Digitalstyrd 18W gitarrförstärkare: 7 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

För ett par år sedan byggde jag en 5W gitarrförstärkare, det var en slags lösning för mitt ljudsystem på den tiden, och nyligen bestämde jag mig för att bygga en ny mycket kraftfullare och utan användning av analoga komponenter för användargränssnittet, som roterande potentiometrar och omkopplare.

Digitalt kontrollerad 18W gitarrförstärkare är en fristående, digitalt styrd 18W mono-gitarrförstärkare med fördröjningseffektsystemfäste och en elegant flytande kristalldisplay som ger exakt information om vad som händer i kretsen.

Funktionerna i projektet:

• Helt digital kontroll: Användargränssnittsingång är en roterande kodare med inbyggd omkopplare.
• ATMEGA328P: Är en mikrokontroller (används som ett Arduino-liknande system): Alla justerbara parametrar styrs programmatiskt av användaren.
• LCD: fungerar som ett användargränssnittsutgång, så enhetsparametrarna som förstärkning/volym/fördröjningsdjup/fördröjningstid kan observeras i stor approximation.
• Digitala potentiometrar: Används i delkretsarna vilket gör enhetskontrollen helt digital.
• Kaskadsystem: Varje krets i det fördefinierade systemet är ett separat system som endast delar strömförsörjningsledningar, som kan relativt enkelt felsöka vid fel.
• Förförstärkare: Baserat på LM386 integrerad krets, med mycket enkel schematisk design och minimikrav på delar.
• Delay effect circuit: Baseras på PT2399 integrerad krets, kan köpas från eBay som en separat IC (jag konstruerade hela fördröjningskretsen själv) eller kan användas som en komplett modul med möjlighet att ersätta roterande potentiometrar med digipots.
• Effektförstärkare: Baseras på TDA2030 -modulen, som redan innehåller alla perifera kretsar för dess drift.
• Strömförsörjning: Enheten drivs av en gammal extern bärbar 19V DC-strömförsörjning, så enheten innehåller en nedtrappad DC-DC-modul som en förregulator för LM7805 vilket gör att den avger mycket mindre värme under enhetens strömförbrukning.

Efter att vi har täckt all den korta informationen, låt oss bygga den!

Steg 1: Idén

Som du kan se i blockschemat fungerar enheten som ett klassiskt tillvägagångssätt för gitarrförstärkarens design med små variationer på styrkretsen och användargränssnittet. Det finns totalt tre grupper av kretsar som vi kommer att expandera om: Analog, digital och strömförsörjning, där varje grupp består av separata underkretsar (ämnet kommer att förklaras väl i de ytterligare stegen). För att göra det mycket lättare att förstå projektstrukturen, låt oss förklara dessa grupper:

1. Analog del: Analoga kretsar finns i den övre halvan av blockschemat som det kan ses ovan. Denna del är ansvarig för alla signaler som passerar genom enheten.

1/4 jack är en enhets gitarrmonoingång och ligger vid gränsen mellan lådan och den lödda elektroniska kretsen.

Nästa steg är en förförstärkare, baserad på LM386 integrerad krets, som är extremt lätt att använda i sådana ljudapplikationer. LM386 levereras 5V DC från huvudströmförsörjningen, där dess parametrar, förstärkning och volym styrs via digitala potentiometrar.

Det tredje steget är effektförstärkare, baserat på TDA2030 integrerad krets, som drivs av extern 18 ~ 20V DC strömförsörjning. Vid detta projekt förblir förstärkning som väljs på effektförstärkaren konstant under hela drifttiden. Eftersom enheten inte är en enda inplastad kretskort, rekommenderas att du använder TDA2030A -monterad modul och fäster den på prototypen med endast I/O- och nätaggregat.

2. Digital del: Digitala kretsar finns i den nedre halvan av blockdiagrammet. De är ansvariga för användargränssnitt och kontroll av analoga parametrar, såsom fördröjningstid/djup, volym och förstärkning.

Kodare med inbyggd SPST-switch definieras som en användarkontrollingång. Eftersom den är monterad som en enda del är det enda behovet av korrekt funktion att fästa uppdragningsmotstånd programmatiskt eller fysiskt (vi ser det i schematiska steget).

Mikroprocessor som "huvudhjärna" i kretsen är ATMEGA328P, som används i Arduino-liknande stil i denna enhet. Det är enheten som har all digital ström över kretsarna och som styr allt som ska göras. Programmeringen sker via SPI -gränssnittet, så att vi kan använda valfri USB ISP -programmerare eller köpt AVR -felsökare. I det fall du vill använda Arduino som mikrokontroller i kretsen är detta möjligt genom att sammanställa bifogad C -kod som finns i programmeringssteget.

Digitala potentiometrar är ett par dubbla integrerade kretsar som styrs via SPI -gränssnitt av mikrokontroller, med totalt 4 potentiometrar för full kontroll över alla parametrar:

LCD är ett användargränssnitt utgång, som låter oss veta vad som händer inuti lådan. I detta projekt använde jag förmodligen den mest populära 16x2 LCD -skärmen bland Arduino -användare.

3. Strömförsörjning: Strömförsörjningen är ansvarig för att ge energi (spänning och ström) till hela systemet. Eftersom effektförstärkarkretsen drivs direkt från extern bärbar datoradapter och alla återstående kretsar drivs från 5V DC, så behövs det en DC-DC-nedtrappning eller linjär regulator. Om vi sätter en 5V linjär regulator som ansluter den till den externa 20V, när strömmen passerar genom den linjära regulatorn till lasten, avges en enorm mängd värme på 5V -regulatorn, det vill vi inte. Så mellan 20V linje och 5V linjär regulator (LM7805) finns det 8V DC-DC steg-ner-omvandlare, som fungerar som en förregulator. Sådan fastsättning förhindrar enorm spridning på linjär regulator, när lastström uppnår höga värden.

Steg 2: Delar och instrument

Elektroniska delar:

1. Moduler:

• PT2399 - Echo / delay IC -modul.
• LM2596-Step-down DC-DC-modul
• TDA2030A - 18W effektförstärkarmodul
• 1602A - Vanliga LCD 16x2 tecken.
• Roterande kodare med inbyggd SPST -omkopplare.

2. Integrerade kretsar:

• LM386 - Mono -ljudförstärkare.
• LM7805 - 5V Linjär regulator.
• MCP4261/MCP42100 - 100KOhm dubbla digitala potentiometrar
• ATMEGA328P - Mikrokontroller

3. Passiva komponenter:

A. Kondensatorer:

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

B. Motstånd:

• 1 x 10R
• 4 x 10K

C. Potentiometer:

1 x 10K

(Valfritt) Om du inte använder PT2399 -modulen och är intresserad av att bygga kretsen själv, krävs dessa delar:

• PT2399
• 1 x 100K motstånd
• 2 x 4.7uF kondensator
• 2 x 3,9 nF kondensator
• 2 x 15K motstånd
• 5 x 10K motstånd
• 1 x 3,7K motstånd
• 1 x 10uF kondensator
• 1 x 10nF kondensator
• 1 x 5,6K motstånd
• 2 x 560pF kondensator
• 2 x 82nF kondensator
• 2 x 100nF kondensator
• 1 x 47uF kondensator

4. Anslutningar:

• 1 x 1/4 "Mono jack -kontakt
• 7 x dubbla kopplingsblock
• 1 x hona 6-polig radkontakt
• 3 x 4-stifts JST-kontakter
• 1 x hankontaktuttag

Mekaniska delar:

• Högtalare med effektacceptans lika med eller högre än 18W
• Träskåp
• Träram för borttagning av användargränssnitt (för LCD och roterande pulsgivare).
• Skumgummi för högtalare och UI -områden
• 12 borrskruvar för delarna
• 4 x fästbultar och muttrar för LCD -ram
• 4 x gummiben för stabila enhetsoscillationer (mekaniskt resonansljud är en vanlig sak i förstärkarens design).
• Vred för vridgivare

Instrument:

• Elektrisk skruvmejsel
• Varmlimpistol (vid behov)
• (Valfritt) Lab -strömförsörjning
• (Valfritt) Oscilloskop
• (Valfritt) Funktionsgenerator
• Lödkolv / station
• Liten skärare
• Liten tång
• Lödtenn
• Pincett
• Wrapping wire
• Borrbitar
• Liten såg för träskärning
• Kniv
• Slipfil

Steg 3: Schematisk förklaring

Eftersom vi är bekanta med blockdiagrammet för projektet kan vi gå vidare till schemat och ta hänsyn till allt vi behöver veta om kretsdrift:

Förförstärkarkrets: LM386 är ansluten med minimal hänsyn till delar, utan att behöva använda externa passiva komponenter. Om du vill ändra frekvenssvaret för ljudsignalens ingång, som basförstärkning eller tonkontroll, kan du hänvisa till databladet LM386, som talar om, inte kommer att påverka detta enhets schematiska diagram förutom förförstärkare små förändringar i anslutningar. Eftersom vi använder en enda 5V DC -matning för IC måste avkopplingskondensatorn (C5) läggas till utgången från IC: n för DC -borttagning av signalen. Som det kan ses är 1/4 kontakt (J1) signalstift anslutet till digipot 'A' stift, och LM386 icke-inverterande ingång är ansluten till digitpot 'B' stift, så som ett resultat har vi enkla spänningsdelare, styrs av mikrokontroller via SPI -gränssnitt.

Delay / Echo Effect Circuit: Denna krets är baserad på PT2399 fördröjningseffekt IC. Denna krets verkar komplicerad enligt dess datablad, och det är mycket lätt att bli förvirrad med att löda den helt och hållet. Det rekommenderas att köpa en komplett PT2399 -modul som redan är monterad, och det enda du behöver göra är att avlödda roterande potentiometrar från modulen och fästa digipotlinjer (Wiper, 'A' och 'B'). Jag har använt en databladreferens till ekoeffektdesignen, med digipottar fästa vid val av oscillationer tidsperiod och volym för feedback -signalen (Vad vi ska kalla - "djup"). Fördröjningskretsingång, kallad DELAY_IN-linje är ansluten till utgången från förförstärkarkretsen. Det nämns inte i schemat eftersom jag ville göra alla kretsar till att bara dela kraftledningar, och signalledningar är anslutna med externa kablar. "Hur inte bekvämt!", Kanske du tänker, men saken är att när du bygger en analog processkrets är det mycket lättare att felsöka del för del varje krets i projektet. Det rekommenderas att lägga till förbikopplingskondensatorer till 5V DC -nätaggregatet på grund av dess bullriga område.

Strömförsörjning: Enheten drivs via ett externt strömuttag med 20V 2A AC/DC -adapter. Jag hittade att den bästa lösningen för att minska stor mängd strömförlust på en linjär regulator i form av värme, är att lägga till 8V DC-DC step-down converter (U10). LM2596 är en buck -omvandlare som används i många applikationer och är populär bland Arduino -användare, som kostar mindre än 1 $ på eBay. Vi vet att den linjära regulatorn har ett spänningsfall på sin genomströmning (i fallet med 7805 är teoretisk approximation cirka 2,5V), så det finns ett säkert gap på 3V mellan ingång och utgång på LM7805. Det rekommenderas inte att försumma den linjära regulatorn och ansluta lm2596 direkt till 5V -ledningen, på grund av kopplingsljudet, vilken spänningsrippel kan påverka kretsarnas effektstabilitet.

Effektförstärkare: Det är enkelt som det verkar. Eftersom jag har använt en TDA2030A -modul i det här projektet är det enda kravet att ansluta strömstiften och I/O -ledningarna på effektförstärkaren. Som det nämnts tidigare är effektförstärkarens ingång ansluten till fördröjningskretsutgången via extern kabel med hjälp av kontakter. Högtalare som används i enheten är ansluten till effektförstärkarens utgång via dedikerat plint.

Digitala potentiometrar: Förmodligen de viktigaste komponenterna i hela enheten, vilket gör att den kan kontrolleras digitalt. Som du kan se finns det två typer av digipots: MCP42100 och MCP4261. De delar samma pinout men skiljer sig åt i kommunikation. Jag har bara två sista digipot i mitt lager när jag har byggt det här projektet, så jag använde precis vad jag hade, men jag rekommenderar att använda två digipots av samma typ antingen MCP42100 eller MCP4261. Varje digipot styrs av ett SPI -gränssnitt, delningsklocka (SCK) och datainmatning (SDI) -pinnar. SPI -styrenheten för ATMEGA328P kan hantera flera enheter genom att driva separata chip select (CS eller CE) stift. Det är utformat på det sättet i det här projektet, där SPI -chip -aktiveringsstift är anslutna till separata mikrokontrollerstift. PT2399 och LM386 är anslutna till 5V -matning, så vi behöver inte oroa oss för spänningssvängning på digipotmotståndsnätet inuti IC: erna (det täcks till stor del i databladet, i sektionen av spänningsnivåintervall på inre kopplingsmotstånd).

Mikrokontroller: Som nämnts, baserat på en ATMEGA328P i Arduino-stil, med behov av en enda passiv komponent-uppdragningsmotstånd (R17) på återställningsstiftet. 6-polig kontakt (J2) används för enhetsprogrammering via USB ISP-programmerare via SPI-gränssnitt (Ja, samma gränssnitt som digipots är anslutna till). Alla stift är anslutna till lämpliga komponenter, som presenteras i det schematiska diagrammet. Det rekommenderas starkt att lägga till förbikopplingskondensatorer nära 5V -nätaggregatstiften. Kondensatorerna du ser nära pinnarna (C27, C28) används för att förhindra att kodarens tillstånd studsar på dessa stift.

LCD: LCD -skärm är ansluten på ett klassiskt sätt med 4 -bitars dataöverföring och ytterligare två stift för att låsa data - Registrera välj (RS) och Aktivera (E). LCD har en konstant ljusstyrka och variabel kontrast, som kan justeras med en enda trimmer (R18).

Användargränssnitt: Enhetens roterande pulsgivare har en inbyggd SPST-tryckknapp, där alla dess anslutningar är knutna till de beskrivna mikrokontrollerstiften. Det rekommenderas att fästa uppdragningsmotståndet på varje pulsgivares stift: A, B och SW, istället för att använda internt uppdrag. Se till att kodare A och B -stiften är anslutna till mikrokontrollerns externa avbrottsstift: INT0 och INT1 för att överensstämma med enhetens kod och tillförlitlighet vid användning av givarkomponenten.

JST-kontakter och plintar: Varje analog krets: förförstärkare, fördröjning och effektförstärkare är isolerade på det lödda kortet och är anslutna med kablar mellan plintarna. Kodare och LCD är anslutna till JST -kablarna och anslutna till det lödda kortet via JST -kontakter enligt beskrivningen ovan. Extern ingång för nätaggregat och 1/4 mono -jackgitarringång är anslutna via plintar.

Steg 4: Lödning

Efter en kort förberedelse är det nödvändigt att föreställa sig exakt placering av alla komponenter på brädet. Det är att föredra att börja lödprocessen från förförstärkaren och avsluta med alla digitala kretsar.

Här är steg-för-steg-beskrivning:

1. Lödförstärkarkrets. Kontrollera dess anslutningar. Se till att marklinjer delas på alla lämpliga linjer.

2. Löd PT2399 -modul/IC med alla perifera kretsar, enligt schematiskt diagram. Eftersom jag har lödt hela fördröjningskretsen kan du se att det finns många delade linjer som enkelt kan lödas enligt varje PT2399 -stiftfunktion. Om du har en PT2399 -modul, avlöd bara de roterande potentiometrarna och lödda digitala potentiometernätlinjerna till dessa frigivna stift.

3. Löd TDA2030A -modul, se till att högtalarutgångskontakten är vänd centrerad utanför kortet.

4. Lödströmförsörjningskrets. Placera förbikopplingskondensatorer enligt schemat.

5. Lödmikrokontrollerkrets med dess programmeringskontakt. Försök att programmera det, se till att det inte misslyckas i processen.

6. Löd digitala potentiometrar

7. Löd alla JST -kontakter i områdena enligt varje linjeanslutning.

8. Starta kortet, om du har en funktionsgenerator och oscilloskop, kontrollera varje analog kretsrespons på insignalen steg för steg (rekommenderas: 200mVpp, 1KHz).

9. Kontrollera kretsens svar på effektförstärkare och fördröjningskrets/modul separat.

10. Anslut högtalaren till utgången från effektförstärkaren och signalgeneratorn till ingången, se till att du hör tonen.

11. Om alla tester vi har genomfört lyckas kan vi gå vidare till monteringssteget.

Steg 5: Montering

Förmodligen är detta den svåraste delen av projektet ur teknisk synvinkel, såvida det inte finns några användbara verktyg för att hugga ved i ditt lager. Jag hade en mycket begränsad uppsättning instrument, så jag var tvungen att gå den svåra vägen - att skära lådan manuellt med en slipfil. Låt oss täcka de viktigaste stegen:

1. Förbereda lådan:

1.1 Se till att du har ett trähölje med lämpliga dimensioner för högtalaren och elektronisk korttilldelning.

1.2 Klipp av området för högtalaren, det rekommenderas starkt att fästa skumgummiram på högtalarutrymmet för att förhindra resonansvibrationer.

1.3 Skär separat träram för användargränssnittet (LCD och kodare). Klipp av lämpligt område för LCD -skärmen, se till att LCD -riktningen inte är inverterad till framsidan av höljet. När detta är klart, borra ett hål för roterande pulsgivare. Fäst LCD -häxan 4 borrskruvar och roterande givare med en lämplig metallmutter.

1.4 Lägg skumgummi på användargränssnittets träram på hela omkretsen. Detta hjälper också till att förhindra resonansnoter.

1.5 Leta reda på var elektronikkortet kommer att borra, borra sedan 4 hål på trähöljet

1.6 Förbered en sida, där extern extern strömförsörjningsingång och 1/4 gitarringång kommer att finnas, borra två hål med lämpliga diametrar. Se till att dessa kontakter delar samma pinout som det elektroniska kortet (dvs. polaritet). Efter det, löd två par trådar för varje ingång.

2. Anslutning av delarna:

2.1 Anslut högtalaren till det valda området, se till att två ledningar är anslutna till högtalarstiften med 4 borrskruvar.

2.2 Fäst användargränssnittspanelen på den valda sidan av höljet. Glöm inte skumgummit.

2.3 Anslut alla kretsar via plintar

2.4 Anslut LCD och givare till kortet via JST -kontakter.

2.5 Anslut högtalaren till TDA2030A -modulutgången.

2.6 Anslut ström och gitarringångar till kortets plintar.

2.7 Placera brädan vid de borrade hålens position, fäst brädan med 4 borrskruvar från utsidan av trähöljet.

2.8 Fäst alla träskåpets delar tillsammans så att det ser ut som en rejäl låda.

Steg 6: Programmering och kod

Enhetskoden följer reglerna för familjen AVR -mikrokontroller och överensstämmer med ATMEGA328P MCU. Koden är skriven i Atmel Studio men det finns möjlighet att programmera Arduino -kort med Arduino IDE som har samma ATMEGA328P MCU. Fristående mikrokontroller kan programmeras via USB-felsökningsadapter i enlighet med Atmel Studio eller via USP ISP-programmerare, som kan köpas från eBay. Programmeringsprogram som vanligtvis används är AVRdude, men jag föredrar en ProgISP - enkel USB ISP -programmeringsprogramvara med ett mycket vänligt användargränssnitt.

All nödvändig förklaring om koden finns i den bifogade filen Amplifice.c.

Bifogad Amplifice.hex -fil kan laddas upp direkt till enheten om den helt överensstämmer med det schematiska diagram som vi har observerat tidigare.

Steg 7: Testning

Efter att allt vi ville ha gjort är det dags för testning. Jag föredrog att testa enheten med min gamla billiga gitarr och enkla passiva tonkontrollkrets som jag har byggt för flera år sedan utan anledning. Enheten testas också med både digital och analog effektprocessor. Det är inte för stort att PT2399 har ett så litet RAM -minne för att lagra ljudprover som används i fördröjningssekvenser, när tiden mellan ekosamplingar är för stor blir eko digitaliserat med en stor förlust av övergångsbitar, det som anses vara distorsion av signal. Men den "digitala" förvrängningen som vi hör kan vara användbar som en positiv bieffekt av enhetsdriften. Allt beror på vilken applikation du vill göra med den här enheten (som jag på något sätt kallade "Amplifice V1.0").

Hoppas att du kommer att tycka att det här är användbart.

Tack för att du läser!