Amplifier Gitar 18W Terkendali Secara Digital: 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

Beberapa tahun yang lalu, saya membuat amplifier gitar 5W, yang merupakan solusi untuk sistem audio saya saat itu, dan baru-baru ini saya memutuskan untuk membuat yang baru yang jauh lebih bertenaga dan tanpa menggunakan komponen analog untuk antarmuka pengguna, seperti potensiometer putar dan sakelar sakelar.

Digitally Controlled 18W Guitar Amplifier adalah amplifier gitar mono 18W yang berdiri sendiri dan dikontrol secara digital dengan sistem efek delay attachment dan tampilan kristal cair yang elegan, memberikan informasi yang tepat tentang apa yang terjadi di sirkuit.

Fitur proyek:

• Kontrol sepenuhnya digital: Input antarmuka pengguna adalah rotary encoder dengan sakelar bawaan.
• ATMEGA328P: Adalah pengontrol mikro (digunakan sebagai sistem mirip Arduino): Semua parameter yang dapat disesuaikan dikontrol secara terprogram oleh pengguna.
• LCD: bertindak sebagai output antarmuka pengguna, sehingga parameter perangkat seperti penguatan/volume/kedalaman tunda/waktu tunda dapat diamati dalam perkiraan yang bagus.
• Potensiometer Digital: Digunakan dalam sub-sirkuit sehingga membuat kontrol perangkat sepenuhnya digital.
• Sistem bertingkat: Setiap sirkuit dalam sistem yang telah ditentukan sebelumnya adalah sistem terpisah yang hanya berbagi saluran catu daya, yang mampu mengatasi masalah yang relatif mudah jika terjadi kegagalan.
• Pra-penguat: Berdasarkan sirkuit terpadu LM386, dengan desain skema yang sangat sederhana dan persyaratan suku cadang minimum.
• Sirkuit efek penundaan: Berbasis pada sirkuit terpadu PT2399, dapat dibeli dari eBay sebagai IC terpisah (saya merancang sendiri seluruh rangkaian penundaan) atau dapat digunakan sebagai modul lengkap dengan kemampuan untuk mengganti potensiometer putar dengan digipot.
• Penguat daya: Berbasis pada modul TDA2030, yang sudah berisi semua rangkaian periferal untuk pengoperasiannya.
• Catu daya: Perangkat ditenagai oleh catu daya 19V DC laptop eksternal lama, sehingga perangkat berisi modul DC-DC step-down sebagai pra-pengatur untuk LM7805 sehingga menghilangkan panas jauh lebih sedikit selama penggunaan daya perangkat.

Setelah kita membahas semua informasi singkat, mari kita membangunnya!

Langkah 1: Idenya

Seperti yang Anda lihat di diagram blok, perangkat beroperasi sebagai pendekatan klasik untuk desain amplifier gitar dengan sedikit variasi pada rangkaian kontrol dan antarmuka pengguna. Ada total tiga kelompok sirkuit yang akan kami kembangkan: Analog, digital dan catu daya, di mana setiap kelompok terdiri dari sub-sirkuit yang terpisah (topik akan dijelaskan dengan baik di langkah selanjutnya). Untuk membuatnya lebih mudah untuk memahami struktur proyek, mari kita jelaskan kelompok-kelompok itu:

1. Bagian Analog: Sirkuit analog terletak di bagian atas diagram blok seperti yang dapat dilihat di atas. Bagian ini bertanggung jawab atas semua sinyal yang melewati perangkat.

Jack 1/4 adalah input mono gitar perangkat dan terletak di batas antara kotak dan sirkuit elektronik yang disolder.

Tahap selanjutnya adalah pra-penguat, berdasarkan sirkuit terpadu LM386, yang sangat mudah digunakan dalam aplikasi audio semacam itu. LM386 disuplai 5V DC dari catu daya utama, di mana parameter, penguatan dan volumenya, dikendalikan melalui potensiometer digital.

Tahap ketiga adalah penguat daya, berdasarkan sirkuit terpadu TDA2030, ditenagai oleh catu daya eksternal 18~20V DC. Pada proyek ini, gain yang dipilih pada power amplifier tetap konstan untuk semua waktu operasi. Karena perangkat bukan PCB yang dibungkus tunggal, disarankan untuk menggunakan modul rakitan TDA2030A, dan pasangkan ke batang prototipe dengan hanya menghubungkan pin I/O & catu daya.

2. Bagian Digital: Sirkuit digital terletak di bagian bawah diagram blok. Mereka bertanggung jawab atas antarmuka pengguna dan kontrol parameter analog seperti waktu tunda/kedalaman, volume, dan penguatan.

Encoder dengan sakelar SPST built-in didefinisikan sebagai input kontrol pengguna. Karena dirakit sebagai satu bagian, satu-satunya kebutuhan untuk operasi yang tepat adalah memasang resistor pull-up secara terprogram atau fisik (Kita akan melihatnya di langkah skema).

Mikroprosesor sebagai "otak utama" dalam rangkaian ini adalah ATMEGA328P, yang digunakan dalam gaya seperti Arduino di perangkat ini. Ini adalah perangkat yang memiliki semua kekuatan digital atas sirkuit, dan memerintahkan segala sesuatu yang harus dilakukan. Pemrograman dilakukan melalui antarmuka SPI, sehingga kita dapat menggunakan programmer ISP USB yang sesuai atau debugger AVR yang dibeli. Jika Anda ingin menggunakan Arduino sebagai mikrokontroler di sirkuit, ini dimungkinkan melalui kompilasi kode C terlampir yang ada pada langkah pemrograman.

Potensiometer digital adalah beberapa sirkuit terintegrasi ganda yang dikendalikan melalui antarmuka SPI oleh mikrokontroler, dengan jumlah total 4 potensiometer untuk kontrol penuh atas semua parameter:

LCD adalah output antarmuka pengguna, yang memungkinkan kita mengetahui apa yang terjadi di dalam kotak. Dalam proyek ini saya menggunakan LCD 16x2 yang mungkin paling populer di kalangan pengguna Arduino.

3. Power Supply: Power supply bertugas memberikan energi (tegangan dan arus) ke seluruh sistem. Karena rangkaian penguat daya ditenagai langsung dari adaptor laptop eksternal dan semua rangkaian yang tersisa ditenagai dari 5V DC, ada kebutuhan untuk pengatur step-down atau linier DC-DC. Dalam kasus menempatkan regulator linier 5V yang menghubungkannya ke 20V eksternal, ketika arus melewati regulator linier ke beban, sejumlah besar panas hilang pada regulator 5V, kami tidak menginginkannya. Jadi, antara saluran 20V dan regulator linier 5V (LM7805), ada konverter step-down 8V DC-DC, yang bertindak sebagai pra-regulator. Lampiran tersebut mencegah disipasi besar pada regulator linier, ketika arus beban mencapai nilai tinggi.

Langkah 2: Suku Cadang dan Instrumen

Bagian elektronik:

1. Modul:

• PT2399 - Modul IC Echo\delay.
• LM2596 - Modul DC-DC step-down
• TDA2030A - Modul penguat daya 18W
• 1602A - Karakter umum LCD 16x2.
• Encoder putar dengan sakelar SPST tertanam.

2. Sirkuit Terpadu:

• LM386 - Penguat audio mono.
• LM7805 - Regulator linier 5V.
• MCP4261/MCP42100 - potensiometer digital ganda 100KOhm
• ATMEGA328P - Mikrokontroler

3. Komponen Pasif:

A. Kapasitor:

• 5 x 10uF
• 2 x 470uF
• 1 x 100uF
• 3 x 0.1uF

B. Resistor:

• 1 x 10R
• 4 x 10K

C. Potensiometer:

1 x 10K

(Opsional) Jika Anda tidak menggunakan modul PT2399, dan tertarik untuk membuat sirkuit sendiri, bagian berikut diperlukan:

• PT2399
• 1 x 100K Resistor
• 2 x 4.7uF Kapasitor
• 2 x 3.9nF Kapasitor
• 2 x 15K Resistor
• 5 x 10K Resistor
• 1 x 3.7K Resistor
• 1 x 10uF Kapasitor
• 1 x 10nF Kapasitor
• 1 x 5.6K Resistor
• 2 x 560pF Kapasitor
• 2 x 82nF Kapasitor
• 2 x 100nF Kapasitor
• 1 x 47uF Kapasitor

4. Konektor:

• 1 x 1/4 "konektor jack Mono
• 7 x Blok terminal ganda
• 1 x Konektor baris 6-pin wanita
• Konektor JST 3 x 4-pin
• 1 x Soket konektor daya pria

Bagian mekanik:

• Speaker dengan penerimaan daya sama atau lebih besar dari 18W
• Kandang kayu
• Bingkai kayu untuk antarmuka pengguna cut-away (Untuk LCD dan rotary encoder).
• Karet busa untuk area speaker dan UI
• 12 sekrup bor untuk bagian-bagiannya
• 4 x baut pengikat dan mur untuk bingkai LCD
• 4 x kaki karet untuk osilasi perangkat yang stabil (Kebisingan mekanis resonansi adalah hal yang umum dalam desain amplifier).
• Knob untuk rotary encoder

Instrumen:

• Obeng listrik
• Pistol lem panas (Jika perlu)
• (Opsional) Catu daya lab
• (Opsional) Osiloskop
• (Opsional) Generator fungsi
• Besi solder\stasiun
• Pemotong kecil
• Tang kecil
• Timah solder
• Pinset
• Kawat pembungkus
• Mata bor
• Gergaji berukuran kecil untuk memotong kayu
• Pisau
• File penggilingan

Langkah 3: Penjelasan Skema

Karena kita terbiasa dengan diagram blok proyek, kita dapat melanjutkan ke skema, dengan mempertimbangkan semua hal yang perlu kita ketahui tentang operasi sirkuit:

Sirkuit Pra-Amplifier: LM386 terhubung dengan pertimbangan bagian minimum, tanpa perlu menggunakan komponen pasif eksternal. Jika Anda ingin mengubah respons frekuensi ke input sinyal audio, seperti penguat bass atau kontrol nada, Anda dapat merujuk ke lembar data LM386, yang tidak akan memengaruhi diagram skema perangkat ini kecuali untuk pra-penguat sedikit perubahan koneksi. Karena kita menggunakan suplai DC 5V tunggal untuk IC, kapasitor decoupling (C5) harus ditambahkan ke output IC untuk menghilangkan sinyal DC. Seperti yang dapat dilihat, pin sinyal konektor (J1) 1/4 terhubung ke pin digipot 'A', dan input non-inverting LM386 terhubung ke pin digitpot 'B', jadi sebagai hasilnya, kita memiliki pembagi tegangan, dikendalikan oleh mikrokontroler melalui antarmuka SPI.

Delay\Echo Effect Circuit: Sirkuit ini didasarkan pada IC efek delay PT2399. Sirkuit ini tampaknya rumit menurut lembar datanya, dan sangat mudah untuk bingung dengan menyoldernya sama sekali. Disarankan untuk membeli modul PT2399 lengkap yang sudah dirakit, dan satu-satunya yang harus dilakukan adalah melepaskan potensiometer putar dari modul dan memasang jalur digipot (Wiper, 'A' dan 'B'). Saya telah menggunakan referensi lembar data untuk desain efek gema, dengan digipot yang dilampirkan pada pemilihan periode waktu osilasi dan volume sinyal umpan balik (Apa yang harus kita sebut - "kedalaman"). Input rangkaian tunda, disebut sebagai jalur DELAY_IN terhubung ke output dari rangkaian pra-penguat. Itu tidak disebutkan dalam skema karena saya ingin membuat semua sirkuit hanya berbagi saluran listrik, dan saluran sinyal terhubung dengan kabel eksternal. "Bagaimana tidak nyaman!", Anda mungkin berpikir, tetapi masalahnya, ketika membangun sirkuit pemrosesan analog, jauh lebih mudah untuk memecahkan masalah bagian demi bagian setiap sirkuit dalam proyek. Disarankan untuk menambahkan kapasitor bypass ke pin catu daya 5V DC, karena areanya yang bising.

Catu Daya: Perangkat diberi daya melalui colokan daya eksternal dengan adaptor AC/DC 20V 2A. Saya menemukan bahwa solusi terbaik untuk mengurangi sejumlah besar disipasi daya pada regulator linier dalam bentuk panas, adalah dengan menambahkan konverter step-down DC-DC 8V (U10). LM2596 adalah konverter uang yang digunakan di banyak aplikasi dan populer di kalangan pengguna Arduino, yang harganya kurang dari $1 di eBay. Kita tahu, bahwa regulator linier memiliki penurunan tegangan pada throughputnya (dalam kasus perkiraan teoretis 7805 adalah sekitar 2.5V), jadi ada celah aman 3V antara input dan output LM7805. Tidak disarankan untuk mengabaikan regulator linier dan menghubungkan lm2596 langsung ke saluran 5V, karena kebisingan switching, yang riak tegangannya dapat memengaruhi stabilitas daya sirkuit.

Power Amplifier: Sesederhana kelihatannya. Karena saya telah menggunakan modul TDA2030A dalam proyek ini, satu-satunya persyaratan adalah menghubungkan pin daya dan jalur I/O dari penguat daya. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, input power amp terhubung ke output rangkaian delay melalui kabel eksternal menggunakan konektor. Speaker yang digunakan di perangkat terhubung ke output power amplifier melalui blok terminal khusus.

Potensiometer Digital: Mungkin komponen terpenting di seluruh perangkat, membuatnya mampu dikendalikan secara digital. Seperti yang Anda lihat, ada dua jenis digipot: MCP42100 dan MCP4261. Mereka berbagi pinout yang sama tetapi berbeda dalam komunikasi. Saya hanya memiliki dua digipot terakhir dalam persediaan saya ketika saya membangun proyek ini, jadi saya hanya menggunakan apa yang saya miliki, tetapi saya menyarankan untuk menggunakan dua digipot dengan tipe yang sama baik MCP42100 atau MCP4261. Setiap digipot dikendalikan oleh antarmuka SPI, jam berbagi (SCK), dan pin input data (SDI). Pengontrol SPI ATMEGA328P mampu menangani banyak perangkat dengan menggerakkan pin pilihan chip (CS atau CE) yang terpisah. Ini dirancang seperti itu dalam proyek ini, di mana pin pengaktif chip SPI terhubung ke pin mikrokontroler yang terpisah. PT2399 dan LM386 terhubung ke suplai 5V, jadi kita tidak perlu khawatir tentang ayunan tegangan pada jaringan resistor digipot di dalam IC (Hal ini sebagian besar tercakup dalam lembar data, di bagian kisaran level tegangan pada resistor switching bagian dalam).

Mikrokontroler: Seperti yang telah disebutkan, berbasis ATMEGA328P bergaya Arduino, dengan kebutuhan komponen pasif tunggal - resistor pull-up (R17) pada pin reset. Konektor 6-pin (J2) digunakan untuk pemrograman perangkat melalui programmer USB ISP melalui antarmuka SPI (Ya, antarmuka yang sama dengan digipot yang terhubung). Semua pin terhubung ke komponen yang sesuai, yang disajikan dalam diagram skematik. Sangat disarankan untuk menambahkan kapasitor bypass di dekat pin catu daya 5V. Kapasitor yang Anda lihat di dekat pin encoder (C27, C28) digunakan untuk mencegah keadaan encoder memantul pada pin ini.

LCD: Layar kristal cair terhubung dengan cara klasik dengan transmisi data 4-bit dan tambahan dua pin untuk mengunci data - Register select (RS) dan Enable (E). LCD memiliki kecerahan konstan dan kontras variabel, yang dapat disesuaikan dengan pemangkas tunggal (R18).

Antarmuka Pengguna: Rotary encoder perangkat memiliki tombol tekan SPST built-in, di mana semua koneksinya diikat ke pin mikrokontroler yang dijelaskan. Direkomendasikan untuk memasang resistor pull-up ke setiap pin encoder: A, B dan SW, daripada menggunakan pull-up internal. Pastikan pin encoder A dan B terhubung ke pin interupsi eksternal mikrokontroler: INT0 dan INT1 untuk menyesuaikan kode perangkat dan keandalan saat menggunakan komponen encoder.

Konektor JST dan Blok Terminal: Setiap sirkuit analog: pra-penguat, penundaan dan penguat daya diisolasi pada papan yang disolder dan dihubungkan dengan kabel di antara Blok Terminal. Encoder dan LCD terpasang ke kabel JST dan terhubung ke papan yang disolder melalui Konektor JST seperti dijelaskan di atas. Input jack catu daya eksternal dan input gitar jack mono 1/4 terhubung melalui blok terminal.

Langkah 4: Menyolder

Setelah persiapan singkat, ada kebutuhan untuk membayangkan penempatan yang tepat dari semua komponen di papan tulis. Lebih disukai untuk memulai proses penyolderan dari pra-penguat, dan menyelesaikan dengan semua sirkuit digital.

Berikut penjelasan langkah demi langkah:

1. Sirkuit pra-penguat solder. Periksa koneksinya. Pastikan bahwa garis tanah dibagi pada semua garis yang sesuai.

2. Solder modul/IC PT2399 dengan semua sirkuit periferal, sesuai dengan diagram skematik. Karena saya telah menyolder seluruh rangkaian delay, Anda dapat melihat bahwa ada banyak jalur bersama yang dapat disolder dengan mudah sesuai dengan fungsi masing-masing pin PT2399. Jika Anda memiliki modul PT2399, maka cukup desolder potensiometer putar dan solder jalur jaring potensiometer digital ke pin yang dibebaskan ini.

3. Solder modul TDA2030A, pastikan konektor output speaker menghadap ke tengah di luar papan.

4. Sirkuit catu daya solder. Tempatkan kapasitor bypass sesuai dengan diagram skema.

5. Solder rangkaian Mikrokontroler dengan konektor pemrogramannya. Cobalah untuk memprogramnya, pastikan tidak gagal dalam prosesnya.

6. Potensiometer digital solder

7. Solder semua konektor JST di area sesuai dengan koneksi masing-masing jalur.

8. Nyalakan papan, jika Anda memiliki generator fungsi dan osiloskop, periksa setiap respons rangkaian analog terhadap sinyal input selangkah demi selangkah (disarankan: 200mVpp, 1KHz).

9. Periksa respon rangkaian pada power-amplifier dan rangkaian/modul tunda secara terpisah.

10. Hubungkan speaker ke output power amplifier dan generator sinyal ke input, pastikan Anda mendengar nada.

11. Jika semua pengujian yang telah kita lakukan berhasil, kita dapat melanjutkan ke langkah perakitan.

Langkah 5: Perakitan

Mungkin ini adalah bagian tersulit dari proyek dari sudut pandang pendekatan teknis, kecuali jika ada beberapa alat yang berguna untuk memotong kayu di stok Anda. Saya memiliki seperangkat instrumen yang sangat terbatas, jadi saya terpaksa menempuh jalan yang sulit - memotong kotak secara manual dengan file gerinda. Mari kita bahas langkah-langkah penting:

1. Mempersiapkan kotak:

1.1 Pastikan Anda memiliki penutup kayu dengan dimensi yang sesuai dengan alokasi speaker dan papan elektronik.

1.2 Potong bidang speaker, sangat disarankan untuk memasang bingkai karet busa ke area pemutus speaker untuk mencegah getaran resonansi.

1.3 Potong bingkai kayu terpisah untuk antarmuka pengguna (LCD dan encoder). Potong area yang sesuai untuk LCD, pastikan arah LCD tidak terbalik dengan tampilan enklosur depan. Setelah ini selesai, bor lubang untuk rotary encoder. Kencangkan sekrup pengeboran LCD witch 4 dan rotary encoder dengan mur logam yang sesuai.

1.4 Tempatkan karet busa pada bingkai kayu antarmuka pengguna di seluruh perimeternya. Ini akan membantu mencegah nada beresonansi juga.

1.5 Temukan di mana papan elektronik akan ditempatkan, lalu bor 4 lubang di selungkup kayu

1.6 Siapkan sisi, di mana jack input catu daya eksternal DC dan input gitar 1/4 akan ditempatkan, bor dua lubang dengan diameter yang sesuai. Pastikan konektor ini berbagi pinout yang sama dengan papan elektronik (yaitu polaritas). Setelah itu, solder dua pasang kabel untuk setiap input.

2. Menghubungkan bagian-bagian:

2.1 Pasang speaker ke area yang dipilih, pastikan dua kabel terhubung ke pin speaker dengan 4 sekrup pengeboran.

2.2 Pasang panel antarmuka pengguna di sisi enklosur yang dipilih. Jangan lupa karet busanya.

2.3 Hubungkan semua sirkuit bersama-sama melalui blok terminal

2.4 Hubungkan LCD dan encoder ke board melalui konektor JST.

2.5 Hubungkan speaker ke output modul TDA2030A.

2.6 Hubungkan input daya dan gitar ke blok terminal papan.

2.7 Temukan papan pada posisi lubang bor, kencangkan papan dengan 4 sekrup pengeboran dari luar selungkup kayu.

2.8 Pasang semua bagian kandang kayu bersama-sama sehingga akan terlihat seperti kotak padat.

Langkah 6: Pemrograman dan Kode

Kode perangkat mematuhi aturan keluarga mikrokontroler AVR dan sesuai dengan ATMEGA328P MCU. Kode ditulis di Atmel Studio tetapi ada peluang untuk memprogram papan Arduino dengan Arduino IDE yang memiliki MCU ATMEGA328P yang sama. Mikrokontroler yang berdiri sendiri dapat diprogram melalui adaptor debug USB sesuai dengan Atmel Studio atau melalui programmer USP ISP, yang dapat dibeli dari eBay. Software pemrograman yang umum digunakan adalah AVRdude, tapi saya lebih suka ProgISP - software Pemrograman ISP USB sederhana dengan antarmuka pengguna yang sangat ramah.

Semua penjelasan yang diperlukan tentang kode, dapat ditemukan di file Amplifice.c terlampir.

File Amplifice.hex terlampir dapat diunggah langsung ke perangkat jika sepenuhnya sesuai dengan diagram skema yang telah kita amati sebelumnya.

Langkah 7: Pengujian

Nah, setelah semua yang kita inginkan selesai, saatnya untuk pengujian. Saya lebih suka menguji perangkat dengan gitar murah kuno saya dan rangkaian kontrol nada pasif sederhana yang saya buat bertahun-tahun yang lalu tanpa alasan. Perangkat diuji juga dengan prosesor efek digital dan analog. Tidak terlalu bagus bahwa PT2399 memiliki RAM kecil untuk menyimpan sampel audio yang digunakan dalam urutan penundaan, ketika waktu antara sampel gema terlalu besar, gema menjadi didigitalkan dengan kehilangan bit transisi yang besar, yang dianggap sebagai distorsi sinyal. Tapi distorsi "digital" yang kita dengar, mungkin berguna sebagai efek samping positif dari pengoperasian perangkat. Itu semua tergantung pada aplikasi yang ingin Anda buat dengan perangkat ini (yang entah bagaimana saya sebut "Amplifice V1.0" omong-omong).

Harap Anda akan menemukan instruksi ini berguna.

Terima kasih sudah membaca!