Усилитель "Eclipse".

Автор: В. Князьков aka eclipsevl
Опубликовано 18.11.2008

Применение современных радиоэлементов позволяет перейти на новый уровень при конструировании аппаратуры высококачественного звуковоспроизведения.
В данной конструкции для управления работой усилителя и отображения информации на жидкокристаллическом матричном модуле применены микроконтроллеры принадлежащие к семейству AVR фирмы ATMEL. Кроме того предусмотрена возможность управления усилителем с компьютера через USB порт. Благодаря этому, по сравнению с обычными усилителями, устройство стало удобнее и надежнее в эксплуатации.

Блок-схема усилителя представлена на рисунке 1. Звуковой стереосигнал поступает от источника сигнала на предварительный усилитель, а с него на усилитель мощности. С выхода усилителя мощности сигнал подается на акустические системы и индикаторы уровня выходного сигнала.
Блок управления (БУ) управляет предварительным и выходным усилителями посредством управляющих кнопок.
К БУ подключен жидкокристаллический модуль (ЖКМ), на котором отображается различная информация связанная с работой усилителя. Управление предварительным усилителем с блока управления осуществляется по шине I2C .
Блок управления может переводить усилитель в режим STAND-BY (режим ожидания с минимальным потреблением тока). В этом режиме отключаются от питания выходные каскады усилителя мощности.
Через USB порт усилителем можно управлять с компьютера.

Блок управления
Основой блока управления (Рис.2) является микроконтроллер DD1 семейства AVR фирмы Atmel AtMega16. В нём программно сформирована шина I2C, относительно которой микроконтроллер является устройством MASTER (ведущее), а управляемые им устройства: предварительный усилитель (рис.7) на микросхеме (МС) TDA8425 и флэш-память (DD2) на МС AT24C08 устройствами SLAVE (ведомые). Каждое соединенное с шиной I2C устройство имеет свой адрес (для TDA8425 это 0х82, а для At24С08 0хА0). К линии PD5 (выв. 19) порта D микроконтроллера DD1 подключена линия синхронизации (SCL), а к линии PD6 (выв. 20) - линия передачи данных (SDA). Программа для микроконтроллера AtMega16 написана на языке СИ.

Микросхема DD2 (Аt24С08) это перепрограммируемая энергонезависимая электрически стираемая память - EEPROM объёмом 8 Килобит (1 Килобайт). Другое название этой микросхемы флэш-память. В ней хранятся данные о состоянии предварительного усилителя, которые при включении усилителя считываются из памяти DD2 в микроконтроллер DD1, а с него передаются в предварительный усилитель.
Кнопки управления SB1 - SB8 подключены к порту С DD1. Пока задействовано 5 кнопок. Они имеют следующие функции:
Кнопка SB3 ("Меню") включает индикацию меню на ЖКМ.
Кнопкой SB1 ("Уровень+/Меню+") можно перебирать строки меню в одном направлении и увеличивать громкость (при выборе в меню строки "volume"), увеличивать уровень низких частот (при выборе в меню строки "bass"), увеличивать уровень высоких частот (при выборе в меню строки "treble").
Кнопкой SB2 ("Уровень-/Меню-") можно перебирать строки меню в противоположном направлении и уменьшать громкость (при выборе в меню строки "volume"), уменьшать уровень низких частот (при выборе в меню строки "bass"), уменьшать уровень высоких частот (при выборе в меню строки "treble").
Кнопкой SB4 ("ОК") фиксируется выбор меню.
При нажатии кнопки SB8 ("St-by"), сигнал низкого логического уровня с линии PB3 (вывод 4) микроконтроллера DD1 посредством транзисторного ключа VT2 переключает усилитель мощности (рис.4) в режим STAND-BY (режим ожидания).
К порту A микроконтроллера DD1 подключен жидкокристаллический модуль MT-16S2R. Он состоит из БИС контроллера управления и ЖК панели. Контроллер управления КБ1013ВГ6, производства ОАО "АНГСТРЕМ", аналогичен контроллеру HD44780 фирмы HITACHI и KS0066 фирмы SAMSUNG. Модуль отображает 2 строки по 16 символов. Каждый символ отображается в прямоугольной матрице имеющей размер 5х8 точек. Между символами имеются интервалы шириной в одну отображаемую точку.
Каждому отображаемому на ЖКМ символу соответствует его код в ячейке ОЗУ модуля. Модуль имеет светодиодную подсветку. Резистором R1 регулируется контрастность изображения ЖКМ.
К линии PB1 (вывод 2) DD1 через транзисторный ключ VT1 подключен вентилятор охлаждения усилителя (гнезда FAN). Планируется в будущем, сделать автоматическое включение и выключение вентилятора в зависимости от температуры микросхемы усилителя мощности ЗЧ.
Микроконтроллер AtMega8 (DD3), подключенный к линиям PD0 и PD1 микроконтроллера DD1 служит для формирования порта USB. Программа для микроконтроллера ATMega8 взята готовой с [1].
Развязывающие конденсаторы С1 - С4 расположены на плате непосредственно у выводов питания микросхем.
После включения усилителя происходит инициализация микроконтроллера DD1, затем этот микроконтроллер считывает данные из микросхемы памяти DD2 о состоянии усилителя перед выключением, и передаёт их по шине I2C в предварительный усилитель. Выполнение всех перечисленных действий занимает ~100мс.
На экране ЖКМ при включении отображаются надписи показанные на рис.3. "Ucontrol" -название проекта программы на языке СИ для микроконтроллера AtMega16. "eclipse" - условное имя усилителя.

При нажатии кнопки SB3 ("Меню") на экране появляется окно показанное на рис.4

Если нажать кнопку SB4 ("ОК") то появится окно показанное на рис.5.

Теперь нажимая на кнопки SB1 ("Уровень+/Меню+") или SB2 ("Уровень-/Меню-") можно соответственно увеличивать или уменьшать уровень громкости звучания усилителя. Изменение громкости отображается на ЖКМ графически в виде строки из прямоугольников и в процентах.
Аналогично отображается регулировка уровня низких и высоких частот.
Если нажимать кнопки SB1 ("Уровень+/Меню+") или SB2 ("Уровень-/Меню-"), когда на экране отображается окно показанное на рис.4, то можно выбрать один из четырех режимов звучания: "Mono", "Linear stereo", "Pseudo stereo" и "Spatial stereo" (пространственное стерео). Этими же кнопками можно переключать один из двух входных стереоканалов. Все эти режимы отображаются на экране ЖКМ.
При подключении усилителя к компьютеру через USB порт и установке разработанной на языке Visual Basic программе усилителем можно управлять с компьютера при помощи виртуальной панели управления показанной на рисунке 6.

Перед установкой программы на компьютер, необходимо установить файл драйвера "AVR309USB".
Чтобы избежать "щелчка" на выходе усилителя, на время завершения переходных процессов при подаче питания, программно формируется задержка включения длиной 500мс, после чего на выводе 4 микроконтроллера DD1 устанавливается высокий логический уровень, что приводит к открытию транзистора VT2 и выходной усилитель выходит из режима STAND-BY (режим ожидания с минимальным потреблением тока). Программа сохраняет параметры состояния предварительного усилителя примерно каждые 20мс.

Предварительный усилитель.
Предварительный стереоусилитель (рис.7) выполнен на микросхеме TDA8425. Интегральная микросхема TDA8425 фирмы Philips выполнена в корпусе DIP c 28 выводами и представляет собой двухканальный (стереофонический) регулятор громкости и тембра низких и высоких частот с микропроцессорным управлением по шине I2C. Принципиальная схема усилителя приведена:

Основные параметры предварительного усилителя:
Напряжение питания, В - 12;
Регулировка громкости в пределах -64...+6 Дб с шагом по 2 Дб независимо по каждому каналу;
Регулировка тембра низких частот в пределах - 12..+15 Дб ступенями по 3 Дб для обоих каналов;
Регулировка тембра высоких частот в пределах - 12:+12 Дб ступенями по 3 Дб для обоих каналов;
Чувствительность, мВ - 300.
Максимальное выходное напряжение звукового сигнала, В - 2.
Коэффициент гармонических искажений, % - 0,05.

Предусмотрена возможность переключения режимов: стереофонический, псевдостереофонический, пространственное стерео, монофонический. Переключение производится кнопками SB1-SB4 блока управления (рис.2), путем входа в меню, отображаемом на ЖКМ. Аналогично при помощи меню можно выбрать один из двух входных стереоканалов:
первый канал - вход1 L (выв. 18); вход1 R (выв.20)
или
второй канал - вход2 L (выв.1); вход2 R (выв.3).
Информация, управляющая работой микросхемы, поступает от микроконтроллера по шине I2C состоящей из двух линий: SCL и SDA. По линии SCL от микроконтроллера на микросхему поступают тактовые импульсы, синхронизирующие прием информации. По линии SDA поступает двоичное управляющее слово в последовательном коде, которое устанавливает в микросхеме соответствующий параметр.

Усилитель мощности ЗЧ.
Усилитель мощности звуковой частоты (рис.8) собран на микросхеме ТDA7265. Эта микросхема является двухканальным усилителем мощности выходные каскады которого работают в режиме АВ и выполнена в корпусе SIP1 c 11 выводами. Усилитель мощности можно переключать в режим STAND-BY (режим ожидания с минимальным потреблением тока), подавая сигнал с блока управления на вход "St-by". В этом режиме отключаются от питания выходные каскады усилителя мощности.

Характеристики усилителя мощности:
Напряжение питания, В ...........................+20
Номинальная выходная мощность (Rн=4 Ом), Вт.......20
Максимальный потребляемый ток, А ..................4
Диапазон рабочих частот, кГц..............20 Гц - 20
Номинальное входное напряжение, мВ................500
Ток покоя ( Rн=4 Ом), мА ........................100
Коэффициент нелинейных искажений (Рвых<15 Вт), %...1
Входное сопротивление, кОм........................20

Индикаторы уровня выходного сигнала.
Индикаторы уровня выходного сигнала в обоих каналах собраны по одной и той же схеме представленной на рис.9. Основой индикатора является микросхема LM3915M выполненная в корпусе DIP-18. Каждый индикатор содержит по 10 суперярких светодиодов синего цвета. Микросхема LM3915M по сравнению с более распространенной UAA180 обладает большей нагрузочной способностью и поэтому стало возможным применить более яркие светодиоды.

Блок питания
Блок питания (рис.10) собран по стандартной трансформаторной схеме с использованием мостовых диодных выпрямителей, стабилизаторов на интегральных микросхемах и транзисторах.
Блок питания имеет две изолированных друг от друга линии питания 12В. Первая линия используется только для питания предварительного усилителя. Вторая линия питает блок управления, индикаторы уровня и вентилятор. Это сделано для того, чтобы уменьшить помехи от цифровой части усилителя и от помех создаваемых вентилятором.

Конструкция усилителя.
Большинство деталей смонтированы на печатных платах из фольгированного стеклотекстолита. В устройстве применены постоянные резисторы МЛТ, С2-23, оксидные конденсаторы К50-35 и импортные, остальные керамические типа КМ-6. Силовой трансформатор торроидальный габаритной мощностью 80 Вт. Микросхема усилителя мощности TDA7265 и силовые транзисторы КТ8101, КТ8102 блока питания располагаются на алюминиевых радиаторах. Вместо полевого транзистора IRFZ24N (VT1) в блоке управления можно применить биполярный средней мощности, например КТ815(А-Г). А в качестве транзистора VT2 в том же блоке можно использовать и маломощный, например КТ315(А-Е), вместо IRFZ24N .
На рис.11 представлены чертежи печатной платы блока управления. Через разъемы ISP (на принципиальной схеме не показаны) можно программировать микроконтроллеры прямо в плате.

Все блоки усилителя располагаются в металлическом корпусе размером 280х255х60 мм. Передняя и задняя панели корпуса выполнены из прозрачного органического стекла толщиной 5мм. Обе панели покрашены черной краской с внутренней стороны. На крышке корпуса, с внутренней стороны расположен вентилятор 80х80 мм с синей светодиодной подсветкой, на задней панели корпуса располагаются входные гнезда предварительного усилителя, выходные усилителя мощности, питания и USB. На передней панели расположены кнопки управления, ЖКИ дисплей, индикаторы уровня и выключатель. Для жидкокристаллического дисплея и индикатора уровня в передней панели корпуса оставлены не закрашенные "окна".

Некоторое количество фотографий готового девайса:

Файлы:
Печатные платы в формате SL 5.0.
Прошивки МК с исходником для Mega16.
Драйвер AVR309USB.
Программа управления с исходниками.

Литература:
1. USB-RS232 converter + USB-8/16bit converter + USB-EEPROM scratch pad based on cheap AVR microcontroller - Igor Cesko, 2005
2. TDA8425 Hi-fi stereo audio processor; I2C-bus - Philips
3. Сопряжение компьютера с внешними устройствами - Иванов Д.В.

Вопросы, как обычно, складываем тут.