele întrebări din mintea mea a fost dacă să folosesc filtre analogice sau digitale. Într-un subiect pe forumul All About Circuits, Keith Walker m-a alertat cu privire la un egalizator grafic (analogic) foarte ieftin din Extremul Orient (ilustrat mai sus) pe care îl folosise pentru a rezolva aceeași problemă. Așa că am comandat una ca dovadă a conceptului.

A funcționat bine, dar a fost prea voluminoasă pentru o utilizare portabilă și avea nevoie de șine de alimentare atât pozitive, cât și negative, un inconvenient suplimentar. Dar a confirmat abordarea și tipul de circuite de filtrare de utilizat.

Mi-am perfecționat cerințele cu următoarele:

• Acesta trebuie să fie compact, portabil și alimentat de o baterie reîncărcabilă.
• Ar trebui să accepte intrarea de la o mufă de 3,5 mm sau Bluetooth.
• Acesta trebuie să aibă canale stereo separate la stânga și la dreapta.

În multe proiecte anterioare, am folosit componente convenționale prin gaură și circuite integrate DIL de 0,3 pe placă, dar acest lucru l-ar fi făcut prea voluminoasă. Așa că am decis să proiectez un PCB personalizat (o nouă experiență pentru mine) folosind suprafața montarea componentelor (dintre care am o experiență modestă). Ar trebui, de asemenea, să proiectez o cutie tipărită 3D (experiența mea de proiectare 3D a fost foarte limitată).

O capacitate Bluetooth ar fi ușor de adăugat folosind oricare dintre diversele module Bluetooth ieftine care sunt disponibile.

Există 2 sau 3 IC-uri dedicate egalizatorului grafic la care m-am uitat, dar utilizarea opampurilor quad ieftine mi s-a părut în cele din urmă mai simplă și a necesitat doar cât mai multe componente externe.

Pasul 2: Proiectare detaliată

Elementul de bază pe care l-am folosit este cunoscut sub numele de girator. Folosește un amplificator operațional pentru a transforma un capcitor într-un inductor virtual. Acesta și încă un condensator fac un circuit adaptat, oferind fie tăiere, fie amplificare într-o anumită gamă de frecvențe. Foarte multe modele de egalizator grafic folosesc un design practic identic și nu are rost să ne îndepărtăm de el. Acestea sunt exemplificate de acesta din Electronics Today International septembrie 1977 pagina 27. Acest articol explică foarte clar modul în care funcționează circuitul.

L-am modificat doar folosind quad opamps care ar rula de la o singură sursă de 5V și adăugând un amplificator de căști IC pentru a mă asigura că va conduce în mod adecvat căștile. De asemenea, am înlocuit fiecare potențiometru cu un potențiometru și un rezistor, astfel încât să dau un control mai bun și mai fin, deoarece nu aveam nevoie de tăiere.

Schema și aspectul plăcii (ambele generate folosind Eagle) sunt prezentate mai sus.

O mare caracteristică a Eagle este că include pachetul de simulare a circuitului Spice, făcând posibilă validarea proiectării și prezicerea răspunsului în frecvență înainte de a se angaja la fabricarea PCB-ului.

Placa oferă 2 intrări, o priză jack de 3,5 mm și tampoane de lipit pentru conectarea unui modul receptor Bluetooth. Acestea sunt efectiv în paralel. Alimentarea poate fi furnizată fie printr-o priză mini-USB, fie prin tampoane de lipit. Am folosit mini mai degrabă decât micro-USB, deoarece o priză micro-USB ar fi destul de greu de lipit manual și, de asemenea, este mai puțin robustă.

Pasul 3: Instalarea și configurarea Eagle

Dacă doriți să trimiteți designul plăcii pentru fabricare, modificați aspectul sau pur și simplu modificați curba de răspuns, va trebui să instalați Eagle. Dacă (ca mine când am început acest proiect) nu sunteți familiarizat cu acesta, site-ul web SparkFun are o serie de tutoriale utile la

Primul care trebuie analizat este Cum se instalează și se configurează Eagle.

Aceasta include instalarea bibliotecilor SparkFun. Fișierul zip descărcat conține un folder SparkFun-Eagle-Libraries-master pe care ar trebui să îl copiați în EAGLE / libraries

De asemenea, trebuie să importați schemele Eagle și fișierele de aspect ale plăcii și modelele mele Spice. (Spice este software-ul de simulare a circuitului care ne permite să simulăm răspunsul în frecvență al amplificatorului.)

Toate acestea sunt incluse într-un fișier zip din care puteți descărca

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Deschideți fișierul zip și glisați și fixați proiectele și folderele de condimente în folderul dvs. EAGLE. (Va conține deja un folder de proiecte gol.)

Acum ar trebui să fiți gata să lansați Eagle.

În panoul din stânga, deschideți Proiecte, apoi proiecte, apoi Amplificator pentru căști egalizate.

Faceți dublu clic pe fișierele Headphone_Amp.brd și Headphone_Amp.sch. Acestea se vor deschide în ferestre separate, prima arătând aspectul plăcii și a doua schematică.

Pe schemă, găsiți și faceți clic pe butonul Simulare.

Aceasta deschide configurarea Simulare. Faceți clic pe butonul radio AC Sweep, setați Type la Dec (implicit) și Start și End Freq la 100 și respectiv 10000. Faceți clic pe butonul Simulare din dreapta jos. După o pauză, trebuie să apară un grafic al răspunsului în frecvență, așa cum se arată în pasul următor.

Pasul 4: Modificarea curbei de răspuns

Este foarte probabil ca urechile dvs. să fie diferite de ale mele, așa că mai întâi de toate aveți nevoie de o copie a audiogramei. Audiologul dvs. ar trebui să vă poată furniza acest lucru, dar dacă aveți o pereche bună de căști, vă puteți crea propriile dvs. accesând

Acest lucru ar trebui să vă ofere o idee bună despre cât de multă impuls aveți nevoie la diferite frecvențe. În cazul meu, pierderea auzului crește rapid peste 3 kHz, ceea ce face imposibilă compensarea mult peste aceasta. În orice caz, câteva experimente care au analizat spectrul diferitelor surse cu Audacity au indicat că, probabil, nu ar fi fost mult mai mult decât atât pentru ca eu să lipsesc.

În starea actuală, proiectul vă permite să reglați răspunsul de frecvență la 3 frecvențe centrale de 1,5, 2,3 și 3,3 kHz, independent între canalele din stânga și din dreapta. Puteți rămâne cu aceste frecvențe sau le puteți schimba (consultați pasul următor).

În folderul dvs. EAGLE / spice veți găsi modele pentru cele 3 trimpoturi POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl și POT_VR131.mdl. Acestea controlează răspunsul la cele 3 frecvențe. Dacă deschideți oricare dintre acestea cu un editor de text (de exemplu, Notepad), veți vedea o linie precum:

.param VAR = 50

Schimbați numărul la orice între 0 și 100 pentru a reprezenta poziția trimpotului corespunzător și, prin urmare, creșterea la acea frecvență la orice, de la zero la maxim.

Acum rulați din nou simularea (faceți clic pe Actualizare listă netă înainte de a face clic pe Simulare) pentru a vedea cum arată acum răspunsul de frecvență.

Pasul 5: Schimbarea frecvențelor centrale

În folderul Eagle Project, am inclus o foaie de calcul Excel Calc.xlsx. Deschideți acest lucru cu Excel (sau dacă nu aveți Excel, LibreOffice Calc, care este gratuit). Această foaie de calcul cuprinde calculele de proiectare pentru doar una dintre cele 3 secțiuni de filtrare.

Prima casetă vă permite să calculați frecvența centrală și factorul Q pentru valorile date de R1, R2, C1 și C2. (Factorul Q sau Calitatea determină lățimea benzii. O valoare mai mare oferă o bandă mai îngustă și o creștere mai mare. Valorile din jurul valorii de 4 par să funcționeze bine dacă fiecare frecvență este cu aproximativ 50% mai mare decât precedenta.)

De fapt, este mai probabil să doriți să alegeți frecvențele și să calculați valorile componentelor. Având în vedere frecvența dorită și trei dintre cele patru valori ale componentelor, a doua casetă vă permite să calculați a 4-a valoare a componentei.

Componentele au valoarea preferată (de exemplu, seria E12), astfel încât să puteți alege cea mai apropiată valoare preferată față de valoarea calculată și să o alimentați înapoi în prima casetă pentru a vedea ce frecvență reală oferă.

Apoi, trebuie să vă conectați valorile la schema Eagle și să repetați simularea.

Aduceți schema și, în panoul din stânga, faceți clic pe pictograma valorii componentei, apoi faceți clic pe componenta pe care doriți să o modificați. (Simularea este configurată să funcționeze doar pe canalul inferior sau stânga.) Veți primi un avertisment spunând că componenta nu are valoare definită de utilizator. Vrei să-l schimbi? Bineînțeles că da! Introduceți noua valoare în caseta care apare.

Faceți clic pe butonul Simulare, făcând clic pe Actualizare listă net, apoi pe Simulare.

Pasul 6: Componente necesare

Veți avea, desigur, nevoie de o placă de circuit. Dacă nu utilizați una dintre plăcile goale de rezervă, va trebui să trimiteți fișierele Eagle pentru fabricare. Majoritatea producătorilor necesită proiectarea ca un set de fișiere gerber. În loc să duplicați instrucțiunile aici, căutați online Gerber Export Eagle sau consultați tutorialul Sparkfun.

Fișierele Gerber separate descriu straturile de cupru, masca de lipit, serigrafia, găurirea și frezarea conturului plăcii.

Când trimiteți fișierele online unui producător, acesta le va valida și vă va avertiza dacă lipsesc fișiere esențiale. Dar nu vă va avertiza dacă lipsește un fișier de mătase, ceea ce a fost greșeala mea. Acest lucru este separat de contururile dispozitivului.

Veți avea nevoie de următoarele componente pentru a popula placa.

• TL084 SOIC-14 quad op amplificator - 2 oprit
• LM4880M SOIC 250mW amplificator de putere - 1 oprit
• 0603 sortiment de rezistențe SMD
• 0603 sortiment de condensatoare ceramice SMD 100pF - 1μF
• 5K Trim Pot 3362P-502 - 6 off
• 10uF 16V SMD 0805 Multilayer Ceramic condensator multistrat ceramic - 4 off
• 2917 (EIA7343) Condensator de tantal 100μF 16V - 2 oprit
• 2917 (EIA7343) Condensator de tantal 470μF 10V - 2 oprit
• Mufă mini USB femelă cu 5 pini SMD
• Mufă audio stereo pentru montare PCB de 3,5 mm prin gaură - 2 oprite
• LED albastru de 3 mm (sau culoarea aleasă de dvs.)

Pentru o unitate completă alimentată cu baterie cu intrare Bluetooth, veți avea nevoie în plus de:

• Modul receptor Bluetooth care acceptă A2DPsuch ca acesta
• Baterie LiPo: 503035 3.7V 500mAhr
• Încărcător TP4056 LiPo cu intrare mini-USB (sau microUSB dacă preferați), cum ar fi acesta
• Convertor de boost 3V - 5V ca acesta
• Mini comutator glisant SPDT

NB Încărcătorul LiPo este probabil să fie setat pentru un curent de încărcare de 1A, care este prea mare pentru o baterie de 500mAhr. Este important să eliminați rezistorul de programare a ratei de încărcare (în mod normal 1,2K conectat la pinul 2 al cipului TP4056) și să îl înlocuiți cu unul de 3,3k.

Am folosit o baterie LiPo cu fir, dar una cu un conector miniatural JST i-ar permite să fie conectată numai după conectare și verificarea dublă a tuturor celorlalte, precum și simplificarea înlocuirii.

Este preferabil un modul Bluetooth care funcționează pe 3,3V sau 5V, deoarece poate prelua alimentarea direct de la baterie, reducând zgomotul digital de la alimentarea de 5V la placa principală.

Dacă alegeți un modul Bluetooth care acceptă AVRCP, precum și A2DP, puteți adăuga butoane pentru volumul sus / jos și următorul / precedent.

Multe module Bluetooth au un LED de montare pe suprafață pentru a indica starea conexiunii, iar încărcătorul TP4056 are LED-uri roșii și verzi de montare pe suprafață pentru a indica starea de încărcare. O cutie precum cea pe care am făcut-o le va ascunde probabil, astfel încât să poată fi înlocuite (vezi mai târziu) cu:

• LED albastru de 3 mm
• LED anod comun rosu / verde de 3mm.

Pasul 7: Folosirea unui prototip Bare Board

Dacă ați obținut una dintre prototipurile mele de rezervă, există doar câteva erori minore pe care trebuie să le cunoașteți.

• Nu există nici un ecran de mătase în partea de sus a plăcii. Veți găsi util să aveți o copie tipărită a aspectului plăcii pe măsură ce o completați.
• Câteva vii au fost menite să lege planurile de sol de sus și de jos, care nu. Acest lucru nu are nicio consecință.
• C3 era inițial 100uF, într-un pachet 2917. Această valoare a fost mult prea mare și acum este 1uF 0603. Va trebui să îndepărtați puțin din rezistența de lipit din planul de la sol pentru a se potrivi cu aceasta, așa cum se arată în fotografie.

Câștigul este stabilit de valorile rezistențelor R106 și R206. 22k oferă aproximativ câștig de unitate. Deoarece este posibil să doriți să experimentați cu diferite valori, am furnizat atât plăcuțe de rezistență SMD 0603, cât și găuri la pas de 0,3 pentru rezistențele cu sârmă.

Pasul 8: Boxează-l

Puteți găsi designul imprimabil 3D pentru cutia pe care am folosit-o la tinkercad.com. Jocurile erau puțin prea strânse, așa că am mărit lungimea și lățimea cutiei cu 1 mm.

Partea inferioară a cutiei oferă compartimente pentru baterie, încărcător, convertorul de 5V și modulul Bluetooth. Placa amplificator pentru căști se potrivește deasupra. Capacul este reținut de două șuruburi autofiletante M2x5mm.

Încărcătorul identic și modulele boost de 5V sunt disponibile pe scară largă, dar există multe module Bluetooth diferite. Dacă oricare dintre acestea este diferită de a mea, va trebui să modificați designul cutiei.

Odată amplasat, puteți reține ușor modulele cu adeziv topit la cald.

Pasul 9: Cablarea acestuia

În scopul testării, am atașat toate modulele la o bucată de carton folosind blu-tac. Din aceasta am constatat că direcționarea conexiunilor la sol a fost critică. Pământul de la modulul Bluetooth trebuie să fie dus la amplificatorul căștilor împreună cu canalele let și dreapta, dar apoi conexiunea la masă de pe placa de distribuție trebuie să meargă la modulul Bluetooth, nu la amplificatorul pentru căști, altfel obțineți mult zgomot digital din modulul Bluetooth din ieșire.

Am montat comutatorul de pornire / oprire pe o bucată mică de bord, cu 6 benzi lățime pe 5 lungime și cu un decupaj 2x4 pentru comutator. Aceasta servește și ca o placă de distribuție a energiei electrice. Când a fost complet cablat, am lipit întrerupătorul în poziție (cu panoul atașat) folosind adeziv epoxidic. Dacă aș reface proiectul, aș prevedea comutatorul de pe placa amplificator pentru căști.

Aveți nevoie de sârmă subțire destul de subțire pentru a-l conecta, așa că am împărțit o lungime de cablu panglică curcubeu, care mi-a dat fire individuale de diferite culori. În mod normal, ați trece firele printr-o gaură într-o placă și le-ați lipi pe cealaltă parte, dar cu diversele module în poziție în baza cutiei, a trebuit să lipesc pe aceeași parte a plăcii la care a intrat firul, cu doar ceva mai multă izolație dezbrăcată decât ar fi fost necesar altfel. A trebuit să montez panoul de cupru cu fața în sus și să lipesc conexiunile la acesta în mod similar.

Am vrut ca LED-urile încărcătorului și modulele Bluetooth să fie vizibile, așa că am îndepărtat LED-urile SMD de la bord și am conectat tampoanele la LED-uri de 3 mm. Am făcut găuri în cutie pentru acestea, deoarece nu le-am permis în cutia mea imprimată 3D. Le-am conectat la tampoanele de lipit de pe module cu sârmă emailabilă sudabilă. Acesta este acoperit cu poliuretan cu auto-flux care se topește sub căldura unui fier de lipit.

Pentru modulul încărcător, am folosit un LED anod comun roșu / verde. Anodul comun trebuie să fie conectat la oricare dintre plăcile LED SMD cele mai apropiate de marginea plăcii (pe care le puteți confirma cu un multimetru). Dacă modulul dvs. Bluetooth are un LED SMD, va trebui să determinați polaritatea cu un multimetru. Unele module au conexiuni pentru un LED extern.

Înainte de a introduce amplificatorul pentru căști în cutie peste celelalte module, am găsit necesar să așez bucăți mici de bandă din PVC pe vârfurile a două condensatoare electrolitice de pe modulul Bluetooth și pe mufa de încărcare mini-USB, astfel încât să previn scurtcircuitele cu partea inferioară a amplificatorului pentru căști.

Pasul 10: Îmbunătățiri

Dacă aș vrea să transform acest lucru într-un produs, există, fără îndoială, lucruri pe care le-aș schimba, dar, făcându-mă un gadget care îmi servește scopul, voi trece la alte proiecte.

Circuitul:

• O sursă de alimentare bipolară ar fi putut fi mai bună. Deoarece curentul tras de opamps este mic, un invertor de tensiune a pompei capacitive, cum ar fi MAX660, ar fi furnizat cu ușurință alimentarea negativă.
• Cu o sursă bipolară, convertorul de 5V boost nu ar fi necesar de amplificatorii op. Amplificatorul pentru căști LM4880 va funcționa la tensiunea brută de ieșire de la o baterie LiPo, deși puterea maximă de ieșire va fi redusă de la 250mW pe canal la aproximativ 100mW pe canal.

Consiliul:

• Dimensiunea plăcii este exact ceea ce a ieșit din procesul de aspect, dar reducerea la o dimensiune exactă, cum ar fi 6x6cm, ar fi făcut proiectarea cutiei puțin mai ușoară.
• La fel, ar fi fost mai bine să fi plasat mufele de intrare și ieșire de 3,5 mm în linie și exact în mijlocul celor două laturi. Acest lucru ar fi facilitat și proiectarea cutiei.
• Ar fi fost simplu să urci la circuitul încărcătorului LiPo. Convertorul de 3 - 5V boost nu ar fi necesar cu o sursă bipolară, economisind astfel 2 module separate.
• Cu un încărcător simplu TP4056 folosit, bateria poate fi supraîncărcată dacă încercați să o încărcați cu unitatea pornită. Încărcătoarele puțin mai sofisticate includ un circuit de protecție simplu, care ar merita inclus.
• Cu modificările de mai sus, comutatorul ar putea fi apoi montat pe placă. Metoda de montare a comutatorului în cutia imprimată 3D nu a fost ideală.
• Un comutator cu 2 poli cu 3 căi ar permite alimentarea modulului Bluetooth numai atunci când este necesar.

Cutia:

• Montarea modulelor în 2 straturi a făcut ca asamblarea să fie mai dură decât trebuia, iar o cutie mai subțire, dar mai mare, ar fi putut monta mai bine un buzunar.
• Comutatorul este ușor pornit din greșeală. Pentru a preveni acest lucru, ar fi fost simplu să se includă în jurul său protecții în designul de imprimare 3D.

Alte aplicații:

Dacă, poate ca audiofil, doriți doar un amplificator de căști egalizat care să ofere atât impuls cât și tăiere la o varietate de frecvențe, puteți utiliza în esență același design.

Pentru a oferi atât impuls, cât și tăiere, eliminați R113, R123, R133 și R213, R223, R233 (sau înlocuiți cu rezistoare 0Ω) și înlocuiți trimpoturile cu 10k (ghivece glisante, dacă preferați).

Puteți adăuga oricâte instanțe ale circuitului giratorului aveți nevoie.