Stereovahvistin prosessoriohjauksella (Lopputyö)

[size=150]JOHDANTO[/size]
Ammattikoulun lopputyönä (Sähköalan perustutkinto, elektroniikka-asentaja, valmistumisvuosi 2010) tein stereovahvistimen, johon lähdin sisällyttämään kaupallisista tuotteista tuttuja ominaisuuksia, kuten LCD-näytön, sisääntulon valitsimen, kauko-ohjauksen ja digitaalisen äänenvoimakkuuden säädön, käyttäen mikroprosessoria. Osa ominaisuuksista karsiutui pois työn aikana, osittain aikarajoituksen, mutta myös oman suunnitteluni ongelmien takia.

valmis2.jpg

[size=150]VAHVISTIN[/size]
Aloittaessani suunnittelemaan/etsimään sopivaa vahvistimen piirikaaviota oli edellytyksenä vain, että se on kohtalaisen yksinkertainen, erilliskomponenteilla toteutettu MOSFET-vahvistin. Monimutkaisemman piirikaavion ongelmana oli hinta, joten sen täytyi olla kohtalaisen yksinkertainen. Jotta työ soveltuisi paremmin aikaisempaan koulutukseen, halusin tehdä piirilevyt erilliskomponenteilla, jolloin juottamista tulisi enemmän, ja siten osoittaisi osaamista sillä aihealueella (totta puhuakseni, juotokset eivät olleet työn vahvin osa-alue). MOSFETit olivat oma päähänpistoni, sillä koulutuksen aikana käsiteltiin BJT-transistorivahvistimet perinpohjaisesti läpi, mutta MOSFETejä ei niinkään käsitelty vahvistinten muodossa.

Valitsin lopulta redcircuits.com -sivustolta löytyneen piirikaavion. Kaavio on riittävän selkeä, eikä se tarvitse erillistä etuvahvistinta tai muita lisukkeita. Tehoakin siitä löytyi omaan käyttööni riittävästi, 25W. Mittaukset kuitenkin osoittavat, että tehoa lähtee jopa 45W 8 ohmin kuormaan. Piirikaavio on yhdelle kanavalle, joten ko. piirejä tulee kaksi kappaletta stereovahvistimeen. Lisäksi vielä virtalähteen piirikaavio.


Piirilevyt suunnittelin Texas Instrumentsin Multisim -ohjelmalla, johon koululla oli lisenssi. Ko. ohjelmalla luodaan ensin simulaatio kytkenn√§st√§, jonka j√§lkeen se vied√§√§n piirilevyn suunnitteluosioon. N√§in tehtyn√§ komponenttien yhteydet ovat valmiiksi tehty, ja osat tarvitsee ‚Äúvain‚ÄĚ asetella hyvin ja vet√§√§ kuparivedot. Syvemmin ohjelman k√§ytt√∂√∂n en pureudu, sill√§ itsell√§nikin oli k√§yt√∂ss√§ ohjeet piirilevyn tekemiseen ohjelmalla, ja ohjeita oli luultavasti melkein kaksikymment√§ sivua.

Valmiin suunnitelman jälkeen vein ohjelmasta saadut gerber-tiedostot koulun jyrsinkoneelle, josta sain jyrsityt levyt takaisin. Tämän jälkeen edessä oli kaikkien piirilevyjen juottaminen valmiiksi sekä testaaminen. Osat tilasin K-S Elektroniikan kautta.

vahvistin3.jpg

Vahvistimen piirilevy toimi lähes suoraan, eli siis heti kun juotosvirheet ja muut lastentaudit oli hoidettu. Päätetransistorien jäähdytyksestä vastaa kaksi alumiinirivastoa sekä tietokoneen tuuletin, jota käytetään 7 voltilla. Kotelon minulle teki eräs tuttuni vanhoista laudoista, jotka on liimattu yhteen ja petsattu.

Vahvistimen virtalähteenä toimii yllä näytetty virtalähde, josta saa nimellisesti +/-33 volttia, mutta joka todellisuudessa on +/-37 volttia kuorman kanssa. Virtalähde on tavallinen rengassydänmuuntajaa ja tasasuuntaussiltaa käyttävä lineaarivirtalähde. Virtaa siitä saa ulos noin amppeerin verran kummastakin linjasta (yhden amppeerin sulakkeet linjoissa, todellisuudessa virtalähde kestäisi jonkin verran enemmänkin.).

virtalahde1.jpg

[size=150]MIKROPROSESSORI[/size]
Mikroprosessorina k√§ytin aikaisemmilta kursseilta tuttua PicMicroa, 16F877A, ja ohjelmointiymp√§rist√∂n√§ Matrix Multimedian Flowcodea. Tein prosessoria varten ‚Äúhakkeroidun‚ÄĚ alustan, jossa oli vain kaikki prosessorin toiminnan kannalta t√§rke√§t ominaisuudet ja tarvittavat liittimet. Ohjelmoinnin tein Matrixin ohjelmointialustalla, josta sitten siirsin piirin omalle alustalleni.

mcu3.jpg

Mikroprosessoria käytin sisääntulon valitsimeen, digitaaliseen äänensäätöön, kauko-ohjaukseen sekä LCD-näytön ohjaamiseen.

[size=150]SIS√Ą√ĄNTULON VALITSIN[/size]
Sis√§√§ntulon valitsin on toteutettu 4016-piireill√§, joissa prosessorilla ohjataan ‚Äúkytkint√§‚ÄĚ, jonka l√§pi audiosignaali kulkee. Nyky√§√§n tied√§n, ett√§ AC-signaalin saa ko. piirist√§ l√§pi asettamalla piirin ‚Äúmaan‚ÄĚ miinus-j√§nnitteeseen, mutta ty√∂ss√§ni tein hiukan eri tavalla. Ennen kuin audiosignaali p√§√§see piirille, siihen lis√§t√§√§n +2,5V tasaj√§nnite j√§nnitteenjakokytkent√§√§ k√§ytt√§en (suodatuskondensaattori ennen tasaj√§nnitteen lis√§√§mist√§), jolloin koko aalto on positiivista j√§nnitett√§. T√§m√§n j√§lkeen se ajetaan piirin l√§pi ja sen j√§lkeen suodatetaan 1uF kondensaattorilla, jolloin siit√§ saadaan taas tavallinen audiosignaali. Piirin j√§lkeen eri sis√§√§ntulot viel√§ yhdistet√§√§n ennen kuin signaali p√§√§see suodatuskonkalle. Valitettavasti ko. kytkenn√§st√§ ei ole piirikaaviota, vaan osa eteni l√§hes lennossa, v√§h√§n jotain paperinreunaan suhaisten.

input3.jpg

[size=150]VOLUME[/size]
Signaalin kulkua seuraten digitaalinen √§√§nenvoimakkuuden s√§√§t√∂ oli pienoinen pettymys, mutta siit√§ lis√§√§ seuraavassa kappaleessa. Ideana oli ‚Äúsimuloida‚ÄĚ potentiometri√§ siten, ett√§ audiosignaali eteen asetetaan yksi vakioarvoinen vastus, ja t√§m√§n j√§lkeen on useampi eriarvoinen vastus rinnakkain, joiden yhteytt√§ maahan ohjataan MOSFETeill√§, joiden hilaa ohjaa mikroprosessori. Vastukset toteuttavat n√§in j√§nnitteenjaon, ja vahvistimelle kulkeva audio otetaan vastusten v√§list√§. Mit√§ suurempi vastus maihin oli kytkettyn√§, sit√§ suurempi signaali p√§√§si vahvistimelle.

volume5.jpg

Kytkennän suunnittelin itse, ja ideaalitapauksessa (simuloituna) se toimikin hyvin. Todellinen maailma kuitenkin harvoin vastaa ideaalimaailmaa, ja se tuli selväksi tässä työn osassa. Oletettavasti vastusten ohjaamiseen käytetyt MOSFETit loivat häiriötä signaaliin, jolloin signaaliin tuli merkittävä määrä kohinaa, jonka lisäksi äänenvoimakkuus ei säätynyt lähellekään suunniteltua käyrää, vaan hyppi lähes satunnaisesti korkeasta matalaan. Kytkentä olisi sijoittunut em. 4016-piirien jälkeen ja suodatinkondensaattoreita ennen, jotta vaihtosignaali ei vaikuttaisi MOSFETeihin. Lopputuloksena oli kytkennän korvaaminen tavallisella logaritmisella stereopotentiometrillä.

Vaihtoehtoinen ja luultavasti suositellumpi tapa yrittää digitaalista äänenvoimakkuuden säätöä olisi digitaalisen potentiometrin käyttäminen, esimerkiksi piiri MCP42010.

[size=150]KAUKO-OHJAUS[/size]
Kauko-ohjausta lähdin toteuttamaan infrapunalla. Ostin vanhan kaukosäätimen, jonka pulssikoodin selvitin koulusta löytyneellä oskilloskooppiin liitettävällä infrapunavastaanottimella. Tämän jälkeen lähdin muokkaamaan Matrix Multimedian keskustelupalstalta löytynyttä vastaavaa ohjelmaa, joka kuitenkin käytti eri pulssikoodia.

Harmikseni myös kauko-ohjaus jäi valmiista työstä pois, sillä flowcode ei tukenut alle millisekunnin viivettä, jota pulssikoodi olisi vaatinut. Lisäksi myöhemmin selvisi, että työssä käytetty infrapunavastaanotin oli viallinen, eikä antanut pulssia ulos alkuunkaan.

[size=150]LCD- JA KYTKINPANEELI[/size]
Samalle piirilevylle kauko-ohjauksen kanssa tein kytkinpaneelin sekä LCD-näytön kytkennät. Ko. piirilevy sijaitsee työn etupaneelissa, ja on tarkoitettu vahvistimen ohjaukseen. Kytkimillä voidaan valita haluttu sisääntulokanava, kasvattaa/vähentää äänenvoimakkuutta (joka jäi vain haaveeksi, joten ko. painikkeet ovat vain hämäystä) sekä laittaa vahvistin mute-tilaan, joka käytännössä tarkoittaa, ettei 4016-piirien yksikään portti ole auki. Kytkimet ovat fyysisesti mikrokytkimiä.

Kytkinten vieressä on LCD-paneeli, joka on 16*2 merkin kokoinen. Flowcodesta löytyy valmiit kirjastot hitachi-yhteensopivan paneelin ohjaamiseen, joten sen lisääminen ei lisännyt työmäärää juurikaan. Paneelista näkee aktiivisena olevan sisääntulokanavan sekä (vanhana ominaisuutena) äänenvoimakkuuden.

kytkin1.jpg

[size=150]MITTAUKSET[/size]
Kuten alussa mainitsin, vahvistin on mitoitettu alunperin 25 watille, mutta redcircuits.com -sivuston sekä minun suorittamat mittaukset näyttävät, että tehoa on saatavilla 45 wattia 8 ohmiin. 4 ohmin kuormaan tehoa oli saatavilla 64 wattia. Myös virtalähde vastaa suurempaa tehoa, sillä mitoitettu +/-33 V ylittyy noin 5V:lla. Vahvistimen jännitevahvistus on noin 37 dB, ja maksimitehon vahvistimesta saa ulos 310/370 mV(peak) sisääntulosignaalilla (4/8 ohmin kuormaan). Vahvistimen äänenlaadussa ei ihmiskorvin ole säröä kuultavissa, mutta mittaukset osoittavat, että ulostulosta noin 1% on harmonista säröä. Redcircuits.com ilmoittaa särön määräksi alle 0,02%.

Mittauksiin käytin funktiogeneraattoria, josta otin 1kHz 2 V(p-p) sinisignaalia, kahta 8 ohmin keinokuormaa, oskilloskooppia sekä yleismittaria. THD:n mittaamiseen käytin koululta löytynyttä ko. tarkoitukseen soveltuvaa mittaria.

työpiste3.jpg

[size=150]LOPPUSANAT[/size]
Ty√∂ oli mielest√§ni eritt√§in opettavainen, sill√§ opin lis√§√§ koko ajan ty√∂t√§ tehdess√§ni. Ty√∂ on ‚Äúhieman‚ÄĚ yliampuva ammattikouluun, mutta sis√§lt√§√§ t√§rkeimm√§t osa-alueet k√§ydyst√§ koulutuksesta, jotka ‚Äúpit√§isi‚ÄĚ hallita koulutuksen j√§lkeen. Elektroniikan suunnittelu ei kuulu ammattikoulun opetusm√§√§r√§√§n, mutta eip√§ opettajakaan ko. m√§√§reit√§ noudattanut, vaan opetus oli osittain suunnittelua opettavaa. Ty√∂ ei ole t√§ydellinen ja muutamissa kohdin on menty aasinsiltaa pitkin, eik√§ kaikki edes toiminut niin kuin suunniteltu, mutta opettajani sanoja lainaten ‚Äúei tuotesuunnittelu aina tuota onnistunutta tuotetta‚ÄĚ.

Tällä hetkellä (hitaasti) työn alla on paranneltu versio työstä. Uudessa mallissa aion käyttää AtMega328:ia prossuna ja toteuttaa ominaisuudet paremmin (ja muutaman lisää, mm. SPI-väylää käyttäen), sekä hieman tehokkaampi vahvistin.

Toivottavasti työstäni on hyötyä jollekin, mielestäni työssä ainakin riittää ideoita vahvistinta suunnittelevalle. Palaute on hyvin tervetullutta!

Alla vielä työn raportti kiinnostuneille.Opinnaytetyo_2.pdf (1.19 MB)

EDIT: Lisätty tietoa vahvistimen virtalähteestä sekä vaihdettu opinnäytetyön raportin formaatiksi PDF.

Ihan hyvä tuo päättötyö. Itellä oli amiksen päättötyöksi about 100W autovahvistin.
TL071 + 2x IRF9540/540 pari (Kytkis ite paranneltu versio elektor lehden kytkennästä) ja DC/DC hakkuri.
Amiksesta tuli valmistuttua vuonna 1999.

Mutta pieniä parannus ehdotuksia tuohon
Ite ylellä kurssilla käyttelin tälläistä TDA7313, joka nyt taitaa olla jo vanhentunut.

Tossa taitaa olla nykyinen tuote TDA7468 ja kotelona SO-28. Erona TDA7313:seen, että 1 stereo input lisää ja vain 1 stereo lähtö.
http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00002822.pdf

Edit:
Muokkaan vielä. pitää mennä nyt syömään

Kiitos ideasta, en edes tiennyt tuollaisten piirien olemassaolosta! Ehdottamasi piiri ei täysin sovellu käyttööni (SOIC ei välttämättä ole sopiva jos lähden läpijuotettavia käyttämään, mutta sekin saattaa muuttua.), mutta vastaavia piirejä näkyy löytyvän useita. Esimerkiksi TDA7439 voisi korvata sekä sisääntulon valitsimen että digitaalisen volumen, ja lisäksi tulisi vielä sävysäädöt.

Fiksummat voisivat kertoa, onnistuuko atmega328:lla (arduinolla) SPI:n ja I2C:n yhtäaikainen käyttö, sillä osa suunnitelluista osista uudessa vahvistimessa käyttävät SPI:tä, ja ko. audioprosessorit käyttävät näemmä lähes kaikki I2C:tä. Vai olisiko suositeltavaa käyttää kaikissa sarjaväyläisissä piireissä I2C:tä?

Esim. Softa I2C:llä voidaan tuo kiertää, mutta tuolloin prossa on kokonaan varattu kyseisen ajan hoitamaan toimenpidettä. Tuo tarvitsee timerin viiveitä varten. Tämä lähinnä ongelmana, jos käytössä on moniajo käyttis esim. uCOS.

Jos käytössä on joku aikakirjasto, millä voi tehdä us ja ms viiveitä, niin pitäs sillä onnistua.

Edit:
SOIC pitäis mennä aika helposti, jos jyrsimällä / valotus+syövytys uuden levyn voi tehä.
Toinen vaihtoehto voisi olla, että juottaa hyppylangoilla 28 pinnaseen läpijuotettavaan kantaa. Ite ainakin protosin reikälevylle tuolla tavalla TDA7313 kytkentää.

Itellä samanlainen projekti työn alla.
Sisään menojen vaihdon meinasin toteuttaa releillä ja volume säädön pga2310 piirillä.

Tuo Multisim ja sen mainittu käyttöohje. Se kiinnostaisi kovasti! Onko tallessa? Saisinko? Meillä kanssa lisenssit ja systeemit on mutta kukaan ei osaa käyttää. Ja käyttöähän olisi kovastikin jos se vain toimisi :slight_smile:

Ikävä kyllä ei ole, ohje oli tulostettuna ja vain lainassa koululta. :confused: Pahoittelen.

Jos on kyse tästä, niin ohjeita kyllä löytyy Natikan sivuilta. Mikäli lisenssit kunnossa, niin tuskin on ongelma saada valmistajaltakaan uusia manuaaleja :wink:

toteutin myös vahvarin tuossa 9lk keväällä.

piirit on 2kpl lm4780 joista saa 4x n.60w ulos.(tai 2x 120w)

sopisko noi piirit sulle seuraavaan työhön? ei montaa ulkosta osaa tarvi kaveriks ja noita saa sampleinä ilmasiks

Olin ajatellut TDA7294-piiriä seuraavaan, siihen löytyy kytkentäkaaviot virtalähteelle ja vahvistimelle ja ominaisuudetkin ovat kohdallaan, ja kuten 4780, osiakaan ei montaa tarvitse. Se on tosin vielä suunnitteluasteella, joten hyvin saattaa vaihtuakin. Saako tuota sillattu/rinnakkaiskytkentää vaihdettua (esim kytkimillä) vai onko yksi kytkentä sidottu yhteen toimintamalliin? Olin katsovinani että kytkennässä on aika paljon muutoksia toimintatapojen välillä.

Hinta ei noissa piireissä ole kovin tärkeä, suurin osa maksaa noin 2-7e, suurempi hintaongelma on muuntaja, jonka hinta lähentelee 50e. Tähänkin tosin olisi ratkaisuna hakkurin rakentaminen.

Kiitos ideasta, suunnitelma oli rakentaa stereovahvistin, mutta useampikanavainen voisi olla mielenkiintoinen kohde. :slight_smile: Suunnitelma sen kuin kehittyy, saa nähdä millainen hirviö lopulta saadaan aikaan. :sunglasses:

Kyseess√§ oli er√§√§n opettajan omatekoinen ja viel√§ keskener√§inen ohjeistus, jonka sain ‚Äúkoeajaa‚ÄĚ. Mutta varmasti l√∂ytyy tosiaan internetist√§ vastaavia, kuitenkin sen verran iso softa. Mielest√§ni ohjelman toiminta muistutti kovasti kicadin ja eaglen toimintaa, mit√§ nyt olen noita kahta opetellut k√§ytt√§m√§√§n viimeaikoina.