Kiegyenlített fejhallgató -erősítő hallássérülteknek: 10 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:39

Az én igényeim

Néhány hónappal ezelőtt hallókészülékeket szereltem fel, hogy kompenzáljam a magas frekvenciákra való érzékenység elvesztését, ami miatt a hangok elnémulnak, és nehézséget okoz a szillantok (pl. "S" és "F") megkülönböztetése. A segédeszközök azonban nem nyújtanak előnyt fejhallgató használatakor, mivel a mikrofonok a fül mögött vannak. Miután kísérleteztem egy indukciós nyakkendővel és a hallókészülékeim közvetlen bemenetével (egyik sem adott kielégítő eredményt), eszembe jutott egy fejhallgató -erősítő, amelynek állítható frekvenciájú válaszát úgy tervezték, hogy illeszkedjen a hallókészülékeimhez.

Ha van más követelménye a kiegyenlítésre, akkor ez a projekt könnyen adaptálható. Fokozást (vagy vágást, triviális módosítással) biztosít 3 középfrekvencián. Ez azonban kiterjeszthető több frekvenciasávra.

Az eredmény

Végül egy csinos kis, 6 cm -es négyzet alakú doboz lett, 3,5 mm -es jack- és Bluetooth -bemenettel, valamint 3,5 mm -es jack -fejhallgató -kimenettel. A zenehallgatási élmény javulását látványosnak és a beszéd szempontjából nagyszerűnek találtam.

Mit ad ez az utasítás?

Az elején hadd mondjam el, hogy ez nem egy kezdő projekt. Szükséged lesz ésszerű szintű forrasztási készségekre, és ha módosítani szeretnéd (ahogy lehet), meg kell tanulnod az Eagle-t a tábla elrendezéséhez és a TinkerCAD-et a 3D-nyomtatott dobozhoz. Mindkettőnek kellett egy kis idő, mire elsajátítottam, de egyik sem volt nehéz. Elvárom, hogy az emberek tanuljanak valamit az utasításaimból (hacsak nem tudnak többet, mint én), és ne csak vakon kövessék az utasításokat.

Ha még soha nem forrasztott felületszerelt alkatrészeket, ne hagyja magát - ez nem olyan nehéz, mint gondolná. Lásd ezt az útmutatót a bevezetéshez.

Ebből a projektből a következőket kapja:

• Sas tervezési fájlok (sematikus és táblás elrendezés)
• A tervezési egyenleteket megtestesítő Excel -táblázat, amely lehetővé teszi a kiegyenlítés igényeinek megfelelő testreszabását
• A TinkerCAD design a 3D nyomtatott dobozhoz.

Mivel az egyedi nyomtatott áramköri lap minimális rendelési mennyisége 5 darab volt, 3 csupasz tábla hiányzik (egyet eladtak). Ezek már kaphatók az eBay -en - lásd:

1. lépés: A tervezési folyamat: Követelmények és stratégia

Amikor elkezdtem gondolkodni ezen a projekten, az egyik első kérdés az volt a fejemben, hogy analóg vagy digitális szűrőket kell -e használni. Az All About Circuits fórum egyik szálában Keith Walker figyelmeztetett egy nagyon olcsó (analóg) grafikus equalizerre a Távol -Keletről (fent látható), amellyel ugyanazt a problémát oldotta meg. Így rendeltem egyet a koncepció bizonyítására.

Jól működött, de túl terjedelmes volt a hordozható használatra, és pozitív és negatív tápfeszültségekre volt szüksége, ami további kényelmetlenséget okoz. De megerősítette a megközelítést és a használandó szűrőáramköröket.

A követelményeket a következőkre finomítottam:

• Kompakt, hordozható és újratölthető akkumulátorral kell működnie.
• El kell fogadnia a 3,5 mm -es jack vagy a Bluetooth bemenetét.
• Külön bal és jobb sztereó csatornával kell rendelkeznie.

Számos korábbi projektben hagyományos lyukasztó alkatrészeket és 0,3 -os DIL IC-ket használtam a szalaglemezen, de ez túl terjedelmes lett volna. Ezért úgy döntöttem, hogy egyedi PCB-t kell terveznem (új élmény számomra) a felület használatával szerelési alkatrészeket (amelyekről szerény tapasztalataim vannak). 3D nyomtatott dobozt is meg kell terveznem (a 3D tervezési tapasztalatom nagyon korlátozott volt).

Egy Bluetooth -képesség könnyen hozzáadható az elérhető olcsó Bluetooth -modulok bármelyikével.

Két vagy három dedikált grafikus hangszínszabályozó IC van, amelyeket néztem, de az olcsó quad opamp használata végül egyszerűbbnek tűnt, és csak annyi külső komponenst igényel.

2. lépés: Részletes tervezés

Az általam használt alapvető áramköri elemet girátornak nevezik. Műveleti erősítőt használ a capcitor virtuális induktivitássá alakítására. Ez, és még egy kondenzátor hangolt körforgást végez, csökkentést vagy növelést biztosítva egy bizonyos frekvenciatartományban. Nagyon sok grafikus hangszínszabályozó konstrukció gyakorlatilag azonos kialakítást használ, és nincs értelme eltérni tőle. Ezeket példázza az Electronics Today International 1977. szeptember 27. oldala. Ez a cikk nagyon világosan elmagyarázza az áramkör működését.

Csak úgy módosítottam, hogy egyetlen 5 V -os tápegységről működő quad opampe -kat használtam, és egy fejhallgató -erősítő IC -t adtam hozzá, hogy biztosítsa a fejhallgató megfelelő meghajtását. Ezenkívül minden potenciométert kicseréltem egy potenciométerre és egy ellenállásra, hogy csak lökést és finomabb irányítást biztosítsak, mivel nem kellett vágni.

A sematikus és a tábla elrendezés (mindkettő az Eagle segítségével készült) fent látható.

Az Eagle nagyszerű tulajdonsága, hogy tartalmazza a Spice áramkör szimulációs csomagot, amely lehetővé teszi a tervezés érvényesítését és a frekvenciaválasz előrejelzését, mielőtt elkötelezi magát a NYÁK gyártása mellett.

Az alaplap 2 bemenetet, 3,5 mm -es jack aljzatot és forrasztópadokat tartalmaz a Bluetooth vevőmodul csatlakoztatásához. Ezek hatékonyan párhuzamosan állnak. Az áramellátás mini-USB aljzaton vagy forrasztópadon keresztül történhet. Minit használtam, nem pedig mikro-USB-t, mivel a mikro-USB-aljzatot meglehetősen nehéz kézzel forrasztani, és kevésbé robusztus.

3. lépés: Az Eagle telepítése és beállítása

Ha el akarja küldeni a táblatervezést gyártásra, módosítsa az elrendezést, vagy egyszerűen módosítsa a válaszgörbét, telepítenie kell az Eagle -t. Ha (mint én, amikor elkezdtem ezt a projektet) nem ismeri, a SparkFun webhely számos hasznos oktatóanyagot tartalmaz a https://learn.sparkfun.com/tutorials/tags/eagle címen.

Az első, amit meg kell vizsgálni, az Eagle telepítése és beállítása.

Ez magában foglalja a SparkFun könyvtárak telepítését. A letöltött zip fájl egy SparkFun-Eagle-Libraries-master mappát tartalmaz, amelyet át kell másolnia az EAGLE / libraries könyvtárba

Emellett importálnia kell az Eagle sematikus és táblázatos elrendezési fájljait, valamint a Spice modelljeimet. (A Spice az áramkör szimulációs szoftver, amely lehetővé teszi számunkra az erősítő frekvenciaválaszának szimulálását.)

Ezeket egy zip fájl tartalmazza, ahonnan letöltheti

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Nyissa meg a zip fájlt, és húzza át a projekteket és a fűszermappákat az EAGLE mappába. (Már tartalmaz egy üres projektmappát.)

Most készen kell állnia az Eagle elindítására.

A bal oldali ablaktáblán nyissa meg a Projektek, majd a projektek, majd a Kiegyenlített fejhallgató -erősítőt.

Kattintson duplán a Headphone_Amp.brd és a Headphone_Amp.sch fájlokra. Ezek külön ablakokban nyílnak meg, az első a tábla elrendezését, a második a sematikus ábrát mutatja.

A vázlatban keresse meg és kattintson a Szimuláció gombra.

Ez megnyitja a szimulációs beállítást. Kattintson az AC Sweep választógombra, állítsa a Típust Dec értékre (alapértelmezett), a Kezdő és Vége Frekvencia értékét pedig 100, illetve 10000 értékre. Kattintson a szimuláció gombra a jobb alsó sarokban. Szünet után a frekvenciaválasz grafikonjának kell megjelennie, ahogy a következő lépésben látható.

4. lépés: A válaszgörbe módosítása

A füle nagy valószínűséggel más lesz, mint az enyém, ezért először is szüksége van egy másolatra az audiogramjáról. Az audiológusának képesnek kell lennie erre, de ha jó fejhallgatója van, saját maga készítheti el a https://newt.phys.unsw.edu.au/jw/hearing.html címen.

Ez jó képet adhat arról, hogy mennyi erősítésre van szüksége különböző frekvenciákon. Az én esetemben a hallásromlásom gyorsan növekszik 3 kHz felett, ezért lehetetlen kompenzálni a fenti értéket. Mindenesetre néhány kísérlet, amely az Audacity segítségével elemezte a különböző források spektrumát, azt jelezte, hogy valószínűleg ennél sokkal kevesebb hiányzik számomra.

Jelenleg a projekt lehetővé teszi a frekvenciaválasz beállítását 3 középső, 1,5, 2,3 és 3,3 kHz -es frekvencián, függetlenül a bal és a jobb csatorna között. Maradhat ezeknél a frekvenciáknál, vagy módosíthatja azokat (lásd a következő lépést).

Az EAGLE / spice mappájában megtalálhatja a 3 trimpot POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl és POT_VR131.mdl modelljeit. Ezek vezérlik a választ a 3 frekvencián. Ha ezek bármelyikét megnyitja szövegszerkesztővel (pl. Jegyzettömb), megjelenik egy ilyen sor:

.param VAR = 50

Változtassa meg a számot 0 és 100 közötti értékre, hogy megjelenítse a megfelelő trimpot pozícióját, és ezáltal a frekvencia növelését nullától a maximumig.

Most futtassa újra a szimulációt (kattintson a Netlist frissítése gombra, mielőtt a Szimuláció gombra kattintana), és nézze meg, hogyan néz ki most a frekvenciaválasz.

5. lépés: A középfrekvenciák módosítása

Az Eagle Project mappába felvettem egy Excel táblázatot Calc.xlsx. Nyissa meg ezt az Excel segítségével (vagy ha nincs Excel, akkor a LibreOffice Calc programot, amely ingyenes). Ez a táblázat a 3 szűrőszakasz egyikének tervezési számításait testesíti meg.

Az első mező lehetővé teszi a középfrekvencia és a Q tényező kiszámítását az adott R1, R2, C1 és C2 értékekhez. (A Q vagy minőségi tényező határozza meg a sáv szélességét. A magasabb érték szűkebb sávot és nagyobb lendületet ad. Úgy tűnik, hogy a 4 körüli értékek jól működnek, ha mindegyik frekvencia nagyjából 50% -kal nagyobb, mint az előző.)

Valójában nagyobb valószínűséggel szeretné kiválasztani a frekvenciákat és kiszámítani az összetevők értékeit. Tekintettel a kívánt gyakoriságra és a négy összetevő értéke közül háromra, a második mező lehetővé teszi a 4. komponens értékének kiszámítását.

Az alkatrészek előnyben részesített értéket kapnak (például az E12 sorozat), így kiválaszthatja a számított értékhez legközelebb eső értéket, és visszacsatolhatja azt az első mezőbe, hogy megnézze, milyen tényleges frekvenciát ad.

Ezután csatlakoztassa az értékeit az Eagle sematikus rajzához, és ismételje meg a szimulációt.

Nyissa meg a sematikus ábrát, és a bal oldali panelen kattintson az összetevő értéke ikonra, majd a módosítani kívánt összetevőre. (A szimuláció úgy van beállítva, hogy csak az alsó vagy bal csatornán működjön.) Figyelmeztetést kap, amely szerint az összetevőnek nincs felhasználó által definiálható értéke. Szeretné megváltoztatni? Hát persze, hogy! Írja be az új értéket a megjelenő mezőbe.

Kattintson a Szimuláció gombra, kattintson a Netlista frissítése, majd a Szimuláció gombra.

6. lépés: Szükséges összetevők

Természetesen szüksége lesz egy áramköri lapra. Hacsak nem használja a tartalék tábláim egyikét, el kell küldenie az Eagle fájlokat a gyártáshoz. A legtöbb gyártó megköveteli a kialakítást gerber fájlok készleteként. Ahelyett, hogy megismételné az itt található utasításokat, keressen online az Eagle export gerber kifejezésre, vagy nézze meg a Sparkfun bemutatóját.

Külön gerber -fájlok írják le a rézrétegeket, a forrasztómaszkot, a selyemszitanyomást, a fúrást és a lemezvázlat marását.

Amikor a fájlokat online elküldi a gyártónak, akkor érvényesíti azokat, és figyelmeztet, ha hiányoznak az alapvető fájlok. De nem figyelmeztet, ha hiányzik egy selyemképernyős fájl, ami az én hibám volt. Ez elkülönül az eszköz körvonalaitól.

A tábla feltöltéséhez a következő összetevőkre lesz szüksége.

• TL084 SOIC -14 quad op erősítő - 2 kikapcsolva
• LM4880M SOIC 250 mW teljesítményerősítő - 1 kikapcsolás
• 0603 SMD ellenállás választék
• 0603 SMD kerámia kondenzátor választék 100pF - 1μF
• 5K Trim Pot 3362P -502 - 6 kedvezmény
• 10uF 16V SMD 0805 Többrétegű kerámia többrétegű kondenzátor - 4 kikapcsolva
• 2917 (EIA7343) 100μF 16V tantál kondenzátor - 2 kikapcsolva
• 2917 (EIA7343) 470μF 10V tantál kondenzátor - 2 kikapcsolva
• Mini USB női 5 tűs SMD foglalat
• 3,5 mm átmérőjű, PCB -re szerelhető sztereó audio jack - 2 ki
• 3 mm -es kék LED (vagy választható szín)

A teljes, akkumulátorral működő, Bluetooth-bemenettel rendelkező egységhez ezenkívül szüksége lesz:

• Bluetooth vevő modul, amely támogatja az A2DP -t
• LiPo akkumulátor: 503035 3.7V 500mAhr
• TP4056 LiPo töltő mini-USB bemenettel (vagy microUSB-vel, ha úgy tetszik), mint ez
• 3V - 5V erősítő átalakító, mint ez
• Mini SPDT csúszó kapcsoló

Megjegyzés: A LiPo töltő valószínűleg 1A töltőáramra van beállítva, ami túl sok egy 500 mAh -s akkumulátorhoz. Fontos, hogy távolítsa el a töltési sebesség programozási ellenállást (általában 1,2K a TP4056 chip 2 -es csatlakozójához csatlakoztatva), és cserélje ki egy 3,3 k -s elemre.

Vezetékes végű LiPo akkumulátort használtam, de egy miniatűr JST csatlakozóval rendelkező készülék lehetővé tenné, hogy csak a bekötés és az összes többi elem ellenőrzése után csatlakoztassa, valamint megkönnyítse a cserét.

Előnyös egy Bluetooth modul, amely 3.3V -ról vagy 5V -ról fog működni, mivel ezután közvetlenül az akkumulátorról tudja táplálni a tápellátást, csökkentve a digitális zajt az 5V -os tápellátáson az alaplapon.

Ha az AVRCP -t és az A2DP -t támogató Bluetooth -modult választja, hozzáadhat nyomógombokat a hangerő növeléséhez/csökkentéséhez és a következő/előző számhoz.

Sok Bluetooth -modul rendelkezik felületre szerelt LED -del, amely jelzi a csatlakozási állapotot, a TP4056 töltő pedig piros és zöld felületű LED -ekkel jelzi a töltési állapotot. Egy ilyen doboz, mint az általam készített, valószínűleg elrejti ezeket, így helyettesíthetők (lásd később):

• 3 mm -es kék LED
• 3 mm -es piros/zöld közös anód LED.

7. lépés: Egy csupasz tábla használata

Ha megszerezte az egyik tartalék prototípus táblámat, akkor csak néhány apró hibát kell tudnia.

• A tábla tetején nincs selyemnyomás. Hasznosnak fogja találni, ha kinyomtatja a tábla elrendezésének nyomtatott példányát, amikor kitölti azt.
• Néhány vias célja az volt, hogy összekapcsolja a felső és az alsó földi síkokat, amelyek nem. Ennek nincs következménye.
• A C3 eredetileg 100uF volt, 2917 -es csomagolásban. Ez az érték túl nagy volt, és most 1uF 0603. A forrasztási ellenállás egy részét le kell kaparni az alaplapról, hogy illeszkedjen ehhez, amint az a képen is látható.

A nyereséget az R106 és R206 ellenállások értékei határozzák meg. A 22k nagyjából egységnyereséget eredményez. Mivel érdemes különböző értékekkel kísérletezni, a 0603 SMD ellenálláspárnákat és a 0,3 hüvelykes lyukakat is megadtam a huzalvégű ellenállásokhoz.

8. lépés: Bokszolás

Az általam használt doboz 3D nyomtatható kivitelét megtalálhatja a tinkercad.com webhelyen. A távolságok túl szűkek voltak, ezért 1 mm -rel megnöveltem a doboz hosszát és szélességét.

A doboz alján rekeszek találhatók az akkumulátor, a töltő, az 5V -os erősítő és a Bluetooth modul számára. A fejhallgató erősítő lapja illeszkedik a tetejére. A fedelet két M2x5 mm-es önmetsző csavar tartja.

Azonos töltő és 5V -os erősítő modulok széles körben elérhetők, de sok különböző Bluetooth -modul létezik. Ha ezek közül bármelyik eltér az enyémtől, módosítania kell a doboz kialakítását.

Miután a helyén van, enyhén megtarthatja a modulokat forró olvadék ragasztóval.

9. lépés: Csatlakoztassa

Tesztelés céljából az összes modult egy kartonpapírhoz rögzítettem blu-tac segítségével. Ebből azt tapasztaltam, hogy a földi kapcsolatok irányítása kritikus. A Bluetooth modul földjét a fejhallgató -erősítőhöz kell vezetni a let és a jobb csatornákkal együtt, de akkor az elosztótábla földi csatlakozásának a Bluetooth modulhoz kell mennie, nem a fejhallgató -erősítőhöz, különben sok digitális zajt kap a kimeneti Bluetooth modulból.

A be/ki kapcsolót egy kis szalagdarabra szereltem fel, 6 csík széles, 5 hosszú és 2x4 -es kivágással a kapcsolóhoz. Ez áramellátó táblaként is szolgál. Amikor teljesen be volt kötve, epoxi ragasztóval ragasztottam a kapcsolót a helyére (a szalaglemezzel együtt). Ha újra csinálnám a projektet, gondoskodnék a fejhallgató-erősítő panel kapcsolójáról.

Elég vékony sodrott huzalra van szüksége a bekötéshez, így szétválasztottam egy hosszú szivárványos szalagkábelt, amely különböző színű vezetékeket adott nekem. Általában a vezetékeket egy táblán lévő lyukon kell átvezetni, és a másik oldalon forrasztani, de mivel a doboz alján a különböző modulok a helyükön vannak, a lemez ugyanazon oldalára kellett forrasztanom, mint a huzal, alig több szigeteléssel, mint amire szükség lett volna. Fel kellett szerelnem a szalaglemezt réz felével felfelé, és hasonlóan forrasztani hozzá a csatlakozásokat.

Azt akartam, hogy a töltőn lévő LED-ek és a Bluetooth-modulok láthatóak legyenek, ezért eltávolítottam a fedélzeti SMD LED-eket, és a párnákat 3 mm-es LED-ekre kötöttem. Ezekhez lyukakat fúrtam a dobozba, mivel nem engedélyeztem a 3D nyomtatott dobozban. Forrasztható zománcozott huzallal csatlakoztattam őket a modulok forrasztópadjaihoz. Önfluxáló poliuretánnal van bevonva, amely forrasztópáka hevében megolvad.

A töltőmodulhoz piros/zöld közös anód LED -et használtam. A közös anódot a tábla széléhez legközelebb eső SMD LED párnák bármelyikére kell bekötni (ezt multiméterrel is megerősítheti). Ha a Bluetooth modul SMD LED -del rendelkezik, multiméterrel kell meghatároznia a polaritást. Egyes modulok külső LED -hez vannak csatlakoztatva.

Mielőtt behelyezte a fejhallgató-erősítőt a dobozba a többi modul fölé, szükségesnek találtam kis darab PVC szalagot a Bluetooth modul két elektrolitikus kondenzátorának tetejére és a mini-USB töltőaljzatra, hogy elkerülje a rövidzárlatot a a fejhallgató erősítő alján.

10. lépés: Fejlesztések

Ha ezt termékké akarnám alakítani, akkor kétségtelenül változtatnék néhány dolgon, de miután magamnak készítettem egy olyan eszközt, amely a célomat szolgálja, más projektekhez fogok hozzáállni.

Az áramkör:

• A bipoláris tápegység jobb lehetett. Mivel az opampok által felvett áram kicsi, egy kapacitív szivattyúfeszültség -inverter, mint például a MAX660, könnyen biztosította volna a negatív tápellátást.
• Bipoláris tápellátás esetén az 5 V -os erősítő átalakítóra nincs szüksége az op erősítőknek. Az LM4880 fejhallgató -erősítő a LiPo akkumulátor nyers kimeneti feszültségén működik, bár a maximális kimeneti teljesítmény csatorna 250 mW -ról 100 mW -ra csökken.

A tábla:

• A tábla mérete pont az, ami az elrendezési folyamatból kiderült, de ha 6x6 cm -es méretre vágja le, akkor a doboz kialakítása kicsit könnyebb lett volna.
• Hasonlóképpen, tisztább lett volna, ha a bemeneti és kimeneti 3,5 mm -es jack -vonalokat egy vonalba helyezi, és pontosan a két oldal közepére. Ez megkönnyítené a doboz kialakítását is.
• Egyszerű lett volna beépíteni a LiPo töltőáramkört. A 3 - 5 V -os erősítő átalakítóra nincs szükség bipoláris tápegységgel, így 2 külön modult takaríthat meg.
• Egy egyszerű TP4056 töltő használatával az akkumulátor túltölthető, ha bekapcsolt egységgel próbálja tölteni. A kissé kifinomultabb töltők egy egyszerű védelmi áramkört tartalmaznak, amelyet érdemes lenne beépíteni.
• A fenti módosításokkal a kapcsolót fel lehet szerelni a táblára. A kapcsoló 3D nyomtatott dobozba történő felszerelésének módja nem volt ideális.
• A 2 pólusú 3 utas kapcsoló lehetővé teszi, hogy a Bluetooth modul csak szükség esetén kapjon áramot.

A doboz:

• A modulok 2 rétegben történő felszerelése megnehezítette az összeszerelést a kelleténél, és egy vékonyabb, de nagyobb doboz jobban illeszkedett a zsebébe.
• A kapcsoló véletlenül könnyen bekapcsolható. Ennek megakadályozása érdekében egyszerű lett volna védőburkolatokat bevonni a 3D nyomtatási tervbe.

Egyéb alkalmazások:

Ha esetleg audiofilként szeretne egy kiegyenlített fejhallgató -erősítőt, amely egyszerre növeli és csökkenti a különböző frekvenciákat, akkor lényegében ugyanazt a kialakítást használhatja.

A lendület és a vágás érdekében szüntesse meg az R113, R123, R133 és R213, R223, R233 (vagy cserélje ki 0Ω -os ellenállásokat), és cserélje ki a trimpotokat 10k -ra (ha kívánja, csúsztatható edényeket).

Annyi példányt adhat hozzá a generátor áramkörhöz, amennyire szüksége van.