Amplificator de chitară controlat digital de 18 W: 7 pași

2025 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2025-01-13 06:58

Acum câțiva ani, am construit un amplificator de chitară de 5W, care era un fel de soluție la sistemul meu audio la acea vreme și recent am decis să construiesc unul nou mult mai puternic și fără a utiliza componente analogice pentru interfața cu utilizatorul, precum potențiometrele rotative și comutatoarele de comutare.

Amplificatorul de chitară controlat digital de 18 W este un amplificator de chitară mono de 18 W, controlat digital, cu atașament de sistem cu efect de întârziere și un afișaj elegant cu cristale lichide, care oferă informații exacte despre ceea ce se întâmplă în circuit.

Caracteristicile proiectului:

• Control complet digital: Intrarea interfeței utilizator este un codificator rotativ cu un comutator încorporat.
• ATMEGA328P: Este un microcontroler (folosit ca sistem de tip Arduino): Toți parametrii reglabili sunt controlați programatic de către utilizator.
• LCD: acționează ca o ieșire a interfeței utilizatorului, astfel încât parametrii dispozitivului, cum ar fi câștigul / volumul / adâncimea de întârziere / timpul de întârziere, pot fi observați în mare aproximare.
• Potențiometre digitale: sunt utilizate în subcircuite, făcând astfel controlul dispozitivului complet digital.
• Sistem în cascadă: Fiecare circuit din sistemul predefinit este un sistem separat care partajează numai liniile de alimentare cu energie, capabil de depanare relativ ușoară în caz de defecțiuni.
• Preamplificator: Bazat pe circuitul integrat LM386, cu un design schematic foarte simplu și cerințe minime de piese.
• Circuit cu efect de întârziere: se bazează pe circuitul integrat PT2399, poate fi achiziționat de pe eBay ca un IC separat (eu am proiectat întreg circuitul de întârziere) sau poate fi folosit ca un modul complet cu posibilitatea de a înlocui potențiometrele rotative cu digipoturi.
• Amplificator de putere: Se bazează pe modulul TDA2030, care conține deja toate circuitele periferice pentru funcționarea sa.
• Sursă de alimentare: Dispozitivul este alimentat de un laptop extern vechi de alimentare de 19 V DC, astfel dispozitivul conține un modul DC-DC redus ca pre-regulator pentru LM7805, ceea ce face să disipeze mult mai puțină căldură în timpul consumului de energie al dispozitivului.

După ce am acoperit toate informațiile scurte, să le construim!

Pasul 1: Ideea

După cum puteți vedea în diagrama bloc, dispozitivul funcționează ca o abordare clasică a designului amplificatorului de chitară, cu ușoare variații ale circuitului de control și ale interfeței cu utilizatorul. Există în total trei grupuri de circuite pe care le vom extinde: Analogic, digital și sursa de alimentare, unde fiecare grup este format din subcircuite separate (subiectul va fi bine explicat în pașii următori). Pentru a facilita mult înțelegerea structurii proiectului, să explicăm aceste grupuri:

1. Partea analogică: Circuitele analogice sunt situate în jumătatea superioară a diagramei bloc așa cum se poate vedea mai sus. Această parte este responsabilă pentru toate semnalele care trec prin dispozitiv.

Mufa de 1/4 este o intrare mono chitară a unui dispozitiv și este situată la limita dintre cutie și circuitul electronic lipit.

Următoarea etapă este un pre-amplificator, bazat pe circuitul integrat LM386, care este extrem de ușor de utilizat în astfel de aplicații audio. LM386 este alimentat de 5V DC de la sursa de alimentare principală, unde parametrii, câștigul și volumul acestuia sunt controlați prin intermediul potențiometrelor digitale.

A treia etapă este amplificatorul de putere, bazat pe circuitul integrat TDA2030, alimentat de o sursă de alimentare externă de 18 ~ 20V DC. La acest proiect, câștigul selectat pe amplificatorul de putere rămâne constant pentru tot timpul de funcționare. Deoarece dispozitivul nu este un singur PCB înfășurat, este recomandat să utilizați modulul asamblat TDA2030A și să îl atașați la prototipul bardului conectând numai I / O și pinii de alimentare.

2. Piesa digitală: Circuitele digitale sunt situate în jumătatea inferioară a diagramei bloc. Acestea sunt responsabile pentru controlul interfeței utilizatorului și al parametrilor analogici, cum ar fi timpul / adâncimea întârzierii, volumul și câștigul..

Codificatorul cu comutator SPST încorporat este definit ca o intrare de control al utilizatorului. Deoarece este asamblat ca o singură parte, singura nevoie de o funcționare adecvată este atașarea rezistențelor de tragere programat sau fizic (o vom vedea în etapa schematică).

Microprocesorul ca „creier principal” din circuit este ATMEGA328P, care este utilizat în stilul Arduino în acest dispozitiv. Este dispozitivul care are toată puterea digitală asupra circuitelor și comandă tot ce trebuie făcut. Programarea se face prin interfața SPI, deci putem folosi orice programator ISP USB adecvat sau debugger AVR achiziționat. În cazul în care doriți să utilizați Arduino ca microcontroler în circuit, acest lucru este posibil prin compilarea codului C atașat care este prezent în etapa de programare.

Potențiometrele digitale sunt câteva circuite integrate duble controlate prin interacțiunea SPI prin microcontroler, cu un număr total de 4 potențiometre pentru control complet asupra tuturor parametrilor:

LCD-ul este o ieșire de interfață cu utilizatorul, care ne permite să știm ce se întâmplă în interiorul cutiei. În acest proiect am folosit probabil cel mai popular ecran LCD 16x2 printre utilizatorii Arduino.

3. Sursa de alimentare: Sursa de alimentare este responsabilă pentru a da energie (tensiune și curent) întregului sistem. Deoarece circuitul amplificatorului de putere este alimentat direct de la adaptorul extern de laptop și toate circuitele rămase sunt alimentate de la 5V DC, este nevoie de un regulator DC-DC redus sau liniar. În cazul punerii regulatorului liniar de 5V conectându-l la 20V extern, când curentul trece prin regulatorul liniar la sarcină, o cantitate imensă de căldură disipată pe regulatorul de 5V, nu vrem asta. Deci, între regulatorul liniar de 20V și regulatorul liniar de 5V (LM7805), există un convertor de coborâre de 8V DC-DC, care acționează ca un pre-regulator. O astfel de fixare previne disiparea uriașă pe regulatorul liniar, atunci când curentul de sarcină atinge valori ridicate.

Pasul 2: Piese și instrumente

Parți electronice:

1. Module:

• PT2399 - Modul IC Echo / delay.
• LM2596 - Modul DC-DC redus
• TDA2030A - Modul amplificator de putere de 18W
• 1602A - LCD obișnuit 16x2 caractere.
• Codificator rotativ cu comutator SPST încorporat.

2. Circuite integrate:

• LM386 - Amplificator audio mono.
• LM7805 - Regulator liniar 5V.
• MCP4261 / MCP42100 - 100KOhm potențiometre digitale duale
• ATMEGA328P - Microcontroler

3. Componente pasive:

A. Condensatoare:

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

B. Rezistențe:

• 1 x 10R
• 4 x 10K

C. Potențiometru:

1 x 10K

(Opțional) Dacă nu utilizați modulul PT2399 și doriți să construiți singur circuitul, aceste piese sunt necesare:

• PT2399
• 1 x rezistență 100K
• Condensator 2 x 4.7uF
• 2 x condensator 3.9nF
• 2 x rezistență 15K
• Rezistor 5 x 10K
• 1 rezistor 3.7K
• 1 x condensator 10uF
• 1 x condensator 10nF
• 1 x rezistor 5.6K
• 2 x condensator 560pF
• 2 x condensator 82nF
• 2 x condensator 100nF
• 1 x condensator 47uF

4. Conectori:

• 1 x conector jack 1/4 "Mono
• 7 x blocuri terminale duble
• 1 x conector femel cu 6 pini
• 3 x conectori JST cu 4 pini
• 1 x mufa conectorului de alimentare masculin

Componente mecanice:

• Difuzor cu putere acceptată mai mare sau mai mare de 18W
• Carcasă din lemn
• Cadru din lemn pentru interfața utilizatorului tăiat (pentru LCD și codificator rotativ).
• Cauciuc spumant pentru boxe și zone UI
• 12 șuruburi de găurit pentru piese
• 4 x șuruburi și piulițe de fixare pentru cadru LCD
• 4 x picior de cauciuc pentru oscilații constante ale dispozitivului (zgomotul mecanic de rezonanță este un lucru obișnuit în designul amplificatorului).
• Buton pentru codificator rotativ

Instrumente:

• Șurubelniță electrică
• Pistol cu lipici fierbinte (dacă este necesar)
• (Opțional) Alimentare de laborator
• (Opțional) Osciloscop
• (Opțional) Generator de funcții
• Fier de lipit / statie
• Cutter mic
• Pință mică
• Cutie de lipit
• Pensetă
• Sârmă de înfășurare
• Burghie de foraj
• Ferăstrău de dimensiuni mici pentru tăierea lemnului
• Cuţit
• Fișier de măcinare

Pasul 3: explicație schematică

Deoarece suntem familiarizați cu schema bloc a proiectului, putem trece la schemă, ținând cont de toate lucrurile pe care trebuie să le știm despre funcționarea circuitului:

Circuit de preamplificator: LM386 este conectat cu părți minime, fără a fi nevoie să utilizați componente pasive externe. În cazul în care doriți să modificați răspunsul de frecvență la intrarea semnalului audio, cum ar fi amplificarea basului sau controlul tonului, puteți consulta fișa tehnică LM386, vorbind despre aceasta, nu va afecta această schemă a dispozitivului, cu excepția modificărilor ușoare ale preamplificatorului în conexiuni.. Deoarece folosim o singură sursă de curent continuu de 5V pentru IC, condensatorul de decuplare (C5) trebuie adăugat la ieșirea IC-ului pentru îndepărtarea semnalului de curent continuu. După cum se poate observa, pinul de semnal conector 1/4 (J1) este conectat la pinul digipot„ A”, iar intrarea LM386 fără inversare este conectată la pinul„ B”al punctului digital, deci, ca rezultat, avem divizor de tensiune, controlat de microcontroler prin interfața SPI.

Delay / Echo Effect Circuit: Acest circuit se bazează pe IC cu efect de întârziere PT2399. Acest circuit pare complicat conform fișei sale tehnice și este foarte ușor să vă confundați cu lipirea cu totul. Se recomandă achiziționarea unui modul PT2399 complet, care este deja asamblat, iar singurul lucru de făcut este să desoldați potențiometrele rotative din modul și să atașați linii digipot (ștergător, 'A' și 'B'). Am folosit o foaie de date referitoare la designul efectului de ecou, cu digipoturi atașate la selecția perioadei de timp a oscilațiilor și a volumului semnalului de feedback (ceea ce ar trebui să numim - „adâncime”). Intrarea circuitului de întârziere, denumită linia DELAY_IN, este conectată la ieșirea circuitului de pre-amplificator. Nu este menționat în schemă, deoarece am vrut să fac toate circuitele pentru a partaja numai liniile de alimentare, iar liniile de semnal sunt conectate cu cabluri externe. „Cât nu este convenabil!”, S-ar putea să vă gândiți, dar lucrul este că, atunci când construiți un circuit de procesare analogic, este mult mai ușor să depanați parte cu parte fiecare circuit din proiect. Este recomandat să adăugați condensatori de bypass la pinul de alimentare de 5V DC, datorită zonei sale zgomotoase.

Alimentare: Dispozitivul este alimentat prin mufa externă de alimentare de la adaptorul AC / DC 20V 2A. Am găsit că cea mai bună soluție pentru a reduce cantitatea mare de disipare a puterii pe un regulator liniar sub formă de căldură este să adăugați un convertor de trepte DC-DC de 8V (U10). LM2596 este un convertor buck utilizat în multe aplicații și popular printre utilizatorii Arduino, care costă mai puțin de 1 $ pe eBay. Știm, că regulatorul liniar are o cădere de tensiune pe debitul său (în cazul 7805 aproximarea teoretică este în jur de 2,5V), deci există un decalaj sigur de 3V între intrarea și ieșirea LM7805. Nu este recomandat să neglijați regulatorul liniar și să conectați lm2596 direct la linia de 5V, din cauza zgomotului de comutare, care ondulație de tensiune poate afecta stabilitatea puterii circuitelor.

Amplificator de putere: Este simplu cum pare. Deoarece am folosit un modul TDA2030A în acest proiect, singura cerință este să conectați pinii de alimentare și liniile I / O ale amplificatorului de putere. După cum sa menționat anterior, intrarea amplificatorului de putere este conectată la ieșirea circuitului de întârziere printr-un cablu extern, utilizând conectori. Difuzorul utilizat în dispozitiv este conectat la ieșirea amplificatorului de putere printr-un bloc de borne dedicat.

Potențiometre digitale: Probabil cele mai importante componente ale întregului dispozitiv, făcându-l capabil să fie controlat digital. După cum puteți vedea, există două tipuri de digipote: MCP42100 și MCP4261. Aceștia împărtășesc același pinout, dar diferă în ceea ce privește comunicarea. Am doar două ultime digipot în stoc când am construit acest proiect, așa că tocmai am folosit ceea ce aveam, dar recomand să folosesc două digipote de același tip fie MCP42100, fie MCP4261. Fiecare digipot este controlat de o interfață SPI, ceas de partajare (SCK) și pini de intrare de date (SDI). Controlerul SPI al ATMEGA328P este capabil să manipuleze mai multe dispozitive prin acționarea pinilor de selectare a cipurilor (CS sau CE). Este proiectat astfel în acest proiect, unde pinii de activare a cipului SPI sunt conectați la pinii microcontrolerului separați. PT2399 și LM386 sunt conectate la o sursă de 5V, deci nu trebuie să ne facem griji cu privire la oscilarea tensiunii pe rețeaua de rezistențe digipot din interiorul circuitelor IC (este acoperită în mare parte în foaia tehnică, în secțiunea nivelului de tensiune al rezistențelor de comutare interioare).

Microcontroler: Așa cum s-a menționat, bazat pe un ATMEGA328P în stil Arduino, cu necesitatea unei singure componente pasive - rezistență pull-up (R17) pe pinul de resetare. Conectorul cu 6 pini (J2) este utilizat pentru programarea dispozitivului prin intermediul programatorului ISP USB prin interfața SPI (Da, aceeași interfață la care sunt conectate digipoturile). Toți pinii sunt conectați la componentele corespunzătoare, care sunt prezentate în diagrama schematică. Este recomandat să adăugați condensatori de bypass lângă pinii de alimentare de 5V. Condensatoarele pe care le vedeți în apropierea pinilor codificatorului (C27, C28) sunt utilizate pentru a împiedica starea codificatorului să cadă pe acești pin.

LCD: Afișajul cu cristale lichide este conectat într-un mod clasic cu transmisie de date pe 4 biți și doi pini suplimentari de blocare a datelor - Selectare înregistrare (RS) și Activare (E). Ecranul LCD are o luminozitate constantă și un contrast variabil, care poate fi reglat cu o singură trimmer (R18).

Interfață utilizator: Codificatorul rotativ al dispozitivului are un buton SPST încorporat, unde toate conexiunile sale sunt legate de pinii microcontrolerului descriși. Este recomandat să atașați rezistența de tracțiune la pinul fiecărui codificator: A, B și SW, în loc să utilizați tracțiunea internă. Asigurați-vă că pinii codificatorului A și B sunt conectați la pinii de întrerupere externi ai microcontrolerului: INT0 și INT1 pentru a conforma codul și fiabilitatea dispozitivului atunci când utilizați componenta codificatorului.

Conectori JST și blocuri de borne: Fiecare circuit analogic: preamplificator, întârziere și amplificator de putere sunt izolate pe placa lipită și sunt conectate cu cabluri între blocuri de borne. Codificatorul și LCD-ul sunt atașate la cablurile JST și conectate la placa lipită prin conectorii JST, așa cum este descris mai sus. Intrarea jack externă de alimentare și intrarea jack chitară mono 1/4 sunt conectate prin blocuri de borne.

Pasul 4: lipire

După o scurtă pregătire, trebuie să ne imaginăm amplasarea precisă a tuturor componentelor de pe placă. Este de preferat să începeți procesul de lipire de la pre-amplificator și să terminați cu toate circuitele digitale.

Iată descrierea pas cu pas:

1. Circuit pre-amplificator de lipit. Verificați conexiunile sale. Asigurați-vă că liniile de sol sunt partajate pe toate liniile corespunzătoare.

2. Modul de lipit PT2399 / IC cu toate circuitele periferice, conform schemei. Deoarece am lipit întregul circuit de întârziere, puteți vedea că există o mulțime de linii partajate care pot fi lipite ușor în funcție de fiecare funcție de pin PT2399. Dacă aveți un modul PT2399, atunci desfaceți potențiometrele rotative și lipiți liniile de rețea digitale ale potențiometrului digital la acești pini eliberați.

3. Modulul de lipit TDA2030A, asigurați-vă că conectorul de ieșire al difuzorului este centrat în față în afara plăcii.

4. Circuit de alimentare cu lipire. Amplasați condensatorii de bypass conform schemei.

5. Circuitul microcontrolerului de lipit cu conectorul său de programare. Încercați să îl programați, asigurați-vă că nu eșuează în proces.

6. Potențiometre digitale de lipit

7. Lipiți toți conectorii JST din zone în funcție de fiecare conexiune de linie.

8. Porniți placa, dacă aveți un generator de funcții și osciloscop, verificați fiecare răspuns al circuitului analogic la semnalul de intrare pas cu pas (recomandat: 200mVpp, 1KHz).

9. Verificați separat răspunsul circuitului la amplificatorul de putere și la circuitul / modulul de întârziere.

10. Conectați difuzorul la ieșirea amplificatorului de putere și generatorul de semnal la intrare, asigurați-vă că auziți tonul.

11. Dacă toate testele pe care le-am efectuat au succes, putem trece la etapa de asamblare.

Pasul 5: Asamblare

Probabil că aceasta este cea mai grea parte a proiectului din punct de vedere al abordării tehnice, cu excepția cazului în care există câteva instrumente utile pentru tăierea lemnului din stocul dvs. Aveam un set foarte limitat de instrumente, așa că am fost forțat să merg pe calea grea - tăierea manuală a cutiei cu un fișier de măcinat. Să acoperim pașii esențiali:

1. Pregătirea cutiei:

1.1 Asigurați-vă că aveți o carcasă din lemn cu dimensiuni adecvate pentru difuzorul și alocarea plăcii electronice.

1.2 Tăiați zona pentru difuzor, este recomandat să atașați rama din cauciuc spumos la zona decupată a difuzorului pentru a preveni vibrațiile de rezonanță.

1.3 Tăiați un cadru de lemn separat pentru interfața cu utilizatorul (LCD și codificator). Tăiați zona corespunzătoare pentru ecranul LCD, asigurați-vă că direcția LCD nu este inversată spre vizualizarea carcasei frontale. După ce acest lucru este finalizat, găuriți o gaură pentru codificatorul rotativ. Fixați vrăjitoarele LCD 4 șuruburi de găurire și codificatorul rotativ cu o piuliță metalică adecvată.

1.4 Așezați cauciuc spumos pe cadrul de lemn al interfeței utilizatorului pe întregul său perimetru. Acest lucru va ajuta la prevenirea notelor rezonante, de asemenea.

1.5 Localizați unde va fi amplasată placa electronică, apoi găuriți 4 găuri pe carcasa din lemn

1.6 Pregătiți o latură, unde vor fi amplasate mufa de intrare externă de alimentare DC și intrarea de chitară de 1/4 , găuriți două găuri cu diametre adecvate. Asigurați-vă că acești conectori au același pinout ca placa electronică (adică polaritatea). După aceea, lipiți două perechi de fire pentru fiecare intrare.

2. Conectarea pieselor:

2.1 Atașați difuzorul la zona selectată, asigurați-vă că două fire sunt conectate la pinii difuzorului cu 4 șuruburi de găurire.

2.2 Atașați panoul de interfață utilizator pe partea selectată a incintei. Nu uitați cauciucul spumant.

2.3 Conectați toate circuitele împreună prin blocuri de borne

2.4 Conectați LCD-ul și codificatorul la placa prin conectori JST.

2.5 Conectați difuzorul la ieșirea modulului TDA2030A.

2.6 Conectați intrările de alimentare și chitară la blocurile terminale ale plăcii.

2.7 Localizați placa în poziția găurilor forate, fixați placa cu 4 șuruburi de foraj din exteriorul carcasei din lemn.

2.8 Atașați toate părțile carcasei din lemn, toate împreună, astfel încât să arate ca o cutie solidă.

Pasul 6: Programare și cod

Codul dispozitivului respectă regulile familiei de microcontrolere AVR și este conform cu MCU ATMEGA328P. Codul este scris în Atmel Studio, dar există posibilitatea de a programa placa Arduino cu Arduino IDE care are același MCU ATMEGA328P. Microcontrolerul autonom poate fi programat prin adaptor de depanare USB, în conformitate cu Atmel Studio sau prin programatorul ISP ISP, care poate fi cumpărat de pe eBay. Software-ul de programare care este utilizat în mod obișnuit este AVRdude, dar prefer un ProgISP - un software simplu de programare USB ISP cu o interfață de utilizator foarte prietenoasă.

Toate explicațiile necesare despre cod pot fi găsite în fișierul Amplifice.c atașat.

Fișierul Amplifice.hex atașat poate fi încărcat direct pe dispozitiv dacă este pe deplin conform schemei schematice pe care am observat-o anterior.

Pasul 7: Testare

Ei bine, după ce s-a făcut tot ce ne-am dorit, a venit timpul să testăm. Am preferat să testez dispozitivul cu vechea mea chitară ieftină și circuitul simplu de control al tonului pasiv pe care l-am construit cu ani în urmă fără niciun motiv. Dispozitivul este testat și cu procesor de efecte digitale și analogice. Nu este prea grozav faptul că PT2399 are o memorie RAM atât de mică pentru stocarea probelor audio utilizate în secvențe de întârziere, când timpul dintre probele de ecou este prea mare, ecoul devine digitalizat cu o mare pierdere de biți de tranziție, ceea ce este considerat ca distorsiune a semnalului. Dar distorsiunea „digitală” pe care o auzim poate fi utilă ca efect secundar pozitiv al funcționării dispozitivului. Totul depinde de aplicația pe care doriți să o faceți cu acest dispozitiv (pe care cumva am numit-o „Amplificatorul V1.0” apropo).

Sper că veți găsi acest lucru util.

Mulțumesc pentru lectură!