Amplificateur de bureau avec visualisation audio, horloge binaire et récepteur FM : 8 étapes (avec images)

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

J'aime les amplis et aujourd'hui, je vais partager mon ampli de table basse consommation que j'ai fabriqué récemment. L'amplificateur que j'ai conçu a des caractéristiques intéressantes. Il a une horloge binaire intégrée et peut donner l'heure et la date et il peut visualiser l'audio souvent appelé analyseur de spectre audio. Vous pouvez l'utiliser comme récepteur FM ou lecteur MP3. Si vous aimez mon amplificateur d'horloge, suivez les étapes ci-dessous pour créer votre propre copie.

Étape 1: bons conseils de conception d'amplificateur

Concevoir un circuit audio de bonne qualité sans bruit est vraiment difficile, même pour un concepteur expérimenté. Vous devez donc suivre quelques conseils pour améliorer votre conception.

Puissance

Les amplificateurs de haut-parleur sont généralement alimentés directement à partir de la tension principale du système et nécessitent un courant relativement élevé. La résistance dans la trace entraînera des chutes de tension qui réduiront la tension d'alimentation de l'amplificateur et gaspilleront de l'énergie dans le système. La résistance de trace provoque également la conversion des fluctuations normales du courant d'alimentation en fluctuations de tension. Pour maximiser les performances, utilisez des pistes courtes et larges pour toutes les alimentations d'amplificateur.

Mise à la terre

La mise à la terre joue le rôle unique et le plus important pour déterminer si le potentiel de l'appareil est atteint par le système. Un système mal mis à la terre aura probablement une distorsion, un bruit, une diaphonie et une susceptibilité RF élevés. Bien que l'on puisse se demander combien de temps doit être consacré à la mise à la terre du système, un schéma de mise à la terre soigneusement conçu empêche un grand nombre de problèmes de se produire.

Le sol dans tout système doit servir à deux fins. Premièrement, c'est le chemin de retour pour tous les courants circulant vers un appareil. Deuxièmement, c'est la tension de référence pour les circuits numériques et analogiques. La mise à la terre serait un exercice simple si la tension à tous les points de la terre pouvait être la même. En réalité, ce n'est pas possible. Tous les fils et traces ont une résistance finie. Cela signifie que chaque fois qu'un courant circule dans le sol, il y aura une chute de tension correspondante. Toute boucle de fil forme également un inducteur. Cela signifie que chaque fois que le courant passe de la batterie à une charge, et revient à la batterie, le chemin du courant a une certaine inductance. L'inductance augmente l'impédance de terre aux hautes fréquences.

Bien que la conception du meilleur système au sol pour une application particulière ne soit pas une tâche simple, certaines directives générales s'appliquent à tous les systèmes.

1. Établir un plan de masse continu pour les circuits numériques: le courant numérique dans le plan de masse a tendance à suivre le même itinéraire que le signal d'origine. Ce chemin crée la plus petite zone de boucle pour le courant, minimisant ainsi les effets d'antenne et l'inductance. La meilleure façon de s'assurer que toutes les traces de signal numérique ont un chemin de masse correspondant est d'établir un plan de masse continu sur la couche immédiatement adjacente à la couche de signal. Cette couche doit couvrir la même zone que la trace du signal numérique et avoir le moins d'interruptions possible dans sa continuité. Toutes les interruptions dans le plan de masse, y compris les vias, font circuler le courant de masse dans une boucle plus large que ce qui est idéal, augmentant ainsi le rayonnement et le bruit.
2. Gardez les courants de terre séparés: Les courants de terre pour les circuits numériques et analogiques doivent être séparés pour empêcher les courants numériques d'ajouter du bruit aux circuits analogiques. La meilleure façon d'y parvenir est de placer correctement les composants. Si tous les circuits analogiques et numériques sont placés sur des parties séparées du PCB, les courants de terre seront naturellement isolés. Pour que cela fonctionne correctement, la section analogique doit contenir uniquement des circuits analogiques sur toutes les couches du PCB.
3. Utilisez la technique de mise à la terre en étoile pour les circuits analogiques: les amplificateurs de puissance audio ont tendance à tirer des courants relativement importants qui peuvent affecter négativement à la fois leurs propres références de terre et les autres dans le système. Pour éviter ce problème, fournissez des chemins de retour dédiés pour les masses d'alimentation de l'amplificateur ponté et les retours de masse de la prise casque. L'isolement permet à ces courants de revenir vers la batterie sans affecter la tension des autres parties du plan de masse. N'oubliez pas que ces chemins de retour dédiés ne doivent pas être acheminés sous des traces de signaux numériques car ils pourraient bloquer les courants de retour numériques.
4. Maximiser l'efficacité des condensateurs de dérivation: Presque tous les appareils nécessitent des condensateurs de dérivation pour fournir un courant instantané. Pour minimiser l'inductance entre le condensateur et la broche d'alimentation de l'appareil, placez ces condensateurs aussi près que possible de la broche d'alimentation qu'ils contournent. Toute inductance réduit l'efficacité du condensateur de dérivation. De même, le condensateur doit être doté d'une connexion à basse impédance à la terre pour minimiser l'impédance haute fréquence du condensateur. Connectez directement le côté masse du condensateur au plan de masse, plutôt que de le faire passer par une piste.
5. Inonder toute la zone de PCB inutilisée avec la terre: chaque fois que deux morceaux de cuivre passent l'un à côté de l'autre, un petit couplage capacitif se forme entre eux. En faisant passer une inondation au sol près des traces de signal, l'énergie haute fréquence indésirable dans les lignes de signal peut être dérivée vers la terre via le couplage capacitif.

Essayez de garder les alimentations, le transformateur et les circuits numériques bruyants à l'écart de vos circuits audio. Utilisez une connexion de masse séparée pour le circuit audio et il est bon de ne pas utiliser de plans de masse pour les circuits audio. La connexion à la masse (GND) de l'amplificateur audio est très importante par rapport à la masse d'autres transistors, IC, etc. S'il y a un bruit de masse entre les deux, l'amplificateur va le produire.

Envisagez d'alimenter les circuits intégrés importants et tout ce qui est sensible en utilisant une résistance 100R entre eux et +V. Incluez un condensateur électrique de taille décente (par exemple 220 uF) du côté IC de la résistance. Si IC tire beaucoup de puissance, assurez-vous que la résistance peut la gérer (sélectionnez une puissance suffisamment élevée et fournissez un dissipateur thermique en cuivre pour PCB si nécessaire) et gardez à l'esprit qu'il y aura une chute de tension à travers la résistance.

Pour les conceptions à base de transformateur, vous voulez que les condensateurs du redresseur soient aussi proches que possible des broches du redresseur et connectés via leurs propres pistes épaisses en raison des courants de charge importants au tout début de l'onde sinusoïdale redressée. Comme la tension de sortie du redresseur dépasse la tension de décroissance du condensateur, un bruit impulsionnel est produit dans le circuit de charge qui peut être transféré dans le circuit audio s'ils partagent le même morceau de cuivre dans l'une ou l'autre des lignes électriques. Vous ne pouvez pas vous débarrasser du courant de charge par impulsions, il est donc préférable de garder le condensateur local sur le redresseur en pont pour minimiser ces impulsions d'énergie à courant élevé. Si un amplificateur audio est près du redresseur, ne localisez pas un gros condensateur à côté de l'ampli pour éviter que ce condensateur ne cause ce problème, mais s'il y a un peu de distance, alors c'est bien de donner à l'amplificateur son propre condensateur car il flotte chargé à partir de l'alimentation et finit par avoir une impédance relativement élevée en raison de la longueur du cuivre.

Localisez les régulateurs de tension qui sont utilisés par les circuits audio à proximité des redresseurs/entrées d'alimentation et connectez-les également avec leurs propres connexions.

Signaux

Dans la mesure du possible, évitez les signaux audio entrants et sortants vers et depuis les circuits intégrés fonctionnant en parallèle sur le PCB car cela peut provoquer des oscillations qui renvoient de la sortie à l'entrée. N'oubliez pas que seulement 5 mV peuvent provoquer beaucoup de bourdonnement !

Éloignez les plans de masse numériques du GND audio et des circuits audio en général. Le bourdonnement peut être introduit dans l'audio simplement parce que les pistes sont trop proches des plans numériques.

Lors de l'interfaçage avec d'autres équipements, si vous alimentez une autre carte qui comprend des circuits audio (allant donner ou recevoir un signal audio), assurez-vous qu'il n'y a qu'un seul point auquel GND se connecte entre les 2 cartes et cela devrait idéalement être à la connexion du signal audio analogique point.

Pour les connexions IO de signal à d'autres appareils / au monde extérieur, il est idéal d'utiliser une résistance 100R entre les circuits GND et le monde extérieur GND pour tout (y compris les parties numériques du circuit) afin d'empêcher la création de boucles de masse.

Condensateurs

Utilisez-les partout où vous voulez isoler les sections les unes des autres. Valeurs à utiliser:.

N'utilisez pas de condensateurs céramiques. La raison en est que les condensateurs en céramique donneront un effet piézoélectrique à un signal alternatif qui provoque du bruit. Utilisez un Poly d'un certain type – Le polypropylène est le meilleur, mais n'importe lequel fera l'affaire. Les véritables têtes audio disent également de ne pas utiliser d'électrolytiques en ligne, mais de nombreux concepteurs le font sans problème - c'est probablement pour les applications de haute pureté et non pour la conception audio standard générale.

N'utilisez pas de condensateurs au tantale n'importe où dans les chemins de signaux audio (certains concepteurs peuvent ne pas être d'accord, mais ils peuvent causer d'horribles problèmes)

Un substitut généralement accepté pour le polycarbonate est le PPS (sulfure de polyphénylène).

Les condensateurs en film de polycarbonate et en film de polystyrène et en téflon de haute qualité et les condensateurs en céramique NPO/COG ont des coefficients de capacité de tension très bas et donc une distorsion très faible et les résultats sont très clairs en utilisant des analyseurs de spectre ainsi que des oreilles.

Évitez les diélectriques en céramique à K élevé, ils ont un coefficient de tension élevé qui, je suppose, pourrait entraîner une certaine distorsion s'ils étaient utilisés dans un étage de contrôle de tonalité.

Placement des composants

La première étape de toute conception de PCB consiste à choisir où placer les composants. Cette tâche est appelée « planification d'étage ». Un placement minutieux des composants peut faciliter le routage du signal et le partitionnement de la masse. Il minimise la prise de bruit et la surface de carte requise.

Le placement des composants dans la section analogique doit être sélectionné. Les composants doivent être placés de manière à minimiser la distance parcourue par les signaux audio. Placez l'amplificateur audio aussi près que possible de la prise casque et du haut-parleur. Ce positionnement minimisera le rayonnement EMI des amplificateurs de haut-parleur de classe D et minimisera la susceptibilité au bruit des signaux de casque de faible amplitude. Placez les appareils fournissant l'audio analogique aussi près que possible de l'amplificateur afin de minimiser la capture de bruit sur les entrées de l'amplificateur. Toutes les traces de signal d'entrée agiront comme des antennes pour les signaux RF, mais le raccourcissement des traces permet de réduire l'efficacité de l'antenne pour les fréquences généralement préoccupantes.

Étape 2: Vous avez besoin…

1. Circuit intégré d'amplificateur audio TEA2025B (ebay.com)

2. 6 condensateurs électrolytiques 100 uF (ebay.com)

3. Condensateur électrolytique 2 pièces 470uF (ebay.com)

4. Condensateur 2 pièces 0.22uF

5. 2 condensateurs en céramique 0,15 uF

6. Potentiomètre de contrôle du volume double (50 - 100K) (ebay.com)

7. 2 haut-parleurs 4 ohms 2,5 W

8. Module récepteur MP3 + FM (ebay.com)

9. Matrice LED avec pilote IC (Adafruit.com)

10. Carte Vero et quelques fils.

11. Arduino UNO (Adafruit.com)

12. Module RTC DS1307 (Adafruit.com)

Étape 3: faire le circuit de l'amplificateur

Selon le schéma de circuit ci-joint, soudez l'ensemble des composants dans le PCB. Utilisez une valeur précise pour les condensateurs. Attention à la polarité des condensateurs électrolytiques. Essayez de garder tout le condensateur aussi près que possible du circuit intégré pour minimiser le bruit. Souder directement IC sans utiliser de base IC. Assurez-vous de couper les traces entre les deux côtés du circuit intégré de l'amplificateur. Tous les joints de soudure doivent être parfaits. Il s'agit d'un circuit amplificateur audio, alors soyez professionnel au sujet de la connexion à souder, en particulier de la masse (GND).

Étape 4: Test du circuit avec haut-parleur

Après avoir terminé toute la connexion et la soudure, connectez deux haut-parleurs 4 ohms 2,5 W au circuit de l'amplificateur. Connectez une source audio au circuit et mettez-le sous tension. Si tout se passe bien vous aurez ici le son sans bruit.

J'ai utilisé le circuit intégré d'amplificateur audio TEA2025B pour l'amplification audio. C'est une belle puce d'amplificateur audio qui fonctionne dans une large plage de tension (3 V à 9 V). Ainsi, vous pouvez le tester avec n'importe quelle tension dans la plage. J'utilise un adaptateur 9V et tout fonctionne bien. Le circuit intégré peut fonctionner en mode de connexion double ou pont. Pour plus de détails sur la puce de l'amplificateur, veuillez consulter la fiche technique.

Étape 5: Préparation du panneau avant de la matrice de points

Pour la visualisation du signal audio et l'affichage de la date et de l'heure, j'ai mis un affichage matriciel à l'avant du boîtier de l'amplificateur. Pour bien faire le travail, j'ai utilisé un outil rotatif pour couper le cadre en fonction de la taille de la matrice. Si votre écran n'a pas de puce de pilote intégrée, utilisez-en une séparément. Je préfère la matrice bicolore d'Adafruit. Après avoir sélectionné l'affichage matriciel parfait, ajustez l'affichage à la base avec de la colle chaude.

Nous le connecterons à la carte Arduino plus tard. L'écran bicolore d'Adafruit utilise le protocole i2c pour communiquer avec le microcontrôleur. Nous allons donc connecter les broches SCL et SDA du circuit intégré du pilote à la carte Arduino.

Étape 6: Programmation avec Arduino

Connectez l'affichage matriciel bicolore intelligent Adafruit comme:

1. Connectez la broche Arduino 5V à la matrice LED + broche.
2. Connectez la broche Arduino GND à la fois à la broche GND de l'ampli micro et à la broche de la matrice LED.
3. Vous pouvez utiliser un rail d'alimentation de maquette ou l'Arduino dispose de plusieurs broches GND. Connectez la broche analogique Arduino 0 à la broche du signal audio.
4. Connectez les broches Arduino SDA et SCL aux broches D (données) et C (horloge) du sac à dos de la matrice, respectivement.
5. Les cartes Arduino antérieures n'incluent pas les broches SDA et SCL - utilisez plutôt les broches analogiques 4 et 5.
6. Téléchargez le programme ci-joint et testez qu'il fonctionne ou non:

Commencez par télécharger le référentiel Piccolo depuis Github. Sélectionnez le bouton « télécharger le ZIP ». Une fois cette opération terminée, décompressez le fichier ZIP obtenu sur votre disque dur. Il y aura deux dossiers à l'intérieur: « Piccolo » doit être déplacé vers votre dossier de carnet de croquis Arduino habituel. "ffft" doit être déplacé dans votre dossier "Bibliothèques" Arduino (à l'intérieur du dossier du carnet de croquis - s'il n'y est pas, créez-en un). Si vous n'êtes pas familier avec l'installation des bibliothèques Arduino, veuillez suivre ce didacticiel. Et n'installez jamais dans le dossier Library adjacent à l'application Arduino elle-même… l'emplacement approprié est toujours un sous-répertoire de votre dossier personnel ! Si vous n'avez pas déjà installé la bibliothèque Adafruit LED Backpack (pour utiliser la matrice LED), veuillez télécharger et installer cela aussi. Une fois les dossiers et les bibliothèques situés, redémarrez l'IDE Arduino et le croquis "Piccolo" devrait être disponible dans le menu Fichier-> Carnet de croquis.

Avec le croquis Piccolo ouvert, sélectionnez votre type de carte Arduino et votre port série dans le menu Outils. Cliquez ensuite sur le bouton Télécharger. Après un moment, si tout se passe bien, vous verrez le message « Téléchargement terminé ». Si tout se passe bien, vous verrez le spectre audio de n'importe quelle entrée audio.

Si votre système fonctionne bien, téléchargez le croquis complete.ino joint avec l'étape d'ajout d'une horloge binaire avec la visualisation audio. Pour toute entrée audio, le haut-parleur affichera le spectre audio, sinon il affichera l'heure et la date.

Étape 7: Réparer toutes les choses ensemble

Maintenant, fixez le circuit amplificateur que vous avez construit à l'étape précédente à la boîte avec de la colle chaude. Suivez les images jointes à cette étape.

Après avoir connecté le circuit amplificateur, connectez maintenant le module récepteur MP3 + FM dans la boîte. Avant de le fixer avec de la colle, faites un test pour vous assurer qu'il fonctionne. Si cela fonctionne bien, fixez-le avec de la colle. La sortie audio du module MP3 doit être connectée à l'entrée du circuit amplificateur.

Étape 8: Connexions internes et produit final

Si le haut-parleur reçoit un signal audio, il affiche le spectre audio, sinon la date et l'heure sont au format binaire BCD. Si vous aimez la programmation et la technologie numérique, alors je suis sûr que vous aimez le binaire. J'aime l'horloge binaire et binaire. Auparavant, je faisais une montre-bracelet binaire et le format de l'heure est exactement le même que ma montre précédente. Ainsi, pour illustrer le format de l'heure, j'ai ajouté l'image précédente de ma montre sans en produire une autre.

Merci.

Quatrième Prix du Concours Circuits 2016

Premier prix au concours Amplis et enceintes 2016