Amplifier Headphone Equalized untuk Gangguan Pendengaran: 10 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

kebutuhan saya

Beberapa bulan yang lalu saya dilengkapi dengan alat bantu dengar untuk mengkompensasi hilangnya kepekaan terhadap frekuensi tinggi, menyebabkan suara menjadi teredam dan kesulitan membedakan sybillant (misalnya "S" dan "F"). Namun alat bantu tersebut tidak memberikan manfaat apapun saat menggunakan headphone karena mikrofon berada di belakang telinga. Setelah bereksperimen dengan neckloop induksi dan input langsung ke alat bantu dengar saya (keduanya tidak memberikan hasil yang memuaskan), saya mendapatkan ide tentang amplifier headphone dengan respons frekuensi yang dapat disesuaikan yang dirancang agar sesuai dengan alat bantu dengar saya.

Jika Anda memiliki beberapa persyaratan lain untuk pemerataan maka proyek ini dapat dengan mudah diadaptasi. Ini memberikan dorongan (atau dipotong, dengan modifikasi sepele) pada 3 frekuensi pusat. Namun, itu bisa diperluas ke lebih banyak pita frekuensi.

Hasil

Apa yang saya dapatkan adalah kotak persegi 6cm kecil yang rapi dengan jack 3.5mm dan input Bluetooth dan output headphone jack 3.5mm. Saya menemukan peningkatan dalam pengalaman mendengarkan musik menjadi spektakuler, dan peningkatan besar untuk pidato.

Apa yang akan diberikan oleh Instruksi ini kepada Anda

Mari saya nyatakan di awal, ini bukan proyek pemula. Anda akan memerlukan tingkat keterampilan menyolder yang wajar, dan jika Anda ingin memodifikasinya (sebagaimana mungkin), Anda perlu mempelajari Eagle untuk tata letak papan dan TinkerCAD untuk kotak cetak 3D. Keduanya membutuhkan sedikit waktu untuk saya kuasai tetapi tidak ada yang sulit. Saya berharap orang belajar sesuatu dari Instructables saya (kecuali Anda sudah tahu lebih banyak daripada saya), bukan hanya mengikuti instruksi secara membabi buta.

Jika Anda belum pernah menyolder komponen pemasangan permukaan, jangan ditunda - ini tidak sesulit yang Anda kira. Lihat panduan ini untuk pengenalan.

Apa yang akan Anda dapatkan dari proyek ini adalah:

• File desain elang (tata letak skema dan papan)
• Spreadsheet Excel yang mewujudkan persamaan desain untuk memungkinkan Anda menyesuaikan pemerataan dengan kebutuhan Anda
• Desain TinkerCAD untuk kotak cetak 3D.

Karena pesanan minimum untuk papan sirkuit cetak khusus adalah 5 buah, saya memiliki 3 papan kosong yang tersisa (satu terjual). Ini sekarang dijual di eBay - lihat

Langkah 1: Proses Desain: Persyaratan dan Strategi

Ketika saya mulai memikirkan proyek ini, salah satu pertanyaan pertama di benak saya adalah apakah akan menggunakan filter analog atau digital. Dalam utas di forum Semua Tentang Sirkuit, Keith Walker memberi tahu saya tentang equalizer grafis (analog) yang sangat murah dari Timur Jauh (diilustrasikan di atas) yang telah ia gunakan untuk memecahkan masalah yang sama. Jadi saya memesan satu sebagai bukti konsep.

Itu bekerja dengan baik tetapi terlalu besar untuk penggunaan portabel, dan membutuhkan rel daya positif dan negatif, ketidaknyamanan tambahan. Tapi itu menegaskan pendekatan, dan jenis rangkaian filter yang digunakan.

Saya menyempurnakan persyaratan saya sebagai berikut:

• Itu harus kompak, portabel dan didukung oleh baterai yang dapat diisi ulang.
• Itu harus menerima input dari jack 3.5mm atau Bluetooth.
• Itu harus memiliki saluran stereo kiri dan kanan yang terpisah.

Saya telah menggunakan komponen lubang tembus konvensional dan IC DIL 0,3 pada stripboard di banyak proyek sebelumnya, tetapi ini akan membuatnya terlalu besar. Jadi saya memutuskan untuk mendesain PCB khusus (pengalaman baru bagi saya) menggunakan permukaan mount komponen (yang saya memiliki beberapa pengalaman sederhana). Saya juga harus merancang kotak cetak 3D (pengalaman desain 3D saya sangat terbatas).

Kemampuan Bluetooth akan mudah ditambahkan menggunakan salah satu dari berbagai modul Bluetooth murah yang tersedia.

Ada 2 atau 3 IC equalizer grafis khusus yang saya lihat, tetapi menggunakan quad opamps murah tampaknya pada akhirnya lebih sederhana dan hanya membutuhkan banyak komponen eksternal.

Langkah 2: Desain Rinci

Elemen rangkaian dasar yang saya gunakan dikenal sebagai gyrator. Ini menggunakan penguat operasional untuk mengubah kapasitor menjadi induktor virtual. Ini, dan satu kapasitor lagi membuat sirkuit yang disetel, memberikan potongan atau peningkatan pada rentang frekuensi tertentu. Sangat banyak desain equalizer grafis menggunakan desain yang hampir identik dan tidak ada gunanya menyimpang darinya. Mereka dicontohkan oleh yang ini dari Electronics Today International September 1977 halaman 27. Artikel ini menjelaskan dengan sangat jelas cara kerja rangkaian.

Saya hanya memodifikasinya dengan menggunakan quad opamps yang akan berjalan dari satu catu daya 5V, dan dengan menambahkan IC penguat headphone untuk memastikan bahwa itu akan menggerakkan headphone secara memadai. Saya juga mengganti setiap potensiometer dengan potensiometer dan resistor sehingga hanya memberikan dorongan dan kontrol yang lebih baik, karena saya tidak perlu dipotong.

Skema dan tata letak papan (keduanya dihasilkan menggunakan Eagle) ditunjukkan di atas.

Fitur hebat dari Eagle adalah bahwa ia menyertakan paket simulasi rangkaian Spice, memungkinkan untuk memvalidasi desain dan memprediksi respons frekuensi sebelum melakukan pembuatan PCB.

Papan menyediakan 2 input, soket jack 3.5mm dan bantalan solder untuk koneksi modul penerima Bluetooth. Ini secara efektif secara paralel. Daya dapat disuplai melalui soket mini-USB atau bantalan solder. Saya menggunakan mini daripada micro-USB karena soket micro-USB akan cukup sulit untuk disolder dengan tangan, dan juga kurang kuat.

Langkah 3: Instalasi dan Pengaturan Elang

Jika Anda ingin mengirim desain papan untuk pembuatan, memodifikasi tata letak, atau sekadar memodifikasi kurva respons, Anda perlu menginstal Eagle. Jika (seperti saya ketika saya memulai proyek ini) Anda tidak terbiasa dengannya, situs web SparkFun memiliki serangkaian tutorial bermanfaat di

Yang pertama untuk dilihat adalah Cara menginstal dan mengatur Eagle.

Ini termasuk menginstal perpustakaan SparkFun. File zip yang diunduh berisi folder SparkFun-Eagle-Libraries-master yang harus Anda salin ke EAGLE\libraries

Anda juga perlu mengimpor file skema dan tata letak papan Eagle saya, dan model Spice saya. (Spice adalah perangkat lunak simulasi rangkaian yang memungkinkan kita untuk mensimulasikan respons frekuensi penguat.)

Ini semua termasuk dalam file zip yang dapat Anda unduh dari

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Buka file zip dan seret dan lepas folder proyek dan bumbu ke dalam folder EAGLE Anda. (Ini sudah akan berisi folder proyek kosong.)

Anda sekarang harus siap untuk meluncurkan Eagle.

Di panel sebelah kiri, buka Projects, lalu project, lalu Equalized Headphone Amp.

Klik dua kali file Headphone_Amp.brd dan Headphone_Amp.sch. Ini akan terbuka di jendela terpisah, yang pertama menunjukkan tata letak papan dan yang kedua skema.

Pada skema, temukan dan klik tombol Simulasikan.

Ini membuka pengaturan Simulasi. Klik tombol radio AC Sweep, atur Type ke Dec (default), dan Start dan End Freq masing-masing ke 100 dan 10000. Klik tombol Simulasikan di kanan bawah. Setelah jeda, grafik respons frekuensi akan muncul, seperti yang ditunjukkan pada langkah berikutnya.

Langkah 4: Mengubah Kurva Respon

Telinga Anda kemungkinan besar akan berbeda dengan telinga saya, jadi pertama-tama Anda memerlukan salinan audiogram Anda. Audiolog Anda seharusnya dapat menyediakan ini untuk Anda, tetapi jika Anda memiliki headphone yang bagus, Anda dapat membuatnya sendiri dengan membuka

Ini akan memberi Anda ide bagus tentang berapa banyak dorongan yang Anda butuhkan pada frekuensi yang berbeda. Dalam kasus saya, gangguan pendengaran saya meningkat pesat di atas 3kHz, sehingga tidak memungkinkan untuk mengkompensasi lebih dari itu. Bagaimanapun, beberapa eksperimen yang menganalisis spektrum berbagai sumber dengan Audacity menunjukkan bahwa mungkin tidak banyak hal di atas yang saya lewatkan.

Seperti berdiri, proyek ini memungkinkan Anda untuk menyesuaikan respons frekuensi pada 3 frekuensi tengah 1,5, 2,3 dan 3,3kHz, secara independen antara saluran kiri dan kanan. Anda dapat tetap menggunakan frekuensi ini, atau mengubahnya (lihat langkah berikutnya).

Dalam folder EAGLE\spice Anda, Anda akan menemukan model untuk 3 trimpot POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl dan POT_VR131.mdl. Ini mengontrol respon pada 3 frekuensi. Membuka semua ini dengan editor teks (misalnya Notepad) akan melihat baris seperti:

.param VAR=50

Ubah angka menjadi apa pun antara 0 dan 100 untuk mewakili posisi trimpot yang sesuai dan karenanya meningkatkan frekuensi itu menjadi apa pun dari nol hingga maksimum.

Sekarang jalankan kembali simulasi (klik Update Netlist sebelum mengklik Simulate) untuk melihat seperti apa respons frekuensi sekarang.

Langkah 5: Mengubah Frekuensi Pusat

Dalam folder Eagle Project, saya telah menyertakan spreadsheet Excel Calc.xlsx. Buka ini dengan Excel (atau jika Anda tidak memiliki Excel, LibreOffice Calc, yang gratis). Spreadsheet ini mewujudkan perhitungan desain hanya untuk salah satu dari 3 bagian filter.

Kotak pertama memungkinkan Anda untuk menghitung frekuensi tengah dan faktor Q untuk nilai R1, R2, C1 dan C2 yang diberikan. (Faktor Q atau Kualitas menentukan lebar pita. Nilai yang lebih tinggi memberikan pita yang lebih sempit dan lebih banyak dorongan. Nilai sekitar 4 tampaknya berfungsi dengan baik jika setiap frekuensi kira-kira 50% lebih besar dari sebelumnya.)

Bahkan Anda lebih cenderung ingin memilih frekuensi dan menghitung nilai komponen. Mengingat frekuensi yang diinginkan dan tiga dari empat nilai komponen, kotak kedua memungkinkan Anda menghitung nilai komponen ke-4.

Komponen datang dalam nilai pilihan (misalnya seri E12), sehingga Anda dapat memilih nilai pilihan terdekat dengan nilai yang dihitung dan memasukkannya kembali ke kotak pertama untuk melihat frekuensi aktual apa yang diberikan.

Anda kemudian perlu memasukkan nilai Anda ke dalam skema Eagle dan ulangi simulasi.

Munculkan skema, dan di panel sebelah kiri, klik ikon nilai komponen lalu klik komponen yang ingin Anda ubah. (Simulasi diatur untuk beroperasi hanya di saluran bawah atau kiri.) Anda akan mendapatkan peringatan yang mengatakan bahwa komponen tidak memiliki nilai yang dapat ditentukan pengguna. Apakah Anda ingin mengubahnya? Tentu saja! Masukkan nilai baru di kotak yang muncul.

Klik tombol Simulasikan, klik Perbarui Netlist lalu Simulasikan.

Langkah 6: Diperlukan Komponen

Anda tentu saja membutuhkan papan sirkuit. Kecuali Anda menggunakan salah satu papan kosong cadangan saya, Anda perlu mengirim file Eagle untuk pembuatan. Sebagian besar produsen memerlukan desain sebagai satu set file gerber. Daripada menduplikasi instruksi di sini, cari online untuk gerber ekspor Eagle atau lihat tutorial Sparkfun.

File gerber terpisah menggambarkan lapisan tembaga, topeng solder, sablon sutra, pengeboran dan penggilingan garis besar papan.

Dalam mengirimkan file secara online ke produsen, itu akan memvalidasinya dan memberi tahu Anda jika ada file penting yang hilang. Tapi itu tidak akan mengingatkan Anda jika file layar sutra hilang, yang merupakan kesalahan saya. Ini terpisah dari garis besar perangkat.

Anda akan memerlukan komponen berikut untuk mengisi papan.

• TL084 SOIC-14 quad op amp - 2 mati
• Penguat daya LM4880M SOIC 250mW - 1 mati
• 0603 berbagai resistor SMD
• 0603 SMD bermacam-macam kapasitor keramik 100pF - 1μF
• Pot Pemangkasan 5K 3362P-502 - Diskon 6
• 10uF 16V SMD 0805 Multilayer Keramik kapasitor multilayer - 4 mati
• 2917 (EIA7343) 100μF 16V kapasitor tantalum - 2 mati
• 2917 (EIA7343) 470μF 10V kapasitor tantalum - 2 mati
• Soket SMD Mini USB Wanita 5-Pin
• 3.5mm melalui lubang PCB mount audio stereo jack - 2 off
• LED biru 3mm (atau warna pilihan Anda)

Untuk unit bertenaga baterai lengkap dengan input Bluetooth, Anda juga memerlukan:

• Modul penerima Bluetooth mendukung A2DPseperti ini
• Baterai LiPo: 503035 3.7V 500mAhr
• Pengisi daya LiPo TP4056 dengan input mini-USB (atau microUSB jika Anda mau) seperti ini
• Konverter boost 3V - 5V seperti ini
• Saklar geser mini SPDT

NB Pengisi daya LiPo kemungkinan akan disetel untuk arus pengisian 1A, yang terlalu banyak untuk baterai 500mAhr. Sangat penting bahwa Anda menghapus resistor pemrograman tingkat pengisian (biasanya 1.2K terhubung ke pin 2 dari chip TP4056) dan menggantinya dengan salah satu dari 3.3k.

Saya menggunakan baterai LiPo ujung kabel, tetapi baterai dengan konektor JST mini akan memungkinkannya untuk dihubungkan hanya setelah memasang kabel dan memeriksa ulang segala sesuatu yang lain, serta membuatnya lebih mudah untuk diganti.

Modul Bluetooth yang akan berjalan pada 3.3V atau 5V lebih disukai karena dapat mengambil suplai langsung dari baterai, mengurangi gangguan digital pada suplai 5V ke papan sirkuit utama.

Jika Anda memilih modul Bluetooth yang mendukung AVRCP serta A2DP, Anda dapat menambahkan tombol tekan untuk volume naik/turun dan trek berikutnya/sebelumnya.

Banyak modul Bluetooth memiliki LED pemasangan permukaan untuk menunjukkan status koneksi, dan pengisi daya TP4056 memiliki LED pemasangan permukaan merah dan hijau untuk menunjukkan status pengisian daya. Kotak seperti yang saya buat mungkin akan menyembunyikan ini, sehingga dapat diganti (lihat nanti) dengan:

• LED biru 3mm
• LED anoda umum merah / hijau 3mm.

Langkah 7: Menggunakan Papan Telanjang Prototipe

Jika Anda telah memperoleh salah satu papan prototipe cadangan saya, hanya ada beberapa kesalahan kecil yang perlu Anda waspadai.

• Tidak ada layar sutra di bagian atas papan. Anda akan merasa terbantu jika memiliki salinan cetak tata letak papan saat Anda mengisinya.
• Beberapa vias dimaksudkan untuk menghubungkan pesawat tanah atas dan bawah yang tidak. Ini tidak ada konsekuensinya.
• C3 awalnya 100uF, dalam paket 2917. Nilai ini terlalu besar dan sekarang menjadi 1uF 0603. Anda perlu mengikis sedikit penahan solder dari bidang dasar agar sesuai dengan ini, seperti yang ditunjukkan pada foto.

Penguatan diatur oleh nilai resistor R106 dan R206. 22k memberikan keuntungan persatuan secara kasar. Karena Anda mungkin ingin bereksperimen dengan nilai yang berbeda, saya menyediakan bantalan resistor 0603 SMD, dan lubang pada pitch 0,3 untuk resistor ujung kawat.

Langkah 8: Tinju Itu

Anda dapat menemukan desain cetak 3D untuk kotak yang saya gunakan di tinkercad.com. Jarak bebasnya agak terlalu ketat jadi saya menambah panjang dan lebar kotak sebesar 1mm.

Bagian bawah kotak menyediakan kompartemen untuk baterai, pengisi daya, konverter boost 5V, dan modul Bluetooth. Papan amp headphone pas di atas. Tutupnya ditahan oleh dua sekrup self-tapping M2x5mm.

Pengisi daya identik dan modul penguat 5V tersedia secara luas tetapi ada banyak modul Bluetooth yang berbeda. Jika salah satu dari ini berbeda dari milik saya, Anda harus memodifikasi desain kotak.

Setelah terpasang, Anda dapat dengan ringan mempertahankan modul dengan lem panas meleleh.

Langkah 9: Menghubungkannya

Untuk tujuan pengujian, saya menempelkan semua modul ke selembar karton menggunakan blu-tac. Dari sini saya menemukan bahwa perutean koneksi ground sangat penting. Tanah dari modul Bluetooth harus dibawa ke headphone amp bersama dengan saluran kiri dan kanan, tetapi kemudian koneksi tanah dari papan distribusi harus pergi ke modul Bluetooth, bukan ampli headphone, jika tidak, Anda mendapatkan banyak gangguan digital dari modul Bluetooth di output.

Saya memasang sakelar on/off pada sepotong kecil stripboard, lebar 6 strip dengan panjang 5 dan dengan potongan 2x4 untuk sakelar. Ini juga berfungsi sebagai papan distribusi daya. Ketika sudah terpasang sepenuhnya, saya menempelkan sakelar ke tempatnya (dengan papan strip terpasang) menggunakan lem epoksi. Jika saya melakukan kembali proyek, saya akan membuat ketentuan untuk sakelar di papan amp headphone.

Anda membutuhkan kawat beruntai yang cukup tipis untuk memasangnya, jadi saya membagi panjang kabel pita pelangi, yang memberi saya kabel individual dengan warna berbeda. Biasanya Anda akan melewati kabel melalui lubang di papan dan menyoldernya di sisi lain, tetapi dengan berbagai modul di tempat di dasar kotak, saya harus menyolder ke sisi papan yang sama saat kabel masuk, dengan hanya sedikit lebih banyak isolasi yang dilucuti daripada yang diperlukan. Saya harus memasang sisi tembaga stripboard dan menyolder sambungannya dengan cara yang sama.

Saya ingin LED pada pengisi daya dan modul Bluetooth terlihat, jadi saya melepas LED SMD terpasang dan menyambungkan bantalan ke LED 3mm. Saya mengebor lubang di kotak untuk ini karena saya tidak mengizinkannya di kotak cetak 3D saya. Saya menghubungkannya ke bantalan solder pada modul dengan kawat berenamel yang dapat disolder. Ini dilapisi dengan poliuretan yang dapat meleleh sendiri yang meleleh di bawah panas besi solder.

Untuk modul charger, saya menggunakan LED common anode merah/hijau. Anoda umum harus disambungkan ke salah satu bantalan LED SMD yang paling dekat dengan tepi papan (yang dapat Anda konfirmasikan dengan multimeter). Jika modul Bluetooth Anda memiliki LED SMD, Anda harus menentukan polaritasnya dengan multimeter. Beberapa modul memiliki koneksi untuk LED eksternal.

Sebelum memasukkan ampli headphone ke dalam kotak di atas modul lain, saya merasa perlu untuk menempatkan potongan-potongan kecil pita PVC di atas dua kapasitor elektrolitik pada modul Bluetooth dan pada soket pengisi daya mini-USB untuk mencegah korsleting dengan bagian bawah ampli headphone.

Langkah 10: Peningkatan

Jika saya ingin mengubah ini menjadi produk, pasti ada hal-hal yang akan saya ubah, tetapi setelah menjadikan diri saya gadget yang sesuai dengan tujuan saya, saya akan beralih ke proyek lain.

Sirkuit:

• Catu daya bipolar mungkin lebih baik. Karena arus yang ditarik oleh opamp kecil, inverter tegangan pompa kapasitif seperti MAX660 akan dengan mudah menyediakan suplai negatif.
• Dengan suplai bipolar, konverter boost 5V tidak akan dibutuhkan oleh op amp. Amplifier headphone LM4880 akan bekerja pada tegangan keluaran mentah dari baterai LiPo meskipun daya keluaran maksimum akan dikurangi dari 250mW per saluran menjadi sekitar 100mW per saluran.

Papan:

• Ukuran papan hanya apa yang keluar dari proses tata letak, tetapi meremasnya ke ukuran yang tepat seperti 6x6cm akan membuat desain kotak sedikit lebih mudah.
• Demikian juga, akan lebih rapi untuk menempatkan jack input dan output 3.5mm sejajar dan tepat di tengah kedua sisi. Ini juga akan memudahkan desain kotak.
• Akan mudah untuk memasang sirkuit pengisi daya LiPo. Konverter boost 3 - 5V tidak akan diperlukan dengan suplai bipolar, jadi hemat 2 modul terpisah.
• Dengan pengisi daya TP4056 sederhana seperti yang digunakan, baterai dapat diisi secara berlebihan jika Anda mencoba mengisinya dengan unit dihidupkan. Pengisi daya yang sedikit lebih canggih termasuk sirkuit perlindungan sederhana, yang layak untuk disertakan.
• Dengan modifikasi di atas, sakelar kemudian dapat dipasang di papan. Metode pemasangan sakelar di kotak cetak 3D tidak ideal.
• Sakelar 2 kutub 3 arah akan memungkinkan modul Bluetooth diaktifkan hanya bila diperlukan.

Kotak:

• Memasang modul dalam 2 lapisan membuat perakitan lebih sulit dari yang seharusnya, dan kotak yang lebih tipis namun lebih besar mungkin lebih cocok untuk saku.
• Sakelar mudah dihidupkan secara tidak sengaja. Akan mudah untuk menyertakan pelindung di sekelilingnya dalam desain cetak 3D untuk mencegah hal ini.

Aplikasi lain:

Jika, mungkin sebagai audiophile, Anda hanya menginginkan ampli headphone yang disamakan yang memberikan dorongan dan pemotongan pada berbagai frekuensi, Anda dapat menggunakan desain yang pada dasarnya sama.

Untuk memberikan dorongan dan pemotongan, hilangkan R113, R123, R133 dan R213, R223, R233 (atau ganti dengan resistor 0Ω) dan ganti trimpot dengan 10k (pot penggeser jika Anda mau).

Anda dapat menambahkan sebanyak mungkin rangkaian gyrator yang Anda butuhkan.