Amplificateur de guitare 18 W à commande numérique : 7 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Il y a quelques années, j'ai construit un amplificateur de guitare 5W, qui était une sorte de solution pour mon système audio à l'époque, et récemment j'ai décidé d'en construire un nouveau beaucoup plus puissant et sans utiliser de composants analogiques pour l'interface utilisateur, comme les potentiomètres rotatifs et les interrupteurs à bascule.

L'amplificateur de guitare 18 W à commande numérique est un amplificateur de guitare mono autonome de 18 W à commande numérique avec système d'effet de retard et un élégant écran à cristaux liquides, fournissant des informations exactes sur ce qui se passe dans le circuit.

Les caractéristiques du projet:

• Contrôle entièrement numérique: l'entrée de l'interface utilisateur est un encodeur rotatif avec un interrupteur intégré.
• ATMEGA328P: est un micro-contrôleur (utilisé comme système de type Arduino): tous les paramètres réglables sont contrôlés par programme par l'utilisateur.
• LCD: agit comme une sortie d'interface utilisateur, de sorte que les paramètres de l'appareil tels que le gain/le volume/la profondeur du retard/le temps de retard peuvent être observés avec une grande approximation.
• Potentiomètres numériques: sont utilisés dans les sous-circuits, ce qui rend le contrôle de l'appareil entièrement numérique.
• Système en cascade: chaque circuit du système prédéfini est un système distinct qui ne partage que des lignes d'alimentation, capable d'un dépannage relativement facile en cas de panne.
• Préamplificateur: basé sur le circuit intégré LM386, avec une conception schématique très simple et un minimum de pièces.
• Circuit à effet de retard: est basé sur le circuit intégré PT2399, peut être acheté sur eBay en tant que circuit intégré séparé (j'ai conçu l'ensemble du circuit de retard moi-même) ou peut être utilisé comme module complet avec la possibilité de remplacer les potentiomètres rotatifs par des digipots.
• Amplificateur de puissance: est basé sur le module TDA2030, qui contient déjà tous les circuits périphériques pour son fonctionnement.
• Alimentation: L'appareil est alimenté par une ancienne alimentation externe 19V DC pour ordinateur portable, donc l'appareil contient un module DC-DC abaisseur en tant que pré-régulateur pour le LM7805, ce qui lui permet de dissiper beaucoup moins de chaleur pendant l'utilisation de l'alimentation de l'appareil.

Après avoir couvert toutes les brèves informations, construisons-le !

Étape 1: L'idée

Comme vous pouvez le voir dans le schéma fonctionnel, l'appareil fonctionne comme une approche classique de la conception de l'amplificateur de guitare avec de légères variations sur le circuit de commande et l'interface utilisateur. Il existe au total trois groupes de circuits sur lesquels nous allons nous étendre: analogique, numérique et alimentation, où chaque groupe se compose de sous-circuits séparés (le sujet sera bien expliqué dans les étapes suivantes). Pour faciliter la compréhension de la structure du projet, expliquons ces groupes:

1. Partie analogique: les circuits analogiques sont situés dans la moitié supérieure du schéma fonctionnel, comme on peut le voir ci-dessus. Cette partie est en charge de tous les signaux qui traversent l'appareil.

La prise jack 1/4 est l'entrée mono guitare d'un appareil et est située à la frontière entre le boîtier et le circuit électronique soudé.

L'étape suivante est un préamplificateur, basé sur le circuit intégré LM386, qui est extrêmement facile à utiliser dans de telles applications audio. Le LM386 est alimenté en 5V DC depuis l'alimentation principale, où ses paramètres, gain et volume, sont contrôlés via des potentiomètres numériques.

Le troisième étage est un amplificateur de puissance, basé sur le circuit intégré TDA2030, alimenté par une alimentation externe 18~20V DC. Dans ce projet, le gain sélectionné sur l'amplificateur de puissance reste constant pendant toute la durée de fonctionnement. Étant donné que l'appareil n'est pas un seul circuit imprimé enveloppé, il est recommandé d'utiliser le module assemblé TDA2030A et de le fixer à la carte prototype en connectant uniquement les broches d'E/S et d'alimentation.

2. Partie numérique: les circuits numériques sont situés dans la moitié inférieure du schéma fonctionnel. Ils sont en charge de l'interface utilisateur et du contrôle des paramètres analogiques tels que le temps de retard/profondeur, le volume et le gain.

L'encodeur avec commutateur SPST intégré est défini comme une entrée de commande utilisateur. Puisqu'il est assemblé en une seule pièce, le seul besoin pour un bon fonctionnement est de fixer des résistances de rappel par programme ou physiquement (nous le verrons à l'étape des schémas).

Le microprocesseur en tant que "cerveau principal" du circuit est l'ATMEGA328P, qui est utilisé dans un style de type Arduino dans cet appareil. C'est l'appareil qui a toute la puissance numérique sur les circuits et qui commande tout ce qu'il faut faire. La programmation se fait via l'interface SPI, nous pouvons donc utiliser n'importe quel programmeur ISP USB approprié ou débogueur AVR acheté. Dans le cas où vous souhaitez utiliser Arduino comme microcontrôleur dans le circuit, cela est possible en compilant le code C attaché qui est présent dans l'étape de programmation.

Les potentiomètres numériques sont un couple de doubles circuits intégrés contrôlés via l'interface SPI par un microcontrôleur, avec un nombre total de 4 potentiomètres pour un contrôle total sur tous les paramètres:

L'écran LCD est une sortie d'interface utilisateur, qui nous permet de savoir ce qui se passe à l'intérieur de la boîte. Dans ce projet, j'ai utilisé l'écran LCD 16x2 probablement le plus populaire parmi les utilisateurs d'Arduino.

3. Alimentation: L'alimentation est chargée de fournir de l'énergie (tension et courant) à l'ensemble du système. Étant donné que le circuit de l'amplificateur de puissance est alimenté directement à partir d'un adaptateur externe pour ordinateur portable et que tous les circuits restants sont alimentés à partir de 5 V CC, un régulateur abaisseur ou linéaire CC-CC est nécessaire. Dans le cas de mettre un régulateur linéaire 5V en le connectant au 20V externe, lorsque le courant passe à travers le régulateur linéaire jusqu'à la charge, une énorme quantité de chaleur dissipée sur le régulateur 5V, nous ne le voulons pas. Ainsi, entre la ligne 20V et le régulateur linéaire 5V (LM7805), il y a un convertisseur abaisseur 8V DC-DC, qui agit comme un pré-régulateur. Une telle fixation empêche une dissipation énorme sur le régulateur linéaire, lorsque le courant de charge atteint des valeurs élevées.

Étape 2: Pièces et instruments

Parties éléctroniques:

1. Modules:

• PT2399 - Module IC d'écho\retard.
• LM2596 - Module abaisseur DC-DC
• TDA2030A - Module amplificateur de puissance 18W
• 1602A - LCD commun 16x2 caractères.
• Encodeur rotatif avec commutateur SPST intégré.

2. Circuits intégrés:

• LM386 - Amplificateur audio mono.
• LM7805 - Régulateur linéaire 5V.
• MCP4261/MCP42100 - Potentiomètres numériques doubles 100KOhm
• ATMEGA328P - Microcontrôleur

3. Composants passifs:

A. Condensateurs:

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

B. Résistances:

• 1x10R
• 4 x 10K

C. Potentiomètre:

1x10K

(Facultatif) Si vous n'utilisez pas le module PT2399 et que vous souhaitez construire le circuit vous-même, ces pièces sont requises:

• PT2399
• 1 résistance 100K
• Condensateur 2 x 4,7 uF
• Condensateur 2 x 3.9nF
• 2 résistances 15K
• 5 résistances 10K
• 1 résistance 3.7K
• 1x10uF Condensateur
• 1x10nF Condensateur
• 1 résistance 5.6K
• Condensateur 2 x 560pF
• Condensateur 2x82nF
• Condensateur 2 x 100nF
• 1x47uF Condensateur

4. Connecteurs:

• 1 x connecteur jack mono 1/4"
• 7 x borniers doubles
• 1 x connecteur de rangée femelle à 6 broches
• 3 connecteurs JST à 4 broches
• 1 x prise de connecteur d'alimentation mâle

Parties mécaniques:

• Haut-parleur avec une acceptation de puissance égale ou supérieure à 18W
• Enclos en bois
• Cadre en bois pour l'interface utilisateur en coupe (pour LCD et encodeur rotatif).
• Caoutchouc mousse pour haut-parleurs et zones d'interface utilisateur
• 12 vis perceuses pour les pièces
• 4 x boulons et écrous de fixation pour cadre LCD
• 4 pieds en caoutchouc pour des oscillations stables de l'appareil (le bruit mécanique de résonance est une chose courante dans la conception de l'amplificateur).
• Bouton pour encodeur rotatif

Instruments:

• Visseuse électrique
• Pistolet à colle chaude (si nécessaire)
• (Facultatif) Alimentation de laboratoire
• (Facultatif) Oscilloscope
• (Facultatif) Générateur de fonctions
• Fer à souder\station
• Petit cutter
• Petite pince
• Étain à souder
• Pince à épiler
• Envelopper le fil
• Forets
• Scie de petite taille pour la coupe du bois
• Couteau
• Fichier de meulage

Étape 3: Explication des schémas

Étant donné que nous connaissons le schéma fonctionnel du projet, nous pouvons procéder aux schémas, en tenant compte de toutes les choses que nous devons savoir sur le fonctionnement du circuit:

Circuit de préamplificateur: le LM386 est connecté avec un minimum de pièces, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des composants passifs externes. Dans le cas où vous souhaitez modifier la réponse en fréquence à l'entrée du signal audio, comme l'amplification des basses ou le contrôle de la tonalité, vous pouvez vous référer à la fiche technique du LM386, qui n'affectera pas ce schéma de principe de l'appareil, à l'exception des légers changements de connexions du préamplificateur.. Étant donné que nous utilisons une seule alimentation 5 V CC pour le circuit intégré, un condensateur de découplage (C5) doit être ajouté à la sortie du circuit intégré pour la suppression CC du signal. Comme on peut le voir, la broche de signal du connecteur 1/4 (J1) est connectée à la broche digipot 'A', et l'entrée non inverseuse LM386 est connectée à la broche digitpot 'B', donc en conséquence, nous avons simple diviseur de tension, contrôlé par microcontrôleur via l'interface SPI.

Circuit d'effet de retard\Echo: Ce circuit est basé sur le circuit d'effet de retard PT2399. Ce circuit semble compliqué d'après sa fiche technique, et il est très facile de se confondre avec le soudage complet. Il est recommandé d'acheter le module PT2399 complet déjà assemblé, et la seule chose à faire est de dessouder les potentiomètres rotatifs du module et de fixer les lignes digipot (Wiper, 'A' et 'B'). J'ai utilisé une référence de fiche technique à la conception de l'effet d'écho, avec des digipots attachés à la sélection de la période d'oscillation et au volume du signal de retour (ce que nous devrions appeler - "profondeur"). L'entrée du circuit de retard, appelée ligne DELAY_IN, est connectée à la sortie du circuit de préamplificateur. Ce n'est pas mentionné dans les schémas car je voulais que tous les circuits ne partagent que les lignes électriques, et les lignes de signaux sont connectées avec des câbles externes. "Comment pas pratique!", Vous pouvez penser, mais le fait est que, lors de la construction d'un circuit de traitement analogique, il est beaucoup plus facile de dépanner partie par partie chaque circuit du projet. Il est recommandé d'ajouter des condensateurs de dérivation à la broche d'alimentation 5V DC, en raison de sa zone bruyante.

Alimentation: L'appareil est alimenté via une prise d'alimentation externe par un adaptateur AC/DC 20V 2A. J'ai trouvé que la meilleure solution pour réduire une grande quantité de dissipation de puissance sur un régulateur linéaire sous forme de chaleur consiste à ajouter un convertisseur abaisseur 8V DC-DC (U10). LM2596 est un convertisseur buck utilisé dans de nombreuses applications et populaire parmi les utilisateurs d'Arduino, qui coûte moins de 1 $ sur eBay. Nous savons que ce régulateur linéaire a une chute de tension sur son débit (dans le cas du 7805, l'approximation théorique est d'environ 2,5 V), il existe donc un écart sécurisé de 3 V entre l'entrée et la sortie du LM7805. Il n'est pas recommandé de négliger le régulateur linéaire et de connecter lm2596 directement à la ligne 5V, en raison du bruit de commutation, dont l'ondulation de tension peut affecter la stabilité de l'alimentation des circuits.

Amplificateur de puissance: C'est aussi simple qu'il y paraît. Depuis que j'ai utilisé un module TDA2030A dans ce projet, la seule exigence est de connecter les broches d'alimentation et les lignes d'E/S de l'amplificateur de puissance. Comme il a été mentionné précédemment, l'entrée de l'ampli de puissance est connectée à la sortie du circuit de retard via un câble externe à l'aide de connecteurs. Le haut-parleur utilisé dans l'appareil est connecté à la sortie de l'amplificateur de puissance via un bornier dédié.

Potentiomètres numériques: composants probablement les plus importants de l'ensemble de l'appareil, ce qui le rend capable d'être contrôlé numériquement. Comme vous pouvez le voir, il existe deux types de digipots: MCP42100 et MCP4261. Ils partagent le même brochage mais diffèrent dans la communication. Je n'ai que deux derniers digipots dans mon stock lorsque j'ai construit ce projet, donc j'ai juste utilisé ce que j'avais, mais je recommande d'utiliser deux digipots du même type soit MCP42100 ou MCP4261. Chaque digipot est contrôlé par une interface SPI, une horloge de partage (SCK) et des broches d'entrée de données (SDI). Le contrôleur SPI de l'ATMEGA328P est capable de gérer plusieurs appareils en pilotant des broches de sélection de puce séparées (CS ou CE). Il est conçu de cette façon dans ce projet, où les broches d'activation de la puce SPI sont connectées à des broches séparées du microcontrôleur. PT2399 et LM386 sont connectés à une alimentation 5V, nous n'avons donc pas à nous soucier de la variation de tension sur le réseau de résistances digipot à l'intérieur des circuits intégrés (il est largement couvert dans la fiche technique, dans la section de la plage de niveau de tension sur les résistances de commutation internes).

Microcontrôleur: comme il a été mentionné, basé sur un ATMEGA328P de style Arduino, avec le besoin d'un seul composant passif - résistance de rappel (R17) sur la broche de réinitialisation. Le connecteur à 6 broches (J2) est utilisé pour la programmation de l'appareil via le programmeur ISP USB via l'interface SPI (Oui, la même interface à laquelle les digipots sont connectés). Toutes les broches sont connectées aux composants appropriés, qui sont présentés dans le schéma de principe. Il est fortement recommandé d'ajouter des condensateurs de dérivation à proximité des broches d'alimentation 5V. Les condensateurs que vous voyez près des broches du codeur (C27, C28) sont utilisés pour empêcher l'état du codeur de rebondir sur ces broches.

LCD: L'écran à cristaux liquides est connecté de manière classique avec une transmission de données à 4 bits et deux broches supplémentaires de verrouillage des données - Register select (RS) et Enable (E). L'écran LCD a une luminosité constante et un contraste variable, qui peuvent être ajustés avec un seul trimmer (R18).

Interface utilisateur: l'encodeur rotatif de l'appareil dispose d'un bouton-poussoir SPST intégré, où toutes ses connexions sont liées aux broches du microcontrôleur décrites. Il est recommandé de fixer une résistance de pull-up à chaque broche de l'encodeur: A, B et SW, au lieu d'utiliser un pull-up interne. Assurez-vous que les broches A et B de l'encodeur sont connectées aux broches d'interruption externes du microcontrôleur: INT0 et INT1 pour se conformer au code et à la fiabilité de l'appareil lors de l'utilisation du composant de l'encodeur.

Connecteurs et borniers JST: Chaque circuit analogique: préamplificateur, retard et amplificateur de puissance sont isolés sur la carte soudée et sont connectés par des câbles entre les borniers. L'encodeur et l'écran LCD sont attachés aux câbles JST et connectés à la carte soudée via les connecteurs JST comme décrit ci-dessus. L'entrée jack d'alimentation externe et l'entrée guitare jack mono 1/4 sont connectées via des borniers.

Étape 4: Souder

Après une brève préparation, il faut imaginer un placement précis de tous les composants sur la carte. Il est préférable de commencer le processus de soudure à partir du préamplificateur et de terminer avec tous les circuits numériques.

Voici la description étape par étape:

1. Circuit de préamplificateur à souder. Vérifiez ses connexions. Assurez-vous que les lignes de masse sont partagées sur toutes les lignes appropriées.

2. Soudez le module/IC PT2399 avec tous les circuits périphériques, selon le schéma de principe. Depuis que j'ai soudé tout le circuit de retard, vous pouvez voir qu'il y a beaucoup de lignes partagées qui peuvent être soudées facilement selon chaque fonction de broche PT2399. Si vous avez un module PT2399, il suffit de dessouder les potentiomètres rotatifs et de souder les lignes nettes du potentiomètre numérique sur ces broches libérées.

3. Soudez le module TDA2030A, assurez-vous que le connecteur de sortie du haut-parleur est centré à l'extérieur de la carte.

4. Souder le circuit d'alimentation. Placez les condensateurs de dérivation selon le schéma de principe.

5. Souder le circuit du microcontrôleur avec son connecteur de programmation. Essayez de le programmer, assurez-vous qu'il n'échoue pas dans le processus.

6. Potentiomètres numériques à souder

7. Soudez tous les connecteurs JST dans les zones en fonction de chaque connexion de ligne.

8. Mettez la carte sous tension, si vous disposez d'un générateur de fonctions et d'un oscilloscope, vérifiez chaque réponse de circuit analogique au signal d'entrée étape par étape (recommandé: 200 mVpp, 1 KHz).

9. Vérifiez la réponse du circuit sur l'amplificateur de puissance et le circuit/module de retard séparément.

10. Connectez le haut-parleur à la sortie de l'amplificateur de puissance et le générateur de signal à l'entrée, assurez-vous d'entendre la tonalité.

11. Si tous les tests que nous avons effectués sont concluants, nous pouvons passer à l'étape d'assemblage.

Étape 5: Assemblage

C'est probablement la partie la plus difficile du projet du point de vue de l'approche technique, à moins qu'il n'y ait des outils utiles pour la coupe du bois dans votre stock. J'avais un ensemble très limité d'instruments, j'ai donc été obligé d'opter pour la voie difficile - couper la boîte manuellement avec une lime de meulage. Passons en revue les étapes essentielles:

1. Préparation de la boîte:

1.1 Assurez-vous d'avoir un boîtier en bois avec des dimensions appropriées à l'allocation du haut-parleur et de la carte électronique.

1.2 Découpez la zone pour le haut-parleur, il est fortement recommandé de fixer un cadre en caoutchouc mousse à la zone de découpe du haut-parleur pour éviter les vibrations de résonance.

1.3 Couper un cadre en bois séparé pour l'interface utilisateur (LCD et encodeur). Coupez la zone appropriée pour l'écran LCD, assurez-vous que la direction de l'écran LCD n'est pas inversée par rapport à la vue du boîtier avant. Une fois cette opération terminée, percez un trou pour l'encodeur rotatif. Fixez l'écran LCD avec 4 vis de perçage et l'encodeur rotatif avec un écrou métallique approprié.

1.4 Placez du caoutchouc mousse sur le cadre en bois de l'interface utilisateur sur tout son périmètre. Cela aidera également à empêcher les notes de résonner.

1.5 Repérez l'emplacement de la carte électronique, puis percez 4 trous sur le boîtier en bois

1.6 Préparez un côté, où seront situées la prise d'entrée d'alimentation externe CC et l'entrée de guitare 1/4 , percez deux trous avec des diamètres appropriés. Assurez-vous que ces connecteurs partagent le même brochage que la carte électronique (c'est-à-dire la polarité). Après cela, souder deux paires de fils pour chaque entrée.

2. Connexion des pièces:

2.1 Fixez le haut-parleur à la zone sélectionnée, assurez-vous que deux fils sont connectés aux broches du haut-parleur avec 4 vis de forage.

2.2 Fixez le panneau d'interface utilisateur sur le côté sélectionné du boîtier. N'oubliez pas le caoutchouc mousse.

2.3 Connecter tous les circuits entre eux via des borniers

2.4 Connectez l'écran LCD et l'encodeur à la carte via les connecteurs JST.

2.5 Connectez le haut-parleur à la sortie du module TDA2030A.

2.6 Connectez les entrées d'alimentation et de guitare aux borniers de la carte.

2.7 Placez la planche à la position des trous percés, fixez la planche avec 4 vis de forage depuis l'extérieur de l'enceinte en bois.

2.8 Attachez toutes les pièces de l'enceinte en bois ensemble pour qu'elle ressemble à une boîte solide.

Étape 6: Programmation et code

Le code de l'appareil obéit aux règles de la famille des microcontrôleurs AVR et est conforme au MCU ATMEGA328P. Le code est écrit dans Atmel Studio mais il est possible de programmer une carte Arduino avec Arduino IDE qui possède le même MCU ATMEGA328P. Le microcontrôleur autonome peut être programmé via un adaptateur de débogage USB conformément à Atmel Studio ou via le programmeur USP ISP, qui peut être acheté sur eBay. Le logiciel de programmation couramment utilisé est AVRdude, mais je préfère un ProgISP - un simple logiciel de programmation USB ISP avec une interface utilisateur très conviviale.

Toutes les explications nécessaires sur le code peuvent être trouvées dans le fichier Amplifice.c joint.

Le fichier Amplifice.hex joint peut être téléchargé directement sur l'appareil s'il est entièrement conforme au schéma que nous avons observé précédemment.

Étape 7: Tester

Eh bien, une fois que tout ce que nous voulions est fait, il est temps de tester. J'ai préféré tester l'appareil avec mon ancienne guitare bon marché et un simple circuit de contrôle de tonalité passif que j'ai construit il y a des années sans raison. L'appareil est également testé avec un processeur d'effets numérique et analogique. Ce n'est pas trop génial que le PT2399 ait une si petite RAM pour stocker les échantillons audio utilisés dans les séquences de retard, lorsque le temps entre les échantillons d'écho est trop grand, l'écho est numérisé avec une grande perte de bits de transition, ce qui est considéré comme une distorsion du signal. Mais cette distorsion "numérique" que nous entendons peut être utile comme effet secondaire positif du fonctionnement de l'appareil. Tout dépend de l'application que vous voulez faire avec cet appareil (que j'ai appelé en quelque sorte "Amplifice V1.0" d'ailleurs).

J'espère que vous trouverez cette instructable utile.

Merci d'avoir lu!