Izjednačeno pojačalo za slušalice za osobe oštećenog sluha: 10 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:32

Moje potrebe

Prije nekoliko mjeseci opremljen sam slušnim aparatima kako bih kompenzirao gubitak osjetljivosti na visoke frekvencije, uzrokujući prigušivanje zvukova i poteškoće u razlikovanju sibilanata (npr. "S" i "F"). No, pomagala nemaju koristi pri korištenju slušalica jer su mikrofoni iza uha. Nakon eksperimentiranja s indukcijskom petljom i izravnim unosom u moje slušne aparate (niti jedno od njih nije dalo zadovoljavajuće rezultate), došao sam na ideju pojačala za slušalice s podesivim frekvencijskim odzivom dizajniranim tako da odgovara onom u mojim slušnim aparatima.

Ako imate neki drugi zahtjev za izjednačavanje, onda bi se ovaj projekt mogao lako prilagoditi. Omogućuje pojačanje (ili rezanje, s trivijalnom izmjenom) na 3 središnje frekvencije. Međutim, moglo bi se proširiti na više frekvencijskih opsega.

Rezultat

Ono što sam završio je uredna mala kvadratna kutija od 6 cm s utičnicom od 3,5 mm i Bluetooth ulazima te izlazom za slušalice sa utičnicom od 3,5 mm. Smatrao sam da je poboljšanje iskustva slušanja glazbe spektakularno i veliko poboljšanje govora.

Što će vam ovaj Instructable dati

Dopustite mi da na početku kažem, ovo nije projekt za početnike. Trebat će vam razumna razina vještine lemljenja, a ako je želite izmijeniti (što možete i dobro), morat ćete naučiti Eagle za izgled ploče i TinkerCAD za kutiju s 3D ispisom. Oboje mi je trebalo malo vremena za savladavanje, ali niti jedno nije bilo teško. Očekujem da će ljudi naučiti nešto od mojih Instructables (osim ako već znate više od mene), a ne samo slijepo slijediti upute.

Ako nikada niste lemili komponente za površinsko montiranje, nemojte se odlagati - nije tako teško kao što mislite. Za uvod pogledajte ovaj vodič.

Ono što ćete dobiti od ovog projekta je:

• Eagle datoteke dizajna (shema i izgled ploče)
• Excel proračunska tablica koja utjelovljuje jednadžbe dizajna kako bi vam omogućila prilagodbu izjednačavanja vašim potrebama
• TinkerCAD dizajn za 3D tiskanu kutiju.

Budući da je minimalna narudžba za prilagođenu tiskanu ploču bila 5 komada, imam 3 gole ploče koje su rezervne (jedna je prodana). Ove su sada u prodaji na eBayu - pogledajte

Korak 1: Proces projektiranja: zahtjevi i strategija

Kad sam počeo razmišljati o ovom projektu, jedno od prvih pitanja u mom umu bilo je hoću li koristiti analogne ili digitalne filtere. U temi na forumu All About Circuits, Keith Walker me upozorio na vrlo jeftin (analogni) grafički ekvilajzer s Dalekog istoka (ilustriran gore) koji je koristio za rješavanje istog problema. Zato sam naručio jedan kao dokaz koncepta.

Djelovao je dobro, ali bio je previše glomazan za prijenosnu uporabu, a trebao je i pozitivne i negativne vodilice napajanja, dodatnu neugodnost. No, potvrdio je pristup i vrstu sklopa filtera za uporabu.

Svoje zahtjeve sam precizirao na sljedeće:

• Mora biti kompaktan, prenosiv i pokretan punjivom baterijom.
• Trebao bi prihvatiti ulaz sa 3,5 mm priključnice ili Bluetootha.
• Mora imati odvojene lijeve i desne stereo kanale.

Koristio sam konvencionalne komponente kroz rupe i 0,3 DIL ICs na stripboard-u u mnogim prethodnim projektima, ali to bi ga učinilo previše glomaznim. Stoga sam odlučio da ću morati dizajnirati prilagođenu PCB (novo iskustvo za mene) pomoću površine komponente za montiranje (od kojih imam skromno iskustvo). Također bih morao dizajnirati kutiju s 3D printom (moje iskustvo s 3D dizajnom bilo je vrlo ograničeno).

Bluetooth mogućnost bilo bi lako dodati bilo kojim od različitih jeftinih Bluetooth modula koji su dostupni.

Postoje 2 ili 3 namjenska IC -a za grafički ekvilajzer koje sam pogledao, ali korištenje jeftinih četverostrukih opampsa na kraju se činilo jednostavnijim i zahtijevalo je samo onoliko vanjskih komponenti.

Korak 2: Glavni projekt

Osnovni element sklopa koji sam koristio poznat je kao žirator. Koristi operativno pojačalo za pretvaranje kapitora u virtualni induktor. Ovaj, i još jedan kondenzator čini podešeni krug, osiguravajući rezanje ili pojačavanje u određenom rasponu frekvencija. Vrlo mnogi dizajni grafičkih ekvilajzera koriste gotovo identičan dizajn i nema smisla odstupiti od njega. Oni su prikazani ovim primjerom na stranici Electronics Today International, rujan 1977., stranica 27. Ovaj članak vrlo jasno objašnjava kako krug funkcionira.

Promijenio sam ga samo korištenjem quad opampsa koji bi radili iz jednog 5V napajanja, te dodavanjem IC pojačala za slušalice kako bi se osiguralo da će adekvatno upravljati slušalicama. Također sam svaki potenciometar zamijenio potenciometrom i otpornikom kako bih dao samo pojačanje i finiju kontrolu, budući da mi nije bilo potrebno rezanje.

Shematski prikaz i izgled ploče (oba generirana pomoću Eagle -a) prikazani su gore.

Izvrsna značajka Eagle -a je to što uključuje paket simulacije sklopa Spice, što omogućuje provjeru valjanosti dizajna i predviđanje frekvencijskog odziva prije nego što se odlučite za proizvodnju PCB -a.

Ploča ima 2 ulaza, utičnicu od 3,5 mm i jastučiće za lemljenje za povezivanje modula Bluetooth prijemnika. To su zapravo paralelno. Napajanje se može napajati putem mini-USB utičnice ili jastučića za lemljenje. Koristio sam mini, a ne mikro-USB jer bi mikro-USB utičnicu bilo prilično teško lemiti ručno, ai manje je robustan.

Korak 3: Instalacija i postavljanje programa Eagle

Ako želite poslati dizajn ploče u proizvodnju, izmijeniti izgled ili jednostavno izmijeniti krivulju odziva, morat ćete instalirati Eagle. Ako (poput mene kad sam započeo ovaj projekt) niste upoznati s njim, web mjesto SparkFun ima niz korisnih vodiča na

Prvi koji treba pogledati je Kako instalirati i postaviti Eagle.

To uključuje instaliranje SparkFun knjižnica. Preuzeta zip datoteka sadrži mapu SparkFun-Eagle-Libraries-master koju trebate kopirati u EAGLE / libraries

Također morate uvesti moje datoteke sa shemom i izgledom ploče Eagle, te moje modele Spice. (Spice je softver za simulaciju sklopova koji nam omogućuje simulaciju frekvencijskog odziva pojačala.)

Sve je to uključeno u zip datoteku s koje možete preuzeti

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Otvorite zip datoteku i povucite i ispustite projekte i mape začina u svoju mapu EAGLE. (Već će sadržavati praznu mapu projekata.)

Sada biste trebali biti spremni za lansiranje Eagle -a.

U lijevom oknu otvorite Projekti, zatim projekti, pa Izjednačeno pojačalo za slušalice.

Dvaput kliknite datoteke Headphone_Amp.brd i Headphone_Amp.sch. Oni će se otvoriti u zasebnim prozorima, prvi prikazuje izgled ploče, a drugi shematski.

Na shemi pronađite i kliknite gumb Simuliraj.

Ovo otvara postavku simulacije. Pritisnite radio gumb AC Sweep, postavite Type na Dec (zadano), a Start i End Freq na 100 odnosno 10000. Kliknite gumb Simuliraj u donjem desnom kutu. Nakon stanke trebao bi se pojaviti grafikon frekvencijskog odziva, baš kao što je prikazano u sljedećem koraku.

Korak 4: Podešavanje krivulje odgovora

Vaše će se uši vrlo vjerojatno razlikovati od mojih, pa prije svega trebate kopiju svog audiograma. Vaš audiolog trebao bi vam to omogućiti, ali ako imate dobar par slušalica, možete ih sami izraditi na adresi

To bi vam trebalo dati dobru predodžbu o tome koliko vam je potrebno pojačanje na različitim frekvencijama. U mom slučaju, moj gubitak sluha brzo raste iznad 3 kHz, pa je nemoguće kompenzirati mnogo iznad toga. U svakom slučaju, nekoliko eksperimenata koji su analizirali spektar različitih izvora s Audacityjem pokazalo je da vjerojatno nije bilo mnogo iznad mene da mi nedostaje.

Kako sada stoji, projekt vam omogućuje podešavanje frekvencijskog odziva na 3 središnje frekvencije od 1,5, 2,3 i 3,3 kHz, neovisno između lijevog i desnog kanala. Možete se držati ovih frekvencija ili ih promijeniti (pogledajte sljedeći korak).

U vašoj mapi EAGLE / spice pronaći ćete modele za tri trimpota POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl i POT_VR131.mdl. Oni kontroliraju odziv na 3 frekvencije. Otvaranjem bilo kojeg od ovih pomoću uređivača teksta (npr. Notepada) vidjet ćete redak poput:

.param VAR = 50

Promijenite broj na bilo što između 0 i 100 kako bi predstavljao položaj odgovarajućeg trimpota i stoga povećanje na toj frekvenciji na bilo što od nule do maksimuma.

Sada ponovno pokrenite simulaciju (kliknite Ažuriraj popis mreža prije nego što kliknete Simuliraj) da vidite kako sada izgleda frekventni odziv.

Korak 5: Promjena središnjih frekvencija

U mapu Eagle Project uključio sam Excel proračunsku tablicu Calc.xlsx. Otvorite ovo pomoću programa Excel (ili ako nemate Excel, LibreOffice Calc, koji je besplatan). Ova proračunska tablica utjelovljuje proračune dizajna samo za jednu od 3 sekcije filtera.

Prvi okvir omogućuje izračunavanje središnje frekvencije i Q faktora za zadane vrijednosti R1, R2, C1 i C2. (Faktor Q ili kvaliteta određuje širinu pojasa. Veća vrijednost daje uži pojas i više pojačanja. Čini se da vrijednosti oko 4 dobro funkcioniraju ako je svaka frekvencija otprilike 50% veća od prethodne.)

U stvari, veća je vjerojatnost da ćete željeti odabrati frekvencije i izračunati vrijednosti komponenti. S obzirom na željenu frekvenciju i tri od četiri vrijednosti komponente, drugi okvir vam omogućuje izračunavanje vrijednosti 4. komponente.

Komponente imaju željenu vrijednost (na primjer serija E12), tako da možete odabrati najbližu željenu vrijednost izračunatoj vrijednosti i vratiti je u prvi okvir kako biste vidjeli koju stvarnu frekvenciju to daje.

Zatim morate uključiti svoje vrijednosti u shemu Eagle i ponoviti simulaciju.

Otvorite shemu, a na lijevoj ploči kliknite ikonu vrijednosti komponente, a zatim kliknite komponentu koju želite promijeniti. (Simulacija je postavljena za rad samo na donjem ili lijevom kanalu.) Dobit ćete upozorenje da komponenta nema korisnički definiranu vrijednost. Želite li to promijeniti? Naravno da jesi! Unesite novu vrijednost u okvir koji se pojavi.

Pritisnite gumb Simuliraj, kliknite Ažuriraj popis mreža pa Simuliraj.

Korak 6: Potrebne komponente

Naravno, trebat će vam pločica. Osim ako ne koristite neku od mojih rezervnih golih ploča, morat ćete poslati Eagle datoteke u proizvodnju. Većina proizvođača zahtijeva dizajn kao skup gerber datoteka. Umjesto dupliciranja uputa ovdje, potražite na Internetu Eagle export gerber ili pogledajte upute Sparkfun.

Odvojene gerber datoteke opisuju bakrene slojeve, masku za lemljenje, sitotisak, bušenje i glodanje obrisa ploče.

Prilikom podnošenja datoteka proizvođaču on će ih potvrditi i upozoriti ako nedostaju neke bitne datoteke. Ali neće vas upozoriti ako nedostaje datoteka svilenog ekrana, što je moja greška. Ovo je odvojeno od obrisa uređaja.

Za popunjavanje ploče trebat će vam sljedeće komponente.

• TL084 SOIC -14 quad op amp - 2 isključena
• LM4880M SOIC pojačalo snage 250mW - 1 popust
• 0603 Asortiman otpornika SMD
• 0603 SMD asortiman keramičkih kondenzatora 100pF - 1μF
• 5K trim pot 3362P -502 - 6 popusta
• 10uF 16V SMD 0805 Višeslojni keramički višeslojni kondenzator - 4 isključeno
• 2917 (EIA7343) 100μF 16V tantalni kondenzator - 2 isključeno
• 2917 (EIA7343) 470μF 10V tantalni kondenzator - 2 isključeno
• Mini USB ženska 5-pinska SMD utičnica
• Stereo audio utičnica za montažu na PCB -u sa 3,5 mm - 2 isključena
• Plava LED dioda od 3 mm (ili po vašem izboru boje)

Za potpunu jedinicu na baterijsko napajanje s Bluetooth ulazom dodatno će vam trebati:

• Modul Bluetooth prijemnika koji podržava A2DP, kao što je ovaj
• LiPo baterija: 503035 3.7V 500mAhr
• TP4056 LiPo punjač s mini-USB ulazom (ili microUSB-om ako želite) poput ovoga
• Pretvarač pojačanja 3V - 5V poput ovog
• Mini SPDT klizni prekidač

Napomena: Punjač LiPo vjerojatno će biti postavljen na struju punjenja od 1A, što je previše za bateriju od 500 mAhr. Važno je da uklonite otpornik za programiranje brzine punjenja (obično 1,2 K spojen na pin 2 čipa TP4056) i zamijenite ga jednim od 3,3 k.

Koristio sam LiPo bateriju sa žicom, ali jedna s minijaturnim JST konektorom omogućila bi njezino spajanje tek nakon ožičenja i dvostruke provjere svega ostalog, kao i olakšavanje zamjene.

Bluetooth modul koji radi na 3.3V ili 5V je poželjniji jer tada može napajati izravno iz baterije, smanjujući digitalni šum na napajanju od 5V na glavnoj ploči.

Ako odaberete Bluetooth modul koji podržava AVRCP kao i A2DP, mogli biste dodati gumbe za povećanje/smanjivanje glasnoće i sljedeći/prethodni zapis.

Mnogi Bluetooth moduli imaju LED za površinsko montiranje koji označava stanje veze, a punjač TP4056 ima crvene i zelene LED diode za površinsko postavljanje koje pokazuju stanje punjenja. Kutija poput ove koju sam napravio vjerojatno će ih sakriti, pa se mogu zamijeniti (vidi kasnije):

• 3 mm plava LED dioda
• 3 mm crvena/zelena LED zajednička anoda.

Korak 7: Korištenje Prototype Bare Board -a

Ako ste nabavili jednu od mojih rezervnih prototipnih ploča, morate biti svjesni samo nekoliko manjih pogrešaka.

• Na vrhu ploče nema svilenog ekrana. Bit će vam od pomoći imati pri ruci ispisanu kopiju izgleda ploče dok je popunjavate.
• Nekoliko vija trebalo je povezati gornju i donju ravninu tla koje to ne čine. Ovo nema nikakve posljedice.
• C3 je izvorno bio 100uF, u pakiranju od 2917. Ova je vrijednost bila prevelika i sada iznosi 1uF 0603. Morat ćete sastrugati malo lemnog otpora s uzemljene ravnine kako biste to uklopili, kao što je prikazano na fotografiji.

Pojačanje se postavlja vrijednostima otpornika R106 i R206. 22k daje otprilike dobitak jedinstva. Budući da ćete možda htjeti eksperimentirati s različitim vrijednostima, osigurao sam i 0603 SMD otporničke pločice i rupe na 0,3 koraka za otpornike sa žicom.

Korak 8: Boxing It

Dizajn kutije koju sam koristio za 3D ispis možete pronaći na tinkercad.com. Razmaci su bili malo pretijesni pa sam povećao duljinu i širinu kutije za 1 mm.

Na dnu kutije nalaze se pretinci za bateriju, punjač, pretvarač pojačanja od 5 V i Bluetooth modul. Ploča pojačala za slušalice staje na vrh. Poklopac se zadržava pomoću dva samorezna vijka M2x5 mm.

Identični punjači i pojačani moduli od 5 V široko su dostupni, ali postoji mnogo različitih Bluetooth modula. Ako se bilo što od ovoga razlikuje od moga, morat ćete izmijeniti dizajn kutije.

Kad jednom sjednu na mjesto, možete lagano zadržati module pomoću ljepila za topljenje.

Korak 9: Ožičite ga

Za potrebe testiranja sve sam module pričvrstio na komad kartona koristeći blu-tac. Iz ovoga sam otkrio da je usmjeravanje uzemljenih veza kritično. Uzemljenje s Bluetooth modula mora se odvesti do pojačala za slušalice zajedno s let i desnim kanalima, ali tada uzemljenje s razdjelne ploče mora ići na Bluetooth modul, a ne pojačalo za slušalice, inače ćete dobiti puno digitalne buke iz Bluetooth modula na izlazu.

Prekidač za uključivanje/isključivanje montirao sam na mali komad kartona, 6 traka širine i 5 dužine i s 2x4 izrezom za prekidač. Ovo služi i kao ploča za distribuciju energije. Kad je bio potpuno ožičen, zalijepio sam prekidač na mjesto (s pričvršćenom trakom) pomoću epoksidnog ljepila. Kad bih ponovno radila projekt, osigurala bih prekidač na ploči pojačala za slušalice.

Za ožičenje vam je potrebna prilično tanka nasukana žica pa sam podijelio duljinu dugačkog vrpčnog kabela, što mi je dalo pojedinačne žice različitih boja. Obično biste žice provukli kroz rupu na ploči i lemili ih s druge strane, ali s različitim modulima na dnu kutije morao sam lemiti na istu stranu ploče s koje je ušla žica, sa samo malo više izolirane izolacije nego što bi inače bilo potrebno. Morao sam montirati traku s bakrenom stranom prema gore i na sličan način lemiti veze s njom.

Htio sam da LED diode na punjaču i Bluetooth moduli budu vidljivi, pa sam uklonio ugrađene SMD LED diode i spojio jastučiće na 3 mm LED diode. Za njih sam izbušio rupe u kutiji jer ih nisam dopustio u svojoj 3D tiskanoj kutiji. Spojio sam ih s lemnim jastučićima na modulima lemljivom emajliranom žicom. Obložen je samofluksirajućim poliuretanom koji se topi pod toplinom lemilice.

Za modul punjača koristio sam crvenu/zelenu LED sa zajedničkom anodom. Zajednička anoda mora biti ožičena na bilo koji od SMD LED jastučića najbliži rubu ploče (što možete potvrditi multimetrom). Ako vaš Bluetooth modul ima SMD LED diodu, morat ćete odrediti polaritet pomoću multimetra. Neki moduli imaju priključke za vanjsku LED.

Prije nego što sam pojačalo za slušalice umetnuo u kutiju preko ostalih modula, ustanovio sam da je potrebno staviti male komadiće PVC trake na vrhove dva elektrolitička kondenzatora na Bluetooth modulu i na mini-USB utičnicu za punjenje kako bi se spriječili kratki spojevi s sa donje strane pojačala za slušalice.

Korak 10: Poboljšanja

Da sam ovo htio pretvoriti u proizvod, nesumnjivo bih promijenio stvari, ali nakon što sam si napravio gadget koji služi mojoj svrsi, prijeći ću na druge projekte.

Krug:

• Bipolarno napajanje bi moglo biti bolje. Budući da je struja koju napajaju opamps mala, kapacitivni pretvarač napona crpke, poput MAX660, lako bi mogao osigurati negativno napajanje.
• S bipolarnim napajanjem, pojačalo pretvarača od 5V ne bi bilo potrebno op -pojačalima. Pojačalo za slušalice LM4880 će raditi na sirovom izlaznom naponu iz LiPo baterije, iako će se maksimalna izlazna snaga smanjiti sa 250 mW po kanalu na oko 100 mW po kanalu.

Ploča:

• Veličina ploče je upravo ono što je proizašlo iz procesa postavljanja, ali zgnječenje na točnu veličinu, poput 6x6 cm, učinilo bi dizajn kutije malo lakšim.
• Isto tako, bilo bi ljepše postaviti ulazne i izlazne priključke od 3,5 mm u liniju i točno na sredinu dviju strana. To bi također olakšalo dizajn kutije.
• Bilo bi jednostavno ugraditi sklop punjača LiPo. Pretvarač pojačanja 3 - 5 V ne bi bio potreban s bipolarnim napajanjem, pa se spremaju 2 odvojena modula.
• S jednostavnim punjačem TP4056 koji se koristi, baterija se može previše napuniti ako je pokušate napuniti s uključenom jedinicom. Nešto sofisticiraniji punjači uključuju jednostavan zaštitni krug koji bi bilo vrijedno uključiti.
• S gornjim izmjenama, prekidač bi se tada mogao montirati na ploču. Način ugradnje prekidača u 3D tiskanu kutiju nije bio idealan.
• Dvopolni trosmjerni prekidač omogućio bi napajanje Bluetooth modula samo po potrebi.

Kutija:

• Montaža modula u 2 sloja učinila je montažu težom nego što je trebalo biti, a tanja, ali veća kutija mogla bi bolje stati u džep.
• Prekidač se lako uključuje nenamjerno. Bilo bi jednostavno uključiti stražare oko njega u dizajn 3D ispisa kako bi se to spriječilo.

Ostale aplikacije:

Ako, možda kao audiofil, samo želite izjednačeno pojačalo za slušalice koje daje i pojačanje i rezanje na različitim frekvencijama, možete koristiti u biti isti dizajn.

Da biste dali poticaj i rez, uklonite R113, R123, R133 i R213, R223, R233 (ili ih zamijenite 0Ω otpornicima) i zamijenite trimpote za 10k (klizni lonci ako želite).

Možete dodati onoliko primjera kruga giratora koliko vam je potrebno.