Utjämnad hörlursförstärkare för hörselskadade: 10 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:36

Mina behov

För några månader sedan utrustades jag med hörapparater för att kompensera för en förlust av känslighet för höga frekvenser, vilket orsakade att ljud dämpades och svårigheter att skilja sybillants (t.ex. "S" och "F"). Men hjälpmedlen ger ingen fördel när du använder hörlurar eftersom mikrofonerna ligger bakom örat. Efter att ha experimenterat med en induktionshalsband och direkt ingång till mina hörapparater (ingen av dem gav tillfredsställande resultat) kom jag på idén om en hörlursförstärkare med ett justerbart frekvenssvar utformat för att matcha mina hörapparats.

Om du har något annat krav på utjämning kan detta projekt enkelt anpassas. Det ger boost (eller cut, med en trivial modifiering) vid 3 mittfrekvenser. Det kan dock utökas till fler frekvensband.

Resultatet

Det jag slutade med var en snygg liten 6 cm fyrkantig låda med 3,5 mm -uttag och Bluetooth -ingångar och en 3,5 mm -hörlursutgång. Jag tyckte att förbättringen av lyssningsupplevelsen för musik var spektakulär och en stor förbättring för tal.

Vad denna instruerbara kommer att ge dig

Låt mig inledningsvis konstatera att detta inte är ett nybörjarprojekt. Du behöver en rimlig nivå av lödningskunskaper, och om du vill ändra den (som du kan) måste du lära dig Eagle för brädans layout och TinkerCAD för den 3D-tryckta rutan. Båda tog mig lite tid att bemästra men inget av det var svårt. Jag förväntar mig att människor lär sig något av mina instruktioner (om du inte redan vet mer än jag gör), inte bara att blindt följa instruktionerna.

Om du aldrig har lödt ytmonterade komponenter, låt dig inte skjutas upp - det är inte så svårt som du kanske tror. Se denna guide för en introduktion.

Vad du får från detta projekt är:

• Eagle designfiler (schematisk och layout)
• Ett Excel -kalkylblad som innehåller designekvationerna så att du kan anpassa utjämningen till dina behov
• TinkerCAD -designen för 3D -tryckt låda.

Eftersom minsta beställning för det skräddarsydda kretskortet var 5 st, har jag 3 nakna brädor som går extra (en såld). Dessa är nu till försäljning på eBay - se

Steg 1: Designprocessen: krav och strategi

När jag började tänka på det här projektet var en av de första frågorna i mitt sinne om jag skulle använda analoga eller digitala filter. I en tråd på forumet All About Circuits varnade Keith Walker mig för en mycket billig (analog) grafisk equalizer från Fjärran Östern (illustrerad ovan) som han hade använt för att lösa samma problem. Så jag beställde en som ett bevis på konceptet.

Det fungerade bra men var för skrymmande för bärbar användning och behövde både positiva och negativa kraftskenor, en extra olägenhet. Men det bekräftade tillvägagångssättet och typen av filterkretsar som ska användas.

Jag förfina mina krav till följande:

• Den måste vara kompakt, bärbar och drivs av ett laddningsbart batteri.
• Den bör acceptera ingång från antingen ett 3,5 mm -uttag eller Bluetooth.
• Den måste ha separata vänster och höger stereokanaler.

Jag har använt konventionella genomgående hålskomponenter och 0,3 DIL IC: er på band i många tidigare projekt, men detta skulle ha gjort det för skrymmande. Så jag bestämde mig för att jag skulle behöva designa ett anpassat kretskort (en ny upplevelse för mig) med ytan montera komponenter (som jag har lite blygsam erfarenhet av. Jag skulle också behöva designa en 3D-tryckt låda (min 3D-designupplevelse var mycket begränsad).

En Bluetooth -funktion skulle vara lätt att lägga till med någon av de olika billiga Bluetooth -modulerna som finns tillgängliga.

Det finns 2 eller 3 dedikerade grafiska equalizer -IC: er som jag tittade på, men att använda billiga quadampampar verkade i slutändan enklare och krävdes bara så många externa komponenter.

Steg 2: Detaljerad design

Det grundläggande kretselementet jag använde är känt som en gyrator. Den använder en operationsförstärkare för att göra en kondensator till en virtuell induktor. Detta, och ytterligare en kondensator, gör en avstämd kretslopp som ger antingen skärning eller boost över ett visst frekvensområde. Mycket många grafiska equalizer -design använder en praktiskt taget identisk design och det är ingen idé att avvika från den. De exemplifieras av denna från Electronics Today International September 1977 sidan 27. Denna artikel förklarar mycket tydligt hur kretsen fungerar.

Jag ändrade den bara med hjälp av fyrkantiga opampar som skulle köras från en enda 5V -strömförsörjning och genom att lägga till en hörlursförstärkare IC för att säkerställa att den skulle driva hörlurar på ett adekvat sätt. Jag bytte också ut varje potentiometer med en potentiometer och ett motstånd för att bara ge boost och finare kontroll, eftersom jag inte behövde klippa.

Den schematiska och tavlan layout (båda genererade med Eagle) visas ovan.

En stor egenskap hos Eagle är att den innehåller Spice -kretssimuleringspaketet, vilket gör det möjligt att validera konstruktionen och att förutsäga frekvensresponsen innan man förbinder sig att tillverka kretskortet.

Kortet har 2 ingångar, ett 3,5 mm jackuttag och lödkuddar för anslutning av en Bluetooth -mottagarmodul. Dessa är faktiskt parallella. Ström kan levereras antingen via ett mini-USB-uttag eller lödkuddar. Jag använde mini snarare än mikro-USB eftersom ett mikro-USB-uttag skulle vara ganska svårt att handlödda och dessutom är mindre robust.

Steg 3: Eagle Install och installation

Om du vill skicka bräddesignen för tillverkning, ändra layouten eller helt enkelt ändra den svarkurva du behöver för att installera Eagle. Om (som jag när jag startade det här projektet) du inte är bekant med det, har SparkFun -webbplatsen en serie användbara självstudier på

Den första att titta på är Hur man installerar och konfigurerar Eagle.

Detta inkluderar installation av SparkFun -biblioteken. Den nedladdade zip-filen innehåller en mapp SparkFun-Eagle-Libraries-master som du ska kopiera till EAGLE / libraries

Du måste också importera mina Eagle schematiska och layout layout filer och mina Spice modeller. (Spice är kretssimuleringsprogrammet som gör att vi kan simulera förstärkarens frekvenssvar.)

Dessa ingår alla i en zip -fil som du kan ladda ner från

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Öppna zip -filen och dra och släpp projekt- och kryddmapparna i din EAGLE -mapp. (Den innehåller redan en tom projektmapp.)

Du bör nu vara redo att starta Eagle.

I rutan till vänster öppnar du Projekt, sedan projekt, sedan Equalized Headphone Amp.

Dubbelklicka på filerna Headphone_Amp.brd och Headphone_Amp.sch. Dessa öppnas i separata fönster, det första visar brädans layout och det andra schematiskt.

I schemat hittar du och klickar på knappen Simulera.

Detta öppnar konfigurationen för simulering. Klicka på alternativknappen AC Sweep, ställ in Type till Dec (standard) och Start- och slutfrekvens till 100 respektive 10000. Klicka på knappen Simulera längst ned till höger. Efter en paus bör en graf över frekvenssvaret visas, precis som visas i nästa steg.

Steg 4: Justera svarskurvan

Dina öron kommer sannolikt att vara annorlunda än mina, så först och främst behöver du en kopia av ditt audiogram. Din audionom bör kunna förse dig med detta, men om du har ett par bra hörlurar kan du göra dina egna genom att gå till

Detta bör ge dig en bra uppfattning om hur mycket boost du behöver vid olika frekvenser. I mitt fall ökar min hörselnedsättning snabbt över 3kHz, vilket gör det omöjligt att kompensera mycket över det. I alla fall indikerade några experiment som analyserade spektrumet av olika källor med Audacity att det förmodligen inte var mycket över det för att jag skulle saknas.

Som det ser ut låter projektet dig justera frekvenssvaret vid 3 mittfrekvenser på 1,5, 2,3 och 3,3 kHz, oberoende mellan vänster och höger kanal. Du kan hålla fast vid dessa frekvenser eller ändra dem (se nästa steg).

I din EAGLE / spice -mapp hittar du modeller för de tre trimpottarna POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl och POT_VR131.mdl. Dessa styr svaret vid de 3 frekvenserna. Om du öppnar något av dessa med en textredigerare (t.ex. anteckningsblock) visas en rad som:

.param VAR = 50

Ändra numret till allt mellan 0 och 100 för att representera positionen för motsvarande trimpot och därmed höjningen vid den frekvensen till allt från noll till maximalt.

Kör nu simuleringen igen (klicka på Uppdatera nätlista innan du klickar på Simulera) för att se hur frekvenssvaret nu ser ut.

Steg 5: Ändra mittfrekvenser

I Eagle Project -mappen har jag inkluderat ett Excel -kalkylblad Calc.xlsx. Öppna detta med Excel (eller om du inte har Excel, LibreOffice Calc, som är gratis). Detta kalkylblad förkroppsligar designberäkningarna för bara en av de tre filtersektionerna.

Den första rutan låter dig beräkna mittfrekvensen och Q -faktorn för givna värden R1, R2, C1 och C2. (Q- eller kvalitetsfaktorn bestämmer bredden på bandet. Ett högre värde ger ett smalare band och mer boost. Värden runt 4 verkar fungera bra om varje frekvens är ungefär 50% större än den föregående.)

I själva verket är det mer troligt att du vill välja frekvenser och beräkna komponentvärdena. Med en önskad frekvens och tre av de fyra komponentvärdena kan den andra rutan beräkna det fjärde komponentvärdet.

Komponenter finns i önskat värde (till exempel E12 -serien), så du kan välja det närmaste föredragna värdet till det beräknade värdet och mata tillbaka detta till den första rutan för att se vilken faktisk frekvens som ger.

Du måste sedan ansluta dina värden till Eagle -schemat och upprepa simuleringen.

Ta fram schemat och klicka på komponentvärdesikonen i den vänstra panelen och klicka sedan på den komponent du vill ändra. (Simuleringen är inställd för att fungera bara på den nedre eller vänstra kanalen.) Du får en varning om att komponenten inte har något användardefinierat värde. Vill du ändra det? Självklart gör du det! Ange det nya värdet i rutan som dyker upp.

Klicka på knappen Simulera, klicka på Uppdatera nätlista och sedan på Simulera.

Steg 6: Komponenter krävs

Du kommer naturligtvis att behöva ett kretskort. Om du inte använder en av mina reservplankor måste du skicka Eagle -filerna för tillverkning. De flesta tillverkare kräver designen som en uppsättning gerber -filer. Istället för att duplicera instruktionerna här, sök på nätet efter Eagle export gerber eller hänvisa till Sparkfun handledning.

Separata gerberfiler beskriver kopparlagren, lödmasken, silketrycket, borrningen och fräsning av skivans kontur.

Genom att skicka filerna online till en tillverkare kommer det att validera dem och varna dig om några viktiga filer saknas. Men det kommer inte att varna dig om en fil på skärmen saknas, vilket var mitt misstag. Detta är åtskilt från enhetens konturer.

Du behöver följande komponenter för att fylla på kortet.

• TL084 SOIC -14 quad op amp - 2 off
• LM4880M SOIC 250mW effektförstärkare - 1 av
• 0603 SMD -resistorsortiment
• 0603 SMD keramisk kondensatorsortiment 100pF - 1μF
• 5K Trimgryta 3362P -502 - 6 av
• 10uF 16V SMD 0805 Flerskiktad keramisk flerskiktskondensator - 4 av
• 2917 (EIA7343) 100μF 16V tantalkondensator - 2 av
• 2917 (EIA7343) 470μF 10V tantalkondensator - 2 av
• Mini USB kvinnlig 5-stifts SMD-uttag
• 3,5 mm stereo -jackjack med genomgående hål för PCB -montering - 2 av
• 3 mm blå LED (eller ditt val av färg)

För en komplett batteridriven enhet med Bluetooth-ingång behöver du dessutom:

• Bluetooth -mottagarmodul som stöder A2DP som denna
• LiPo -batteri: 503035 3.7V 500mAhr
• TP4056 LiPo-laddare med mini-USB-ingång (eller microUSB om du föredrar) som denna
• 3V - 5V boost -omvandlare som denna
• Mini SPDT -skjutreglage

OBS LiPo -laddaren kommer sannolikt att ställas in för en 1A laddström, vilket är för mycket för ett 500mAhr batteri. Det är viktigt att du tar bort laddningshastighetsprogrammeringsmotståndet (normalt 1,2K anslutet till stift 2 på TP4056 -chipet) och ersätter det med ett på 3,3k.

Jag använde ett LiPo-batteri med trådändar, men ett med en miniatyr JST-kontakt skulle tillåta att den endast ansluts efter att ha kopplats upp och dubbelkontrollerat allt annat, samt gjort det lättare att byta ut.

En Bluetooth -modul som körs på antingen 3,3V eller 5V är att föredra eftersom den sedan kan ta sin ström direkt från batteriet, vilket reducerar digitalt brus från 5V -matningen till huvudkortet.

Om du väljer en Bluetooth -modul som stöder AVRCP och A2DP kan du lägga till tryckknappar för volym upp/ner och nästa/föregående spår.

Många Bluetooth -moduler har en ytmonterad LED för att indikera anslutningsläget, och TP4056 -laddaren har röda och gröna ytmonterade lysdioder för att indikera laddningsläget. En låda som den jag gjorde kommer förmodligen att dölja dessa, så att de kan ersättas (se senare) med:

• 3 mm blå LED
• 3 mm röd/grön gemensam anod LED.

Steg 7: Använda en prototyp Bare Board

Om du har fått en av mina extra prototyper är det bara några mindre fel du måste vara medveten om.

• Det finns ingen silke på skärmen. Du kommer att tycka att det är bra att ha en tryckt kopia av tavlans layout till hands när du fyller den.
• Ett par vias var avsedda att länka topp- och bottenplanen som inte gör det. Detta har ingen konsekvens.
• C3 var ursprungligen 100uF, i ett 2917 -paket. Detta värde var alldeles för stort och är nu 1uF 0603. Du måste skrapa bort lite av lödmotståndet från markplanet för att passa detta, som visas på bilden.

Förstärkningen bestäms av värdena på motstånden R106 och R206. 22k ger ungefär enhetsvinst. Eftersom du kanske vill experimentera med olika värden, gav jag både 0603 SMD-motståndskuddar och hål på 0,3 avstånd för trådändade motstånd.

Steg 8: Boxning

Du kan hitta den 3D-utskrivbara designen för lådan som jag använde på tinkercad.com. Avstånden var lite för täta så jag har ökat lådans längd och bredd med 1 mm.

Lådans botten innehåller fack för batteriet, laddaren, 5V boost -omvandlaren och Bluetooth -modulen. Hörlursförstärkarkortet passar ovanpå. Locket hålls kvar av två M2x5mm självgängande skruvar.

Identiska laddare och 5V boost -moduler är allmänt tillgängliga men det finns många olika Bluetooth -moduler. Om någon av dessa skiljer sig från min måste du ändra lådans design.

När de väl är på plats kan du behålla modulerna lätt med smältlim.

Steg 9: Anslut det

För teständamål kopplade jag alla moduler till en kartongbit med blu-tac. Från detta fann jag att routningen av jordanslutningarna var kritisk. Marken från Bluetooth -modulen måste tas till hörlursförstärkaren tillsammans med låt- och högerkanalerna, men då måste jordanslutningen från distributionskortet gå till Bluetooth -modulen, inte hörlursförstärkaren, annars får du mycket digitalt brus från Bluetooth -modulen i utgången.

Jag monterade på/av -omkopplaren på en liten remsa, 6 remsor breda med 5 långa och med en 2x4 -brytning för omkopplaren. Detta fungerar också som en kraftfördelningskort. När den var helt ansluten limmade jag omkopplaren på plats (med remsan monterad) med epoxilim. Om jag skulle göra om projektet skulle jag se till att strömbrytaren på hörlurarna förstärktes.

Du behöver ganska tunn strängad tråd för att koppla upp den så jag delade en längd av regnbågens bandkabel, vilket gav mig individuella trådar i olika färger. Normalt skulle du leda ledningarna genom ett hål i ett bräda och lödda det på andra sidan, men med de olika modulerna på plats i lådans botten fick jag lödas till samma sida av brädet som tråden kom in från, med bara lite mer isolering avskalad än annars skulle ha varit nödvändigt. Jag var tvungen att montera bandplattans kopparsida uppåt och löda anslutningarna till den på samma sätt.

Jag ville att lysdioderna på laddaren och Bluetooth-modulerna skulle vara synliga, så jag tog bort de inbyggda SMD-lysdioderna och kopplade kuddarna till 3 mm lysdioder. Jag borrade hål i lådan för dessa eftersom jag inte hade tillåtit dem i min 3D -tryckta låda. Jag kopplade dem till lödkuddarna på modulerna med lödbar emaljerad tråd. Denna är belagd i självflödande polyuretan som smälter under värmen av ett lödkolv.

För laddarmodulen använde jag en röd/grön gemensam anod -LED. Den gemensamma anoden måste anslutas till någon av SMD LED -plattorna närmast brädans kant (som du kan bekräfta med en multimeter). Om din Bluetooth -modul har en SMD -LED måste du bestämma polariteten med en multimeter. Vissa moduler har anslutningar för en extern lysdiod.

Innan jag satte in hörlursförstärkaren i lådan över de andra modulerna fann jag det nödvändigt att placera små bitar av PVC-tejp på toppen av två elektrolytkondensatorer på Bluetooth-modulen och på mini-USB-laddningsuttaget för att förhindra shorts med undersidan av hörlursförstärkaren.

Steg 10: Förbättringar

Om jag ville göra detta till en produkt finns det utan tvekan saker som jag skulle ändra, men efter att ha gjort mig själv till en pryl som tjänar mitt syfte kommer jag att gå vidare till andra projekt.

Kretsen:

• En bipolär strömförsörjning kan ha varit bättre. Eftersom strömmen som dras av opamparna är liten skulle en kapacitiv pumpspänningsomvandlare som MAX660 lätt ha gett den negativa matningen.
• Med en bipolär strömförsörjning skulle 5V -boost -omvandlaren inte behövas av op -förstärkarna. LM4880 -hörlursförstärkaren fungerar på den råa utspänningen från ett LiPo -batteri, men den maximala uteffekten kommer att reduceras från 250 mW per kanal till cirka 100 mW per kanal.

Styrelsen:

• Brädstorleken är precis vad den kom ut från layoutprocessen, men att pressa ner den till en exakt storlek som 6x6cm hade gjort lådans design lite lättare.
• På samma sätt hade det varit snyggare att ha placerat in- och utgångarna på 3,5 mm i linje och exakt mitt på de två sidorna. Detta skulle också ha underlättat lådans design.
• Det hade varit enkelt att ombord på LiPo-laddarkretsen. 3 - 5V boost -omvandlaren skulle inte behövas med en bipolär strömförsörjning, så du sparar 2 separata moduler.
• Med en enkel TP4056-laddare som används kan batteriet överladdas om du försöker ladda det med enheten påslagen. Något mer sofistikerade laddare inkluderar en enkel skyddskrets, vilket skulle vara värt att inkludera.
• Med ovanstående modifieringar kan omkopplaren sedan monteras på kortet. Metoden att montera omkopplaren i 3D -tryckt låda var inte idealisk.
• En 2 -polig 3 -vägs switch gör att Bluetooth -modulen bara kan drivas när det behövs.

Lådan:

• Montering av modulerna i 2 lager gjorde montering svårare än den behövde vara, och en tunnare men större låda hade kanske passat en ficka bättre.
• Brytaren slås enkelt på av misstag. Det hade varit enkelt att inkludera vakter runt det i 3D -utskriftsdesignen för att förhindra detta.

Andra applikationer:

Om du kanske som en audiofil bara vill ha en utjämnad hörlursförstärkare som ger både boost och cut vid olika frekvenser kan du använda i huvudsak samma design.

För att ge både boost och cut, eliminera R113, R123, R133 och R213, R223, R233 (eller byt ut med 0Ω -resitorer) och byt ut trimpots med 10k (skjutreglage om du föredrar det).

Du kan lägga till så många instanser av gyratorkretsen som du behöver.