Amplificador de guitarra de 18 W controlado digitalmente: 7 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Alguns anos atrás, eu construí um amplificador de guitarra de 5W, que era uma espécie de solução para o meu sistema de áudio da época, e recentemente decidi construir um novo muito mais poderoso e sem o uso de componentes analógicos para a interface do usuário, como potenciômetros rotativos e interruptores de alternância.

O amplificador de guitarra de 18 W controlado digitalmente é um amplificador de guitarra mono de 18 W autônomo e controlado digitalmente com sistema de efeito de retardo e um display de cristal líquido elegante, fornecendo informações exatas sobre o que está acontecendo no circuito.

As características do projeto:

• Controle totalmente digital: a entrada da interface do usuário é um codificador rotativo com uma chave integrada.
• ATMEGA328P: É um microcontrolador (usado como sistema semelhante ao Arduino): Todos os parâmetros ajustáveis são controlados programaticamente pelo usuário.
• LCD: atua como uma saída da interface do usuário, de modo que os parâmetros do dispositivo, como ganho / volume / profundidade de atraso / tempo de atraso, podem ser observados com grande aproximação.
• Potenciômetros digitais: são usados nos sub-circuitos, tornando o controle do dispositivo totalmente digital.
• Sistema em cascata: Cada circuito no sistema predefinido é um sistema separado que compartilha apenas linhas de alimentação, capaz de solucionar problemas relativamente fácil em caso de falhas.
• Pré-amplificador: Baseado no circuito integrado LM386, com design esquemático muito simples e requisitos mínimos de peças.
• Circuito de efeito de retardo: é baseado no circuito integrado PT2399, pode ser adquirido no eBay como um IC separado (eu mesmo projetei todo o circuito de retardo) ou pode ser usado como um módulo completo com capacidade de substituir potenciômetros rotativos por digipots.
• Amplificador de potência: É baseado no módulo TDA2030, que já contém todos os circuitos periféricos para seu funcionamento.
• Fonte de alimentação: o dispositivo é alimentado por uma fonte de alimentação externa de 19 Vcc de laptop antigo, portanto, o dispositivo contém um módulo DC-DC redutor como um pré-regulador para o LM7805, fazendo com que ele dissipe muito menos calor durante o uso de energia do dispositivo.

Depois de cobrir todas as informações breves, vamos construí-lo!

Etapa 1: a ideia

Como você pode ver no diagrama de blocos, o dispositivo opera como uma abordagem clássica para o design do amplificador de guitarra, com pequenas variações no circuito de controle e na interface do usuário. Há um total de três grupos de circuitos sobre os quais iremos expandir: Analógico, digital e fonte de alimentação, onde cada grupo consiste em sub-circuitos separados (o tópico será bem explicado nas próximas etapas). Para tornar muito mais fácil entender a estrutura do projeto, vamos explicar esses grupos:

1. Parte analógica: os circuitos analógicos estão localizados na metade superior do diagrama de blocos, como pode ser visto acima. Esta parte é responsável por todos os sinais que passam pelo dispositivo.

O jack de 1/4 é uma entrada mono de guitarra do dispositivo e está localizado no limite entre a caixa e o circuito eletrônico soldado.

O próximo estágio é um pré-amplificador, baseado no circuito integrado LM386, que é extremamente fácil de usar em tais aplicações de áudio. O LM386 é fornecido 5 Vcc da fonte de alimentação principal, onde seus parâmetros, ganho e volume, são controlados por potenciômetros digitais.

O terceiro estágio é o amplificador de potência, baseado no circuito integrado TDA2030, alimentado por fonte de alimentação externa de 18 ~ 20 Vcc. Neste projeto, o ganho que é selecionado no amplificador de potência permanece constante durante todo o tempo de operação. Uma vez que o dispositivo não é um único PCB embrulhado, é recomendado usar o módulo TDA2030A montado e anexá-lo ao protótipo da placa conectando apenas E / S e pinos da fonte de alimentação.

2. Parte digital: os circuitos digitais estão localizados na metade inferior do diagrama de blocos. Eles são responsáveis pela interface do usuário e controle de parâmetros analógicos, como tempo de atraso / profundidade, volume e ganho.

O codificador com interruptor SPST integrado é definido como uma entrada de controle do usuário. Uma vez que é montado como uma peça única, a única necessidade para a operação adequada é conectar resistores pull-up programaticamente ou fisicamente (veremos na etapa do esquema).

O microprocessador como o "cérebro principal" no circuito é o ATMEGA328P, que é usado no estilo do Arduino neste dispositivo. É o dispositivo que tem todo o poder digital sobre o circuito e comanda tudo o que fazer. A programação é feita através da interface SPI, então podemos usar qualquer programador ISP USB apropriado ou depurador AVR adquirido. No caso de você querer usar o Arduino como microcontrolador no circuito, isso é possível através da compilação do código C anexado que está presente na etapa de programação.

Os potenciômetros digitais são dois circuitos integrados duplos controlados via interface SPI por microcontrolador, com um número total de 4 potenciômetros para controle total sobre todos os parâmetros:

LCD é uma saída da interface do usuário, que nos permite saber o que está acontecendo dentro da caixa. Neste projeto, usei provavelmente o LCD 16x2 mais popular entre os usuários do Arduino.

3. Fonte de alimentação: A fonte de alimentação é responsável por fornecer energia (tensão e corrente) a todo o sistema. Uma vez que o circuito do amplificador de potência é alimentado diretamente pelo adaptador externo do laptop e todos os circuitos restantes são alimentados por 5 Vcc, é necessário um regulador linear ou redutor DC-DC. No caso de colocar regulador linear de 5V conectando-o ao 20V externo, quando a corrente passa pelo regulador linear para a carga, uma quantidade enorme de calor dissipada no regulador de 5V, não queremos isso. Então, entre a linha 20V e o regulador linear 5V (LM7805), existe um conversor abaixador 8V DC-DC, que atua como um pré-regulador. Tal fixação evita grande dissipação no regulador linear, quando a corrente de carga atinge valores elevados.

Etapa 2: Peças e instrumentos

Partes eletrônicas:

1. Módulos:

• PT2399 - Módulo IC eco / delay.
• LM2596 - Módulo DC-DC Abaixador
• TDA2030A - Módulo amplificador de potência 18W
• 1602A - caracteres comuns de 16x2 no LCD.
• Codificador rotativo com chave SPST embutida.

2. Circuitos integrados:

• LM386 - Amplificador de áudio mono.
• LM7805 - Regulador linear 5V.
• MCP4261 / MCP42100 - potenciômetros digitais duplos de 100KOhm
• ATMEGA328P - Microcontrolador

3. Componentes passivos:

A. Capacitores:

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

B. Resistores:

• 1 x 10R
• 4 x 10K

C. Potenciômetro:

1 x 10K

(Opcional) Se você não estiver usando o módulo PT2399 e estiver interessado em construir o circuito você mesmo, estas peças são necessárias:

• PT2399
• 1 x resistor 100K
• 2 x 4.7uF Capacitor
• 2 x 3,9 nF capacitor
• 2 x resistor de 15K
• 5 x 10K Resistor
• 1 x resistor 3,7K
• 1 x 10uF Capacitor
• 1 x 10nF capacitor
• 1 x 5,6K resistor
• 2 x 560pF capacitor
• 2 x 82nF Capacitor
• 2 x 100nF capacitor
• 1 x 47uF Capacitor

4. Conectores:

• 1 x conector mono de 1/4"
• 7 x blocos de terminais duplos
• 1 x conector fêmea de linha de 6 pinos
• 3 conectores JST de 4 pinos
• 1 x conector de alimentação macho

Partes mecânicas:

• Alto-falante com aceitação de potência igual ou superior a 18W
• Gabinete de madeira
• Moldura de madeira para corte da interface do usuário (para LCD e codificador rotativo).
• Borracha de espuma para alto-falante e áreas da interface do usuário
• 12 parafusos de perfuração para as peças
• 4 x parafusos e porcas de fixação para quadro LCD
• 4 x perna de borracha para oscilações estáveis do dispositivo (ruído mecânico de ressonância é uma coisa comum no projeto do amplificador).
• Botão para codificador rotativo

Instrumentos:

• Chave de fenda elétrica
• Pistola de cola quente (se necessário)
• (Opcional) Fonte de alimentação do laboratório
• (Opcional) Osciloscópio
• (Opcional) Gerador de função
• Ferro de soldar / estação
• Cortador pequeno
• Alicate pequeno
• Lata de solda
• Pinças
• Fio de embrulho
• Brocas
• Serra de pequeno porte para corte de madeira
• Faca
• Arquivo de moagem

Etapa 3: Explicação esquemática

Como estamos familiarizados com o diagrama de blocos do projeto, podemos prosseguir para o esquema, levando em consideração tudo o que precisamos saber sobre a operação do circuito:

Circuito do pré-amplificador: LM386 é conectado com o mínimo de consideração de peças, sem a necessidade de usar componentes passivos externos. No caso de você desejar alterar a resposta de frequência para a entrada do sinal de áudio, como reforço de graves ou controle de tom, você pode consultar a folha de dados do LM386, falando sobre a qual, não afetará o diagrama esquemático deste dispositivo, exceto para pequenas mudanças nas conexões do pré-amplificador. Como estamos usando uma única fonte de 5 Vcc para o IC, o capacitor de desacoplamento (C5) deve ser adicionado à saída do IC para a remoção de CC do sinal. Como pode ser visto, o pino de sinal do conector de 1/4 (J1) está conectado ao pino 'A' do digipot, e a entrada não inversora LM386 é conectada ao pino 'B' do digitpot, portanto, como resultado, temos divisor de tensão, controlado por microcontrolador via interface SPI.

Circuito Delay / Echo Effect: Este circuito é baseado no IC do efeito de retardo PT2399. Este circuito parece complicado de acordo com seu datasheet, e é muito fácil se confundir com a soldagem dele. Recomenda-se adquirir o módulo PT2399 completo já montado, bastando desoldar os potenciômetros rotativos do módulo e conectar os digipot (Wiper, 'A' e 'B'). Eu usei uma referência de folha de dados para o design do efeito de eco, com digipots anexados à seleção do período de tempo das oscilações e ao volume do sinal de feedback (o que deveríamos chamar - "profundidade"). A entrada do circuito de retardo, referida como linha DELAY_IN, é conectada à saída do circuito do pré-amplificador. Não é mencionado nos esquemas porque eu queria fazer todos os circuitos para compartilhar apenas linhas de força, e as linhas de sinal são conectadas com cabos externos. "Que inconveniente!", Você pode pensar, mas o fato é que, ao construir um circuito de processamento analógico, é muito mais fácil solucionar parte por parte de cada circuito do projeto. Recomenda-se adicionar capacitores de bypass ao pino da fonte de alimentação de 5 Vcc, por causa de sua área barulhenta.

Fonte de alimentação: o dispositivo é alimentado por um conector de alimentação externo por um adaptador 20V 2A AC / DC. Descobri que a melhor solução para reduzir a grande quantidade de dissipação de energia em um regulador linear na forma de calor é adicionar um conversor abaixador de 8 V DC-DC (U10). O LM2596 é um conversor de buck usado em muitas aplicações e popular entre os usuários do Arduino, que custa menos de 1 $ no eBay. Sabemos que esse regulador linear tem uma queda de tensão em seu rendimento (no caso de 7805 a aproximação teórica é em torno de 2,5 V), portanto, há um gap seguro de 3 V entre a entrada e a saída do LM7805. Não é recomendado negligenciar o regulador linear e conectar lm2596 diretamente à linha de 5 V, por causa do ruído de comutação, cuja ondulação de tensão pode afetar a estabilidade de energia dos circuitos.

Amplificador de potência: É simples como parece. Como usei um módulo TDA2030A neste projeto, o único requisito é conectar os pinos de alimentação e as linhas de E / S do amplificador de potência. Como foi mencionado antes, a entrada do amplificador de potência é conectada à saída do circuito de atraso por meio de um cabo externo usando conectores. O alto-falante usado no dispositivo é conectado à saída do amplificador de potência por meio de um bloco de terminais dedicado.

Potenciômetros Digitais: Provavelmente os componentes mais importantes de todo o dispositivo, tornando-o capaz de ser controlado digitalmente. Como você pode ver, existem dois tipos de digipots: MCP42100 e MCP4261. Eles compartilham a mesma pinagem, mas diferem na comunicação. Eu tenho apenas dois últimos digipots em meu estoque quando construí este projeto, então usei apenas o que tinha, mas recomendo usar dois digipots do mesmo tipo, MCP42100 ou MCP4261. Cada digipot é controlado por uma interface SPI, compartilhando clock (SCK) e pinos de entrada de dados (SDI). O controlador SPI do ATMEGA328P é capaz de lidar com vários dispositivos acionando pinos separados de seleção de chip (CS ou CE). Ele é projetado dessa forma neste projeto, onde os pinos de ativação do chip SPI são conectados a pinos separados do microcontrolador. PT2399 e LM386 são conectados a uma fonte de 5 V, então não precisamos nos preocupar com a oscilação de tensão na rede de resistores digipot dentro dos CIs (isso é amplamente coberto na ficha técnica, na seção de faixa de nível de tensão nos resistores de chaveamento internos).

Microcontrolador: Como foi mencionado, baseado em um ATMEGA328P estilo Arduino, com a necessidade de um único componente passivo - resistor pull-up (R17) no pino de reset. O conector de 6 pinos (J2) é usado para a programação do dispositivo via programador USB ISP através da interface SPI (sim, a mesma interface à qual os digipots estão conectados). Todos os pinos são conectados aos componentes apropriados, que são apresentados no diagrama esquemático. É altamente recomendável adicionar capacitores de bypass próximos aos pinos da fonte de alimentação de 5V. Os capacitores que você vê perto dos pinos do codificador (C27, C28) são usados para evitar que o estado do codificador salte nesses pinos.

LCD: a tela de cristal líquido é conectada de forma clássica com transmissão de dados de 4 bits e dois pinos adicionais de travamento de dados - Seleção de registro (RS) e Ativar (E). O LCD possui brilho constante e contraste variável, que pode ser ajustado com um único aparador (R18).

Interface do usuário: o codificador rotativo do dispositivo possui um botão SPST embutido, onde todas as suas conexões são amarradas aos pinos do microcontrolador descritos. Recomenda-se conectar o resistor pull-up a cada pino do encoder: A, B e SW, ao invés de usar pull-up interno. Certifique-se de que os pinos A e B do codificador estão conectados aos pinos de interrupção externa do microcontrolador: INT0 e INT1 para estar em conformidade com o código do dispositivo e a confiabilidade ao usar o componente do codificador.

Conectores e blocos terminais JST: Cada circuito analógico: pré-amplificador, atraso e amplificador de potência são isolados na placa soldada e são conectados com cabos entre os blocos terminais. O codificador e o LCD são anexados aos cabos JST e conectados à placa soldada por meio dos conectores JST, conforme descrito acima. A entrada do conector da fonte de alimentação externa e a entrada da guitarra do conector mono de 1/4 são conectadas por meio de blocos de terminais.

Etapa 4: Solda

Após uma breve preparação, é necessário imaginar o posicionamento preciso de todos os componentes na placa. É preferível começar o processo de soldagem a partir do pré-amplificador e terminar com todos os circuitos digitais.

Aqui está uma descrição passo a passo:

1. Circuito pré-amplificador de solda. Verifique suas conexões. Certifique-se de que as linhas de aterramento sejam compartilhadas em todas as linhas apropriadas.

2. Solde o módulo PT2399 / IC com todos os circuitos periféricos, de acordo com o diagrama esquemático. Já que soldou todo o circuito de atraso, você pode ver que há muitas linhas compartilhadas que podem ser soldadas facilmente de acordo com cada função de pino do PT2399. Se você tiver um módulo PT2399, basta dessoldar os potenciômetros rotativos e soldar as linhas de rede do potenciômetro digital a esses pinos liberados.

3. Solde o módulo TDA2030A, certifique-se de que o conector de saída do alto-falante esteja voltado para fora da placa.

4. Circuito de alimentação de solda. Coloque os capacitores de bypass de acordo com o diagrama esquemático.

5. Circuito de microcontrolador de solda com seu conector de programação. Tente programá-lo, certifique-se de que não falhe no processo.

6. Potenciômetros digitais de solda

7. Solde todos os conectores JST nas áreas de acordo com cada conexão de linha.

8. Ligue a placa, se você tiver um gerador de função e osciloscópio, verifique cada resposta do circuito analógico para o sinal de entrada passo a passo (recomendado: 200mVpp, 1KHz).

9. Verifique a resposta do circuito no amplificador de potência e circuito / módulo de atraso separadamente.

10. Conecte o alto-falante à saída do amplificador de potência e o gerador de sinal à entrada, certifique-se de ouvir o tom.

11. Se todos os testes que realizamos forem bem-sucedidos, podemos prosseguir para a etapa de montagem.

Etapa 5: Montagem

Provavelmente esta é a parte mais difícil do projeto do ponto de vista técnico, a menos que haja ferramentas úteis para o corte de madeira em seu estoque. Eu tinha um conjunto muito limitado de instrumentos, então fui forçado a ir pelo caminho mais difícil - cortar a caixa manualmente com uma lima de amolar. Vamos cobrir as etapas essenciais:

1. Preparando a caixa:

1.1 Certifique-se de ter um gabinete de madeira com dimensões adequadas para o alto-falante e alocação da placa eletrônica.

1.2 Corte a região do alto-falante, é altamente recomendável prender a moldura de espuma de borracha na área de corte do alto-falante para evitar vibrações de ressonância.

1.3 Corte uma moldura de madeira separada para a interface do usuário (LCD e codificador). Corte a área apropriada para o LCD, certifique-se de que a direção do LCD não esteja invertida para a visão frontal do gabinete. Depois de concluído, faça um orifício para o codificador rotativo. Aperte os 4 parafusos de perfuração do LCD e o codificador rotativo com uma porca metálica apropriada.

1.4 Coloque borracha de espuma na estrutura de madeira da interface do usuário em todo o seu perímetro. Isso ajudará a evitar notas ressonantes também.

1.5 Localize onde a placa eletrônica ficará localizada, em seguida, faça 4 furos no gabinete de madeira

1.6 Prepare um lado, onde o conector de entrada da fonte de alimentação externa DC e a entrada de guitarra de 1/4 serão localizadas, faça dois furos com os diâmetros adequados. Certifique-se de que esses conectores compartilham a mesma pinagem da placa eletrônica (ou seja, polaridade). Depois disso, solde dois pares de fios para cada entrada.

2. Conectando as peças:

2.1 Conecte o alto-falante à área selecionada, certifique-se de que dois fios estejam conectados aos pinos do alto-falante com 4 parafusos perfurantes.

2.2 Anexe o painel de interface do usuário no lado selecionado do gabinete. Não se esqueça da borracha de espuma.

2.3 Conecte todos os circuitos juntos por meio de blocos de terminais

2.4 Conecte o LCD e o codificador à placa por meio dos conectores JST.

2.5 Conecte o alto-falante à saída do módulo TDA2030A.

2.6 Conecte as entradas de energia e guitarra aos blocos de terminais da placa.

2.7 Localize a placa na posição dos orifícios perfurados, prenda a placa com 4 parafusos de perfuração de fora do gabinete de madeira.

2.8 Prenda todas as peças da caixa de madeira juntas para que pareça uma caixa sólida.

Etapa 6: Programação e código

O código do dispositivo obedece às regras da família de microcontroladores AVR e está em conformidade com ATMEGA328P MCU. O código é escrito no Atmel Studio, mas há uma oportunidade de programar a placa Arduino com o IDE do Arduino que possui o mesmo MCU ATMEGA328P. O microcontrolador autônomo pode ser programado via adaptador de depuração USB de acordo com Atmel Studio ou via programador USP ISP, que pode ser adquirido no eBay. O software de programação comumente usado é o AVRdude, mas eu prefiro um ProgISP - um software de programação ISP USB simples com uma interface de usuário muito amigável.

Todas as explicações necessárias sobre o código podem ser encontradas no arquivo Amplifice.c anexo.

O arquivo Amplifice.hex anexado pode ser carregado diretamente para o dispositivo se estiver totalmente de acordo com o diagrama esquemático que observamos anteriormente.

Etapa 7: Teste

Bem, depois que tudo o que queríamos é feito, é hora de testar. Eu preferia testar o dispositivo com minha guitarra antiga e barata e um circuito simples de controle de tom passivo que eu construí anos atrás sem motivo. O dispositivo é testado também com processador de efeitos digital e analógico. Não é muito bom que o PT2399 tenha uma RAM tão pequena para armazenar amostras de áudio usadas em sequências de atraso, quando o tempo entre as amostras de eco é muito grande, o eco é digitalizado com uma grande perda de bits de transição, o que é considerado distorção de sinal. Mas essa distorção "digital" que ouvimos pode ser útil como um efeito colateral positivo da operação do dispositivo. Tudo depende da aplicação que você deseja fazer com este dispositivo (que de alguma forma chamei de "Amplifice V1.0" por sinal).

Espero que você ache este instrutível útil.

Obrigado por ler!