„Zrobiłem prosty mikser audio, w którym można podłączyć wyjście słuchawkowe dwóch sprzętów i zmiksować je w jeden zestaw. Na przykład podłączenie telefonu i pianina cyfrowego, jeśli chcesz ćwiczyć na instrumencie ze słuchawkami, a jednocześnie, aby w tle grała muzyka z telefonu” — opisuje twórca. Prezentuje on także film podsumowujący cały proces projektowania:
W poniższym artykule przyjrzymy się całemu ujęciu. Autor wyjaśnił wszystkie poszczególne kroki, dzięki czemu przygotowanie podobnego urządzenia we własnym zakresie nie będzie stanowić dla nikogo większego problemu.
Krok 1: Potrzebne umiejętności i narzędzia
Jest to prosty koncept, więc nie wymaga zbyt wielu kompetencji. Czytelnik chcący w pełni przyswoić całość musi:
* Umieć czytać schematy i listy z materiałami (BoM), a także rozumieć projekty PCB;
* Potrafić zamawiać PCB u producenta, jeśli chce zrealizować projekt we własnym zakresie;
* Mieć pojęcie, jak lutować elementy SMD.
Niezbędne będą następujące przybory:
* Lutownica do lutowania elementów SMD (detale w rozmiarze 0805);
* Wiertło do wykonania otworów w obudowie (jeśli zdecydujesz się na metalową, tak jak autor);
* Przydatna może być frezarka CNC do opisywania etykiet na obudowie, ale można znaleźć prostszy sposób...
Krok 2: Każdy system audio należy zacząć od symulacji
Spędzając kilka godzin w programie symulacyjnym, można zaoszczędzić sobie sporo pracy i modyfikacji w projekcie. Poprzez symulację, szczególnie charakterystyki przenoszenia, można sprawdzić, jaka będzie odpowiedź częstotliwościowa obwodu.
W danym ujęciu autor przetestował obwód przedwzmacniacza, aby potwierdzić, że charakteryzuje się on płaską krzywą wzmocnienia od 20 Hz do 20 kHz — w pasmie akustycznym. Dzięki temu dźwięk przechodzący przez system będzie wysokiej jakości. Dla pewności odzwierciedlenie przeprowadzono przy wielu poziomach głośności. Dlatego też na schemacie pokazane są cztery identyczne obwody. Do tego wykorzystano program Tina-TI firmy Texas Instruments. Jest nieco prostszy w użyciu niż LTSpice. A autor zdecydował się na zastosowanie produktu TI również przez wzgląd na wzmacniacze operacyjne od Texas Instruments — ich oprogramowanie ma już do nich dołączone modele. To nieco przyspieszyło proces. Zasadniczo jednak na cały obwód nie ma większego wpływu wybór op-ampa.
Krok 3: Schemat
Powyżej pokazano pełny schemat urządzenia. W kolejnych krokach wyjaśniono, jak funkcjonuje każdy moduł, co robi i dlaczego znalazł się w układzie.
Krok 4: Zasilanie
Wszystko zaczyna się od zasilania. Całość napędzana jest napięciem 5 V z zasilacza USB, jako że są one dostępne w zasadzie wszędzie, a sam mikser nie pobiera dużo prądu. Dodatkowo zastosowano złącze micro USB, ponieważ każdy ma dużo zbędnych kabli tego typu.
Napięcie 5V z USB prowadzone jest przez mały koralik ferrytowy. Nie przepuszcza on wysokich częstotliwości — mówimy tutaj o MHz. Dzięki temu żaden szum o wysokiej wartości nie może zostać przeniesiony do obwodu. W rzeczywistości koralik ferrytowy można by pominąć, bez prawdopodobnie żadnych skutków ubocznych.
Następnie zasilanie trafia do izolowanej przetwornicy DC/DC. Przekształca ona napięcie z wejścia USB 5 V w izolowane 5 V. W ten sposób układ jest odizolowany galwanicznie od zasilania. W pierwszej wersji autor nie stosował izolacji. Jednakże tworzyło to problemy podczas podłączania miksera do np. komputera — powstawały pętle masy, przez co na wyjściu audio pojawiło się dużo niepożądanego szumu. Dzięki izolacji problemy te nie mają miejsca.
Do zasilania po stronie wtórnej przetwornicy podłączono również małą diodę LED, aby wskazać obecność zasilania 5V.
Krok 5: Generator napięcia symetrycznego
Mikser audio składa się ze wzmacniaczy operacyjnych (opisanych dalej). Do obróbki dźwięku powinny one być zasilane z zasilacza symetrycznego. Autor zdecydował się na ± V, które jest w pełni wystarczające do potrzeb tego układu. Do wytworzenia napięcia symetrycznego wykorzystano LM2664, czyli przetwornicę napięcia z przełączanym kondensatorem. Odwraca ona napięcie wejściowe. Co oznacza, że z 5V z USB generuje -5 V. Dzięki temu wzmacniacze operacyjne mogą być zasilane efektywnym napięciem 10 V z masą pośrodku.
Krok 6: Stopień wejściowy
Stopień wejściowy (dwa identyczne obwody dla dwóch kanałów) najpierw obciąża linie sygnałowe rezystancją 1k. Jest to standard dla wejść liniowych. Idealnie byłoby, gdyby wstawić tutaj 33 omy, aby zasymulować impedancję słuchawek, ale raczej nie jest to konieczne. Podobno przy niższej impedancji uzyskuje się nieco lepszą jakość dźwięku, jednak realnie zależy to od typu sterownika w samym urządzeniu wyjściowym. Co więcej, obciążenie wejścia eliminuje szumy w sytuacji, gdy nic nie jest podłączone do gniazda wejściowego.
Następnie sygnał jest filtrowany dwoma kondensatorami poliestrowymi. To usuwa niepożądane sygnały prądu stałego.
Wzmacniacz operacyjny w pierwszym stopniu jest skonfigurowany jako prosty sumator o wzmocnieniu 1, mieszający lewy i prawy kanał w jeden. Kondensator 100pF połączony równolegle z rezystorem sprzężenia zwrotnego ma na celu ograniczenie górnej granicy częstotliwości. Toteż wzmacniacz nie musi podbijać szumów o bardzo wysokiej wartości, co ogranicza ogólny ich poziom w systemie.
Op-ampy na schemacie to OPA4316. Są one całkiem dobre, ale można je zamienić na OPA4134m, aby zmniejszyć poziom szumu. Można wypróbować też inne, o kompatybilnych wyprowadzeniach.
Opisywany układ jest mono. Autor początkowo chciał zrobić go w wersji stereo, jednakże to strasznie komplikuje całość — dwa razy więcej wzmacniaczy operacyjnych i podwójne potencjometry do regulacji głośności. Uznał, że mono jest wystarczająco dobre do tej aplikacji.
Potencjometr za pierwszym stopniem reguluje głośność danego kanału. Na wyjściu znajduje się kondensator. Pomaga on zmniejszyć dźwięk przekręcanego potencjometru.
Krok 7: Drugi stopień
Jest bardzo podobny do pierwszego. Mamy tu prosty sumator ze wzmocnieniem 1. Ten stopień miksuje razem dźwięk z obu wejść urządzenia.
Kondensator ma ponownie ograniczyć górny zakres częstotliwości do 30 kHz. Drugi stopień posiada główny potencjometr głośności, który kontroluje całkowitą jej wartość wyjściową, trafiającą z pudełka do słuchawek czy dowolnego innego urządzenia.
Krok 8: Trzeci stopień — wzmacniacz słuchawkowy
Sygnał znów filtrowany jest dwoma kondensatorami poliestrowymi.
TPA6111A2 to stereofoniczny wzmacniacz słuchawkowy o mocy wyjściowej równej 150 mW. Podłączony jest on tak, aby uzyskać wzmocnienie równe 1. Jest w zasadzie bardzo podobny do zwykłego wzmacniacza operacyjnego, z tą różnicą, że jego wyjście jest w stanie wysterować większe obciążenie — słuchawki. Na wyjściach znajdują się dwa kondensatory elektrolityczne o pojemności 470 µF. Te oddzielają wyjściowy sygnał audio od składowej stałej. Pojemność 470 µF jest wystarczająco duża, aby pokryć cały niezbędny zakres częstotliwości audio.
Krok 9: Oddzielne masy
Zapewne zauważyłeś, że w schemacie pojawiają się trzy symbole — DGND i AGND oraz USB_GND.
USB_GND to masa wejściowa (PC lub ładowarka USB), galwanicznie oddzielona od reszty obwodu izolowanym konwerterem DC/DC (opisanym w rozdziale o zasilaniu).
DGND to masa o wyższym poziomie szumu. Na niej znajduje się przetwornica z przełączaną pojemnością, która kluczuje przy częstotliwości około 160 kHz. Jakkolwiek sam ton nie byłby słyszalny, to mógłby powodować niepożądane zakłócenia w sygnale audio, gdyby sprzęgł się z tym wyjściowym.
Cała ścieżka sygnału audio znajduje się na potencjale AGND — masie analogowej. W audio należy szczególnie czułe części obwodu umieszczać na osobnej, na której nie ma szumów. Ta masa jest połączona z DGND za pomocą koralika ferrytowego. Ma on wysoką impedancję dla wysokich częstotliwości i niską dla niskich. Dlatego nie przepuszcza szumu o wysokiej wartości.
Obie masy są wyraźnie oddzielone od siebie na PCB.
Krok 10: PCB
Autor zaprojektował kompaktową 2-warstwową płytkę o wymiarach 80 mm x 55 mm, która pasuje do wytłaczanej aluminiowej obudowy MC002216 lub MCREAS80 (lub dowolnej innej, o podobnych gabarytach). Dokumentację PCB można znaleźć na stronie z całym konceptem (patrz link na dole).
Krok 11: Lutowanie elementów na PCB
Na stronie z projektem załączono również pełen schemat, plany montażowe oraz zestawienie materiałów użytych na PCB, dzięki czemu bez problemu uda się odtworzyć tę płytkę. Komponenty pasywne mają rozmiar 0805 — nie są zbyt trudne do ręcznego lutowania.
Gotowe urządzenie
Źródło: https://www.instructables.com/Audio-Mixer-Two-Devices-Into-One-Headphones/
Cool? Ranking DIY
