Немного истории

Данная конструкция появилась после того, как я собрал известный усилитель OM 2.5. Естественно, встал вопрос выбора регулятора громкости, защиты и прочих сервисных функций. Конечно, еще хотелось иметь цифровой вход и дистанционное управление, но это уже казалось совсем недоступным космосом. Ни программированием контроллеров, ни проектированием электронных схем я до этого не занимался. Однако, как говорится, дорогу осилит идущий, и на макетке поселился контроллер Atmega16 с микросхемой регулятора громкости PGA2311. В итоге процесс меня так увлек, что очень трудно было закончить проект. Пока  оставалась свободная память и ноги контроллера, появлялись идеи по расширению функций и добавлению новых модулей. Платы ко всем модулям первоначально разводились в DipTrace и изготавливались собственноручно с помощью фоторезиста. Потом часть плат я попробовал заказать на производстве. Поэтому на фото присутствует сборная солянка из синих самодельных и зеленых заводских плат. Итак, в этой статье я постарался описать, что в итоге у меня получилось. 

Функции системы.

• Мягкий старт, задержка настраивается от 0 до 30 сек. 
• Задержка включения АС, настраивается от 0 до 30 сек.
• ДУ стандарта NEC c настройкой пульта из системы меню
• Коммутация АС c помощью плат защиты: зоны A/B (кнопка, ДУ), левая/правая (ДУ) или просто вкл/выкл.
• Управление входным селектором на 4 входа (кнопки, ДУ)
• Управление громкостью и балансом с помощью микросхемы PGA23XX  или релейным РГ Никитина (энкодер, ДУ)
• Управление темброблоком Матюшкина c релейной регулировкой НЧ и ВЧ (энкодер, ДУ)
• Управление USB-цапом  - передача команд стоп/пуск/перемотки/треки (ДУ) 
• Термо-контроль на цифровом датчике LM75, один или два канала, выключение при перегреве, включение вентилляторов
• Кнопки включения, переключения АС, четыре кнопки селектора входов и Mute
• Регулировка яркости подсветки экрана (ДУ)
• Экранные заставки: гашение экрана, индикатор уровня и анализатор спектра 

Состав и конфигурация системы. 

Система состоит из контроллера с символьным дисплеем 4x20, устанавливаемого на лицевую панель, и нескольких исполнительных модулей. Дисплей устанавливается параллельно плате контроллера на четыре стойки и соединяется с ним разъемами PLS-PBS, получается достаточно компактный "бутерброд" высотой 12мм. Все подключения осуществляются по периметру платы контроллера с помощью угловых разъемов XH.   

Модули осуществляют необходимые регулировки/коммутацию и устанавливаются в корпус усилителя с учетом минимизации длины сигнальных цепей:

• Регулятор громкости на базе PGA23XX c входным селектором на 4 входа и разъемом для подключения USB-цапа PCM2705
• Регулятор громкости Никитина
• Входной селектор на 4 входа ( для использования с РГ Никитина )
• Регулятор тембров Матюшкина c релейной регулировкой НЧ и ВЧ
• Защита АС от постоянного напряжения c коммутацией двух зон A/B
• Термо-датчики
• Блок дежурного питания с входным фильтром и управлением мягким стартом

Конфигурация используемых модулей определяется dip-переключателем на плате контроллера.  Она считывается при подаче питания на контроллер и определяет алгоритм дальнейшей работы системы:

Регуляторы громкости, темброблок и селектор входов подключаются к шине контроллера SPI последовательно, для этого на платах модулей присутствуют разъемы Control IN и Control Out. При использовании РГ Никитина, для регулировки баланса можно подключить два таких модуля. Это позволяет достаточно гибко конфигурировать систему управления под конкретное устройство. Диапазон и шаг регулировки громкости у PGA23xx и РГ Никитина могут существенно различаться, поэтому они задаются в меню настройки системы. Важно - прошивка не проверяет на адекватность введенные значения, поэтому не следует задавать максимальную громкость +32db у РГ Никитина. Все возможные варианты подключений модулей к шине SPI:

• контроллер -> РГ на PGA23XX с входным селектором и ЦАПом
• контроллер -> ТБ Матюшкина -> РГ на PGA23XX с входным селектором и ЦАПом
• контроллер -> РГ Никитина -> селектор входов
• контроллер -> РГ Никитина -> РГ Никитина -> селектор входов
• контроллер -> ТБ Матюшкина -> РГ Никитина -> селектор входов
• контроллер -> ТБ Матюшкина -> РГ Никитина -> РГ Никитина -> селектор входов

Термо-датчики подключаются к контроллеру по шине I2C. Их наличие и количество так же задается dip-переключателем. Возможны три варианта - термо-контроль отключен, используется один датчик или два датчика для каждого канала усилителя. Если термо-контроль включен, можно настроить максимальную температуру, при достижении которой устройство будет выключено. Так же настраиваются температуры включения и выключения обдува. При использовании двух термо-датчиков, можно организовать независимый обдув каждого канала. 

Индикация. 

Вся информация выводится на символьный дисплей 4x20 на широко известном контроллере HD44780. В первой строке индицируется состояние коммутатора АС. В этой же строке отображается температура радиаторов, полученная с термо-датчиков, когда она превысит температуру включения обдува. Вторая строка отображает ослабление РГ в децибелах. Третья строчка - состояние баланса. При регулировке НЧ или ВЧ, их состояние так-же выводится в этой строке вместо баланса. Последняя строка отображает имена входов и текущий вход.  

Еще один орган индикации - светодиод. Он светится, когда система подключена к сети и находится в дежурном режиме. При включении он гаснет и индицирует миганием прием команд с пульта ДУ.

Если в течении определенного времени никакие органы управления не используются, экран может переключаться в режим заставки. Самая простейшая - уменьшение яркости подсветки экрана. Если к соответствующим входам контроллера подключить входной или выходной аудио-сигнал, можно использовать заставки «Индикатор уровня» или « Анализатор спектра» на базе преобразования Фурье.  

Управление. 

Для управления используются кнопки без фиксации, замыкающие соответствующие входы контроллера на землю, энкодер с кнопкой, пульт ДУ с протоколом NEC. Энкодер управляет регулировкой громкости. При нажатии на его кнопку, энкодер последовательно переключается на регулировку баланса/тембра НЧ/тембра ВЧ. При этом на экране мигают символы, соответствующие текущему режиму. На кнопках и энкодере реализован только минимальный набор команд, полный функционал из 26 команд доступен только с пульта. Часть функций, типа изменения громкости, поддерживает прием команд автоповтора от пульта ( когда кнопка пульта удерживается нажатой) .  Для функций, типа Вкл/Выкл,  выполнение автоповтора намеренно отключено - для повторения команды необходимо повторно нажать кнопку пульта.

Минимальный необходимый комплект для запуска и настройки системы - кнопка включения, энкодер и пульт ДУ. При подаче питания на контроллер, он будет находиться в дежурном режиме. Длительное нажатие на кнопку включения ( от 2 сек. ) переводит контроллер в режим настройки. При этом включается только экран, реле софт-старта остаются выключенными. Перемещение по меню настройки и изменение значений параметров осуществляется вращением энкодера. Для выбора пунктов меню, входа в редактирование и подтверждения выбора, необходимо нажать на кнопку энкодера.  

Коды команд пульта ДУ в соответствующем подменю настройки можно просто ввести, если вы их знаете. Но проще их прочитать с имеющегося пульта. Для этого необходимо войти в редактирование кода нужной команды и нажать на соответствующую кнопку пульта. Если контроллер смог принять команду, он мигнет светодиодом дежурного режима и впишет код в поле редактирования.   Для подтверждения кода останется только нажать на энкодер.  Все настраиваемые параметры и команды приведены ниже в таблице:

Схема контроллера

Питание осуществляется через защитный диод D1 и стабилизатор на 5в U1.  Ключи Q1 и Q2 управляют реле мягкого старта. R9 регулирует контрастность дисплея, для экрана с синей подсветкой на третьей ноге разъема X9 нужно установить напряжение около 0.85-0.9В. Q3 является ключом ШИМ-регулировки яркости подсветки дисплея.

Все кнопки и  dip-переключатель конфигурации S1 подключены к контроллеру по шине I2С с помощью расширителей портов  PCF8574 (U3, U4). Нажатие любой кнопки вызывает прерывание на ноге PB2 Атмеги и, как следствие, опрос U3 на предмет кода нажатой кнопки. Энкодер(х6) и ИК-приемник(PH1) так же подключены на ноги контроллера, поддерживающие внешние прерывания - PD2 и PD3.

Операционный усилитель U5 используется для подачи аналогового сигнала правого и левого каналов на входы АЦП. На основе данных, полученных от АЦП, реализуются функции индикатора уровня и спектроанализатора.  Входы АЦП работают с сигналом в диапазоне 0-5в, поэтому аудиосигнал нужно усилить/ослабить до амплитуды 2.5в и добавить постоянную составляющую 2.5в. Коэфициент усиления определяется R15/R19 и R16/R20. R17 и R18 обеспечивают необходимое смещение на 2.5в.  U5 должен быть Rail to Rail по входу и выходу и работать при питании 5в.  При настройке резисторами R13, R14 необходимо добиться максимально возможной амплитуды аналогового сигнала на PA6,PA7 (U2) без признаков клипа.

Прошивка, Фьюзы,  Моделирование

Для прошивки используется разъем X2. При прошивке контроллера необходимо обязательно отключить от разъема X3 любые модули. После прошивки программы, обязательно заливается файл с данными Eeprom. При установке фьюзов, необходимо отключить JTAG отладчик ( JTAGEN ) и установить частоту 8 МГц ( CKSEL0, CKSEL1, CKSEL2, CKSEL3), все остальное по умолчанию.

К статье прилагается модель контроллера в Proteus 8. С ее помощью можно ознакомиться с контроллером, протестировать функции, индикацию, управляющие сигналы, не собирая устройство.  Модель цифрового термометра LM75 я найти не смог, поэтому  используется другой подобный датчик и прошивка с учетом этой замены. Для эмуляции пульта ДУ NEC была сделана простая модель и прошивка, модель эмулятора энкодера я нашел в открытом проекте. Прошивки этих моделей лежат вместе с файлом Протеуса. 

Термо-датчик

Термо-датчики прижимаются к радиаторам стороной с микросхемой. С другой стороны платы перемычками задаются адреса датчиков на шине I²C. Адрес левого канала - 000, правого - 001. Если используется один датчик, задается адрес левого канала. Важное ограничение - выходы включения обдува OS слаботочные, могут пропустить ток до 100 мкА. Это надо учитывать, при подключении к контроллеру ключей, управляющих вентиляторами.

Регулятор громкости Никитина

Использована схема, инверсная относительно оригинальной - при выключенных реле ослабление регулятора максимально. Сдвиговый регистр U1 получает от контроллера (X9) данные с громкостью. Его выходы усилены ключами дарлингтона c защитными диодами U2, т.к. регистр 74HC595 не может обеспечить необходимый ток на все реле. Кроме того, благодаря ULN2003A, можно использовать реле не обязательно на 5в.  Обмотки реле могут питаться от платы контроллера, но лучше их питать от отдельного источника, для этого предусмотрен разъем X11. Если используются реле с обмотками более 5в, внешнее питание является единственным вариантом. Выбор источника питания задается перемычками J1 и J2. 

При установке всех реле, обеспечивается ослабление до -128 db и шаг регулирования - 1db. Если достаточно ослабления -64db, реле K7 можно не устанавливать. При этом выходной сигнал снимается с разъемов X6,X8.  Можно увеличить шаг регулирования до 2db, для этого достаточно не устанавливать реле K1 и входной сигнал подавать на разъемы X2,X4.  

Резисторы R15 и R16 нужны для согласования выходного сопротивления регулятора с входным сопротивлением усилителя. R15 устанавливается, если используется выход -64db, R16 - для выхода -128db. Номинал резисторов определяется, исходя из выходного сопротивления РГ 10 кОм и величины входного сопротивления нагрузки. Если не используется селектор входов, необходимо установить резисторы R20,R21,R22 для соединения цифровой и аналоговой земли.  При наличии селектора входов, соединять земли лучше на его плате.

Селектор входов

Схема управления селектором входов аналогична РГ Никитина, но с некоторыми упрощениями. Так как в любое время включено только одно реле, тока регистра U1 достаточно, и от ULN2003 было решено отказаться. Поэтому в селекторе входов могут использоваться только реле на 5В. При использовании обычных реле, запаивается перемычка J1. Перемычка J2 сделана для экспериментов с бистабильными реле на будущее.   

На входной селектор может устанавливаться РГ Никитина. При этом аналоговые входы/выходы и шина управления соединяются с помощью разъемов  PLS-PBS. Для этого на селекторе присутствуют два выхода на канал, соответствующие входам РГ Никитина с шагом регулирования 1db и 2db.  R1, R2, R3 соединяют аналоговые и цифровую землю. Перемычка на плате J3 позволяет соединить земли с корпусом устройства через металлизированное крепежное отверстие на плате.

Регулятор тембров Матюшкина

В оригинальной схеме ТБ Матюшкина высокие частоты регулируются переменным резистором. Это не укладывалось в концепцию моей конструкции, поэтому резистор был заменен на релейный делитель. Но нужно было сократить количество реле, чтобы регулировку НЧ, ВЧ и включение директа вписать в 7 ног ULN2003.  Схему коммутации на трех реле, вместо четырех, я позаимствовал на форуме. Для минимизации платы использованы лавсановые конденсаторы Epcos на 63в c шагом ножек 5мм.

Схема управления переключением реле полностью аналогична РГ Никитина. Единственное дополнение - выход X4 Direct для внешнего реле обхода темброблока. Реле Direct включается, когда все тембры выставлены в 0. Дополнительной команды включения Direct у контроллера пока не предусмотрено, но ее не трудно добавить. 

Регулятор громкости PGA2311 c селектором входов

Это первый модуль, с которого началась разработка контроллера. PGA2311 (U2) по управлению представляет из себя два восьмиразрядных сдвиговых регистра, включенных последовательно. Каждый регистр управляет громкостью своего канала. У микросхемы есть выход данных, к которому был подключен еще один обычный регистр U3. Он управляет четырьмя входными реле. Оставшиеся четыре ноги регистра через делитель на 3V передают команды USB цапу - воспр./пауза, стоп, перемотка вправо/влево, пред./след. трек.  Это дает возможность с пульта усилителя управлять воспроизведением плей-листов на компьютере, что достаточно удобно. Аналоговое и цифровое питание раздельное и осуществляется от трех стабилизаторов  - U4, U5, U6. На плате установлены диодные мосты и фильтры, нужно только подключить трансформатор. Вместо PGA2311 может быть применена микросхема PGA2310, для этого достаточно заменить стабилизаторы U4 и U5 на аналогичные с выходным напряжением 12V. Важная особенность - цифровое и аналоговое питание необходимо подавать синхронно. Конструкция модуля предполагает установку на  заднюю стенку усилителя. 

Вместо первого аналогового входа можно установить USB Цап PCM2706. Все материалы по нему я выкладывал на форум. В таком случае вместо разъема X1 RS-813 устанавливается разъем на 3 входа RS-613. На операционном усилителе U1 сделан дополнительный фильтр для ЦАПа. Кроме того, он усиливает выход ЦАПа до стандартных 1.2в. 

Измерения

Качество работы модулей после сборки проверялось с помощью измерений программой RightMark Audio Analyzer. В качестве звуковой карты использовалась EMU-0404. Благодаря этому я смог обнаружить и исправить некоторые ошибки в разводке плат.  Не буду загромождать статью картинками с результатами измерений, они приложены к файлам проекта.  В общем можно сказать, что шумы и гармоники  модулей лежат на грани измерительных возможностей EMU-0404.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• DipTrace
• Proteus
• AVR
• Микроконтроллер
• УНЧ