Медиа-система The Cube
Многие годы я вынашивал идею реализации удобной и в меру качественной аудиосистемы.
Критерии и требования постоянно корректировались. Например, после покупки ЦАП'a на AD1955 оказалось, что для повседневного использования
удобнее и практиченее слушать музыку с mp3 модуля в ущерб качеству. Введение в Беларуси в FM диапазоне требования к 75% музыки отечественных исполнителей привело к
поиску подходящих радиостанций в Internet, что означало необходимость поддержки Internet радио.
В итоге всё вылилось в следующие требования:
- качественный звук при адекватных габаритах
- функция воспроизведения музыки c mp3 модуля как наиболее часто используемая
- возможность подключения внешнего источника сигнала (ЦАП), в этом режиме тракт должен быть наиболее качественным
- возможность прослушивания Internet радио
В результате анализа требований были определены ключевые моменты конструкции:
- В качестве АС было решено делать "кубики Салтыкова" (публикация в журнале Радио за ноябрь 1977 года, стр. 56-57, автор О. Салтыков).
В Internet достаточно много положительных отзывов, да и нужные динамики у меня уже имелись.
- Вместо пассивных фильтров в АС, трудоёмкой намотки катушек, было решено применить би-ампинг: активные фильтры и раздельные усилители для каждого динамика.
- Для воспроизведения Internet радио было решено использовать частично исправный смартфон.
Процедура сборки самих "кубиков Салтыкова" легко находится в Internet. Например здесь.
В моём варианте использована фанера толщиной 18 мм (это минимальное, что рекомендует автор). Также было решено пожертвовать стереобазой
в пользу компактности, две колонки размещены на общем основании. Для защиты динамиков были изготовлены сетки из стандартных 12-ти дюймовых круглых защитных сеток.
Окончательный вид системы на первом этапе, по окончанию работ с фанерой:
Для фазоинвертора была использована полипропиленовая труба внешним диаметром 32 мм, она немного отличалась внутренним диаметром от рекомендованной автором (28,5 мм вместо необходимых 30 мм), поэтому её длина была пересчитана согласно формуле 
, взятой отсюда
Активный кроссовер был взят отсюда.
Там же есть ссылка на калькулятор для расчётов. Салтыков использовал частоту раздела 4 KHz.
Особенностью "кубиков" является то, что у 10ГДН-1-4/10ГД-34/6ГД-6 чувствительность 84 dB, сопротивление 4 Ом.
А у 2ГД-36/3ГДВ-1-8 — 90 dB, сопротивление 8 Ом. То есть при одинаковом напряжении мощность на ВЧ динамике на 6 dB меньше чем на НЧ, а его чувствительность на 6 dB выше.
То есть достаточно просто одинакового усиления каналов НЧ и ВЧ. Моделирование показало, что правильнее подключать динамики ВЧ и НЧ в противофазе. Изменение фазировки динамоков в окончательной конструкции
существенной разницы в звучании не выявило, что, скорее всего, обусловлено применением фильтров третьего порядка.
Усилители НЧ
Схема усилителя НЧ звена одного из каналов:
Использована популярная микросхема TDA7294 в инвертирующем включении. Для поддержания на выходе нулевого потенциала и улучшения воспроизведения НЧ применён интегратор.
Подробнее о том, зачем интегратор, можно почитать здесь: пути доработки отечественных промышленных УЗЧ.
Если в схеме применить УО с бóльшим входным током, следует между выводом 3 и общим проводом включить резистор сопротивлением, равным R14 и зашунтировать его конденсатором емкостью 0,1 μF.
Резисторы R1-R4 применены SMD 0603 с отклонением 1%. Конденсаторы C1-C5 так же желательно подобрать точнее и, главное, максимально одинаковыми в обоих каналах (левый/правый).
Резисторы R6-R8,R12 подобраны так, чтобы с одной стороны обеспечить достаточное для устойчивости усиление (здесь около 24), а с другой стороны снизить усиление сигнала с выхода ОУ для снижения шумов.
В результате с выхода УО (вывод 7) сигнал усиливается только в четыре раза, что позволило увеличить уровень сигнала в фильтре и, соотвественно, снизить уровень шума на выходе.
Резисторы R6-R8,R12 так же нужно использовать точные для согласования уровней НЧ-ВЧ и сохранения правильного стереобаланса.
В схеме усилителя НЧ использованы раздельные "земли", на схеме они обозначены разными значками. Данное решение позволяет снизить уровень фона и наводок.
Усилители НЧ собраны на двух печатных платах (см. ниже), для каждого канала (левый/правый).
Усилитель ВЧ
Схема усилителя ВЧ звена:
Аналогично усилителю НЧ звена, конденсаторы и резисторы фильтра нужно подобрать наиболее точно, в особенности, поканально.
Микросхема двухканального УМЗЧ LM1876 использована для повышения качества звучания в инвертирующем включении.
Цепь ООС микросхемы УМЗЧ LM1876 так же реализована таким образом, чтобы сигнал с выхода активного фильтра усиливался ровно в четыре раза, но при этом собственное усиление УМЗЧ
не было ниже рекомендованного производителем.
В скобках показаны номера выводов второго канала. Так же как и в усилителе НЧ, использованы раздельные "земли".
Печатные платы готовых усилителей:
Здесь и далее на фотографиях и в чертежах печатных плат имеются некоторые несоответствия с принципиальными схемами, так как
в процессе создания системы вносислись некоторые правки и доработки. Эти правки и доработки уже внесены в принципиальные схемы здесь в статье,
но платы были сфотографированы и разведены изначально иначе. Это следует учитывать при повторении конструкции! В частности, изначально печатные платы
спроектированы под высокое усиление микросхем УМЗЧ (без делителя на входе). Однако этот вариант оказался очень неудачным по уровню шумов на выходе и излишней
чувствительности усилителей. Поэтому в дальнейшем усиление было снижено до четырёх, для этого были использованы SMD резисторы, припаянные в подходящих местах со стороны дорожек.
В усилителе ВЧ между УО и УМЗЧ изначально был разделительный конденсатор, он так же был заменён на резисторы делителя ООС УМЗЧ R8-R10.
Блок питания
Схема блока питания приведена на рисунке
Использован тороидальный трансформатор мощностью 30 Вт. К имеющимся двум обмоткам по ~13 Вольт были добавлены две обмотки на ~9 Вольт и ~5 Вольт.
Использованные микросхемы УМЗЧ позволяют использовать более высокое напряжение питания, можно поднять его до 20-24 Вольт, заменив на более высоковольтные электролитические
конденсаторы по питанию. В этом случае стабилизаторы напряжения можно настроить на ±15 Вольт стандартного напряжения питания УО.
Верхние два выпрямителя используются для питания микросхем УМЗЧ, УО фильтров усилителей и анализатора спектра, а так же для питания микросхемы регулятора громкости PGA2310.
Третий сверху выпрямитель используется для питания схемы защиты, mp3 модуля, светодиодов анализатора спектра и микроконтроллерного блока управления.
Общие провода GND и GND2 соединяются вместе в mp3 модуле, что обеспечивает отсутсвие помех от работы модуля даже в режиме bluetooth. Отдельный выпрямитель, нижний по схеме, используется для питания смартфона,
напряжение подаётся вместо его батареи, подробнее об этом будет ниже.
Параллельно первичной обмотке подключен защитный конденсатор CX (желательно не ниже CX2).
В цепи также предохранитель и выключатель, всё стандартно.
Узел защиты динамиков
Схема узла защиты динамических головок и устранения "щелчков" при включении/выключении системы
Данный узел обеспечивает защиту динамиков от попадания постоянного напряжения, обеспечивает задержку подключения динамиков при включении
системы, а так же отключает динамики при снижении уровня одного из питающих напряжений.
ФНЧ на резисторах R1-R4 и конденсаторах C1-C8 отфильтровывают звуковой сигнал, сохраняя постоянную составляющую с выходов усилителей. Так как нижняя частота усилителей ВЧ начинается с 4 KHz, конденсаторы C6-C8 выбраны достаточно малыми, что повышает
время реакции узла на неисправности в усилителях ВЧ звена. Нулевой потенциал через резистор R5 и напряжение с выходов ФНЧ подаются на выпрямитель на десяти диодах VD1-VD6,VD8-VD11. Такая реализация
обеспечивает срабатывание защиты при любых комбинациях неисправностей УМЗЧ. При появлении напряжения на выходе выпрямителя открывается транзистор VT2. Следом открывается транзистор VT1, который
открывает транзистор VT3, быстро разряжающий через резистор R13 конденсатор C9. Напряжение на нём снижается ниже 2,5 Вольт, управляемый
стабилитрон VD14 закрывается, следом закрывается транзистор VT4 и отключаются реле, подключающие динамики к выходам усилителей.
При включении задержка обеспечивается зарядом конденсатора C9 через резистор R14. При снижении величины положительного питающего напряжения ниже 10 Вольт напряжение на аноде стабилитрона VD7 становится
меньше пяти вольт, что приводит к открыванию транзистора VT1 и отключению реле.
При снижении величины отрицательного питающего напряжения ниже -10 Вольт на катоде стабилитрона VD13 появляется положительное напряжение (через резистор R10), ток через диод VD12 открывает транзистор VT3, что также отключает реле.
Вход ST-BY подключён к блоку микроконтроллера, на этот вход подаётся напряжение 5 Вольт при отключении усилителей (см. схему усилителя ВЧ звена), а так же при отключении питания (подробнее ниже).
Печатная плата блока питания и узла защиты:
Анализатор спектра
В медиа-системе сделан десятиполосный аналоговый анализатор спектра.
Изначально была задумка реализовать автоматическую регулировку чувствительности, но в окончательном варианте
усиление задаётся и регулируется программно, так как мне не понравилась работа автоматической регулировки усиления с помощью интегратора.
Принципиальная схема:
Анализатор спектра содержит входной усилитель-сумматор с регулируемым коэффициентом усиления.
Аналоговая реализация анализатора спектра позволяет избежать помех, имеющих место в цифровых анализаторах спектра при динамической индикации.
Операционный усилитель OP2 используется как повторитель, изначально на его основе был интегратор для
автоматической регулировки усиления. С выхода усилителя-сумматора суммарный сигнал левого и правого каналов подаётся на десять полосовых фильтров.
Далее с выходов фильтров сигнал подаётся на десять пятиуровневых индикаторов уровня.
Фильтры были рассчитаны в программе Filter Pro от Texas Instruments.
Номиналы деталей и частоты настройки полосовых фильтров приведены в таблице:
| Частота настройки |
Rf1 |
Rf2 |
Rf3 |
Cf |
| 40 Hz |
13 KОм |
620 Ом |
27 КОм |
1 μF |
| 80 Hz |
13 KОм |
620 Ом |
27 КОм |
470 nF |
| 150 Hz |
39 KОм |
1,6 KОм |
75 КОм |
100 nF |
| 300 Hz |
18 KОм |
750 Ом |
36 КОм |
100 nF |
| 630 Hz |
20 KОм |
820 Ом |
39 КОм |
47 nF |
| 1 KHz |
27 KОм |
1,1 KОм |
51 КОм |
22 nF |
| 2 KHz |
27 KОм |
1,2 KОм |
56 КОм |
10 nF |
| 4,3 KHz |
13 KОм |
560 Ом |
27 КОм |
10 nF |
| 8,2 KHz |
15 KОм |
620 Ом |
30 КОм |
4,7 nF |
| 16 KHz |
33 KОм |
1,5 KОм |
68 КОм |
1 nF |
Конденсатор Cout на выходе низкочастотного фильтра применён ёмкостью 2,2μF. Для остальных фильтров емкость можно оставить ту же либо уменьшить пропорционально частоте настройке фильтра.
Так как всего требуется 10+2=12 операционных усилителя, были применены три корпуса LM324. Так как анализатор спектра в конструкции несёт в основном эстетическую функцию, можно использовать
практически любые счетверённые микросхемы УО. Можно применить и более качественные недорогие УО, например TL074/TL084.
Применённые красные светодиоды при токе в 15mA светили слишком ярко. Этот ток стабилизирован самими микросхемами KA2284B.
Для его снижения пришлось впаять последовательно с каждым светодиодом SMD резистор сопротивлением 2 KOм, что снизило ток через каждый диод примерно до 4mA. Можно применить микросхемы KA2285B, которые обеспечивают меньший ток
через светодиоды (7mA). При отсутствии отдельных токоограничивающих резисторов в согласно документации при 10 Вольт питающем напряжении между питанием и анодами всех светодиодов нужно добавить резистор сопротивлением 47 Ом.
На печатной плате для него имеется место, а отдельные токоограничивающие резисторы впаивались в разрезы дорожек, при необходимости нужно откорректировать чертёж печатной платы.
К сожалению, для анализатора спектра имеется только одна фотография, где он закреплён на промежуточном этапе сборки
более подробно конструкцию анализатора спекта можно увидеть по чертежам печатных плат.
Анализатор спектра собран на двух печатных платах: усилитель и фильтры на одной и индикаторы со светодиодами на другой.
Платы расположены одна над другой и соединены четырьмя стойками в отверстия по краям.
Для автоматической регулировки усиления к выводам 6 микросхем KA2284B были подключены диоды, они не нужны, но места для них остались на печатной плате.
В окончательном варианте на вход PWM-gain подаётся ШИМ сигнал от микроконтроллера. Полевой транзистор VT1 подобран с напряжением отсечки немного ниже пяти вольт.
В результате при нулевом заполнении ШИМ напряжение на затворе VT1 нулевое и коэффициент усиления усилителя-сумматора минимален.
При 100% заполнении ШИМ на затворе напряжение больше его напряжения отсечки и коэффициент усиления усилителя-сумматора максимален
и задаётся сопротивлением резистора R4. Можно применить полевой транзистор с бóльшим напряжением отсечки, но в этом случае ОУ OP2 нужно включить с усилением, чтобы при 5 Вольт
на выводе 6 на затворе напряжение немного превышало напряжение отсечки полевого транзистора. Аналогично и при более низком напряжени отсечки: достаточно напряжение с выхода OP2 ослабить делителем из двух резисторов.
Данные действия позволят задействовать максимально широкий диапазон заполнения ШИМ для регулировки чувствительности анализатора спектра.
Рассматривался так же вариант отображения частот анализатора спектра, для подсветки этих значений в нижней части платы были вытравлены площадки для припайки светодиодов.
Селектор входов и регулятор громкости
Схема селектора входов, детектора звука и регулятора громкости представлена на рисунке:
Медиа-система имеет три аудиовхода, один из них внешний — AUX IN и два внутренних: mp3 модуль и смартфон.
Переключение входов осуществляется с использованием специальных малосигнальных реле Takamisawa RY12W-K.
Вход AUX-IN подключен через контакты одного реле, остальные — через два контакта.
Сигнал с выбранного входа через цепочки R1C2 и R4C1 подаётся на компараторы, на которых реализован узел детектора звука.
При отсутствии звука на входе напряжение на положительных входах компараторов OP1.1 и OP1.2 больше, чем на отрицательных и светодиод оптрона погашен.
При появлении звукового сигнала положительные полуволны сигнала приводят к переключению компараторов, выходы которых реализованы с открытым коллектором.
Это приводит к зажиганию светодиода оптрона. В моменты отрицательных полуволн входного сигнала свечение светодиода оптрона поддерживается конденсатором C11.
Фототранзистор оптрона подключен к схеме микроконтроллера и используется для определения наличия воспроизведения звука.
Подстроечный резистор R6 позволяет настроить чувствительность детектора звука. Конденсаторы C3 и C4 были добавлены
для устранения высокочастотного самовозбуждения компараторов.
Через разделительные конденсаторы C5, С6 звуковой сигнал подаётся на микросхему регулятор громкости PGA2310.
PGA2310 характеризуется высоким качеством и возможностью работы на низкоомную нагрузку, что полезно, так как входное сопротивление фильтра ВЧ меньше трёх килоом.
PGA2310 использована в стандартном включении. Детектор перехода звукового сигнала через ноль не использован. Цифровые входы подтянуты к шинам питания для защиты, а так же
для поддержки определённого логического уровня в момент сброса микроконтроллера (выходы которого в этот момент переводятся в высокоимпедансное состояние).
Цифровая и аналоговая земли разделены, что снижает влияние цифровой части устройства на аналоговую. Фото готовой платы селектора входов и регулятора громкости:
Блок индикации и управления
Схема блока индикации и управления:
Применён популярный микроконтроллер ATtine2313. Для снижения помех было решено использовать статическую индикацию, для этого использованы четыре
сдвиговых регистра MC74HC595. Применённые светодиодные индикаторы при токе в 4mA через сегмент обеспечивают более чем достаточную яркость.
Есть смысл её даже уменьшить, применив токоограничивающие резисторы сопротивлением 750 Ом или даже 820 Ом. Управление медиа-системой осуществляется одним
энкодером, так же реализована поддержка инфракрасного пульта дистанционного управления.
Полевые транзисторы VT1, VT2 используются для включения реле для выбора источника звука. На транзисторе VT3 реализован инвертор. В микроконтроллере настроен Brown-out Detector на напряжение 4,3 Вольта.
При снижении напряжения ниже этой величины, автоматически вырабатывается сигнал сброса и выводы микроконтроллера переводятся в высокоимпедансное состояние.
Резистор R12 при этом притягивает затвор VT3 к общему проводу, на выходе ON напряжение равно 0, что переводит TDA7294 в режим Stand-by.
В противоположность на выходе ST-BY в этом случае напряжение близко к напряжению питания, что переводит LM1876 также в режим Stand-by, и дополнительно отключает
реле в системе защиты динамических головок. Также при отсутсвии звукового сигнала в течение более чем пяти минут микроконтроллер переводит этот вывод в состояние 0, что
отключает УМЗЧ и динамики. При этом на индикаторах отображаются точки. При появлении звука УМЗЧ включаются, а реле включается с задержкой, как при подаче питания на систему.
Было ошибкой подключение входов сброса (вывод 10) сдвиговых регистров к микроконтроллеру. В этом нет смысла и необходимости. Так что при повторении конструкции
выводы 10 всех MC74HC595 нужно подключить к плюсу питания. При этом освободившийся вывод микроконтроллера можно либо оставить для других целей, либо
подключить к входам разрешения E (выводы 13) сдвиговых регистров. Это позволит легко программно отключать индикаторы, а так же, например, приглушать их яркость ШИМ'ом при отсуствии звука.
Программа микроконтроллера поддерживает два режима работы:
- Обычный, управление
- Сервисный, настройка
Если при подаче питания кнопка энкодера отпущена, выбирается обычный режим работы. В этом случае из EEPROM загружается нужный начальный уровень
громкости, константы для чувствительности анализатора спектра, на индикаторах отображается в течение секунды выбранный вход (mp3, Phne, Line), a затем — установленный уровень громкости в dB.
Было решено отображать реальное значение усиления, отправленое в PGA2310. При нажатии на кнопку энкодера происходит переключение входов по кольцу, на секунду отображается выбранный вход, а так же текущая громкость изменяется на значение поправочного слагаемого,
значения которых так же сохранены в EEPROM для каждого входа. Наличие поправочных слагаемых позволяет получить одинаковую громкость для разных входов. При медленном вращении энкодера громкость меняется с шагом 0,5dB. При быстром — с шагом 1dB.
Исходный код прошивки микроконтроллера:
Если при подаче питания кнопка энкодера нажата, выбирается сервисный режим работы (настройка параметров). Нажатие на кнопку энкодера в этом случае по кольцу переключает следующие параметры:
- Начальный уровень громкости, для mp3 модуля, в dB
- Коэффициент заполнения ШИМ для чувствительности анализатора спектра для mp3 модуля, 0—255
- Поправочное слагаемое для громкости смартфона, в dB от -64dB до 63,5dB c шагом в 0,5dB
- Коэффициент заполнения ШИМ для чувствительности анализатора спектра для смартфона, 0—255
- Поправочное слагаемое для громкости входа AUX-IN, в dB от -64dB до 63,5dB c шагом в 0,5dB
- Коэффициент заполнения ШИМ для чувствительности анализатора спектра входа AUX-IN, 0—255
Cохранение значения в EEPROM осуществляется при смене параметра, так что для сохранения всех параметров нужно обязательно пройти их все по кольцу, и, наоборот, для отмены изменений достаточно просто отключить питание системы, чтобы значение не сохранилось.
При настройке начального уровня громкости и значений поправочных слагаемых, итоговый уровень громкости отправляется в PGA2310, что позволяет контролировать установку параметров.
Также при настройке коэффициента заполнения ШИМ, реальный коэффициент заполнения меняется при настройке, что позволяет легко подобрать требуемый уровень усиления для каждого из входов.
В прошивке реализовано так же управление инфракрасным пультом с системой команд NEC(be updated)
При наличии такого пульта можно указать код его системы и коды кнопок для управления. Реализовано переключение входов, обычная и ускоренная регулировка громкости.
Принудительное выключение УМЗЧ. Использование пульта не обязательно, так как полностью все функции доступны с помощью экодера. Готовая плата:
Cборка
Размещение плат в корпусе:
Задняя стенка изготовлена из трех кусков алюминиевой декоративной планки. К нижней планке прикручены микросхемы стабилизаторов напряжения блока питания, выключатель питания и гнездо сетевого шнура с предохранителем.
К средней планке прикручены платы УМЗЧ, с обратной стороны планки прикручены радиаторы.
К верхней планке прикручена плата селектора входов и регулятора громкости. Плата микроконтроллера и индикации, анализатор спектра и
mp3 модуль закреплены на передней стенке системы. Передняя стенка двухслойная. Она изготовлена из куска старого текстолита, к которому прикручены платы.
Этот кусок текстолита заклеен декоративной плёнкой. Снаружи к нему по размеру прикреплен лист красного прозрачного акрила толщиной 1,8 мм.
Передняя стенка закрепляется четырьмя винтами по углам. В качестве смартфона был использован частично работающий Lenovo P780. В нём имелись проблемы c GSM частью, а так же
он отказывался заряжаться во включенном состоянии. Последний факт явился причиной изъятия батареи из смартфона. Сзади был установлен пятиконтактный разьём (три линии — звук и две — питание).
К акрилу приклеен старый пластиковый чехол. Вид готовой работающей системы:
Файлы
При использовании материалов обязательна ссылка на сайт кафедры АСОИ http://gsu.by/asoi или мою личную страницу http://gsu.by/asoi/pages/chechet.
|
Начало
