суббота, 9 марта 2013 г.

1. Все должно собираться из того что есть, чтобы решить проблему «сегодня» (супердорогие операционные усилители отпадают)
2. Питание строго от USB, никаких нестандартных блоков питания и тем более батареек
3. Качество должно быть лучше того, что может услышать человек
4. Как следствие из пункта 3 — конденсаторы на пути аудио-сигнала — это проблема (хоть и решаемая). Пленочные конденсаторы дорогие и редкие, а с электролитами тут всегда непросто.
5. Отсутствие потенциометра регулятора громкости — они шумят (при вращении / просто от старости) и вообще ненадежны.

Существующие конструкции:

1. Вот например недавняя статья Усилитель для наушников просто и быстро — в статье тактично опущен вопрос с питанием :-) Также, после чтения соответствующих статей понятно, что на операционных усилителях строить нормальные усилители не просто — много нюансов (впроде самовозбуждения, смещения 0, входящего тока и ограничений на входное сопротивление). Ну и в целом — операционные усилители требуют двухполярного питания, из USB его делать — нужна еще одна микросхема и отладка.

2. USB-ЦАП также отпадают из-за доступности и в целом «железная» звуковая карта мне больше нравится.

3. Готовые портативные усилители — помимо ожидания, нужно верить, что там внутри ни на чем не сэкономили. Кстати чип внутри этого FiiO E3 — функциональный аналог того что у меня, разница в том, что MAX9724 может от 5В работать, а LM4917 — 3.3В максимум (что также ограничивает применимость для 300-омных наушников).

Решение

Очевидно, я достал свою MAX9724 — содержит внутри генератор двухполярного напряжения (делает -5В из 5В) и 2 операционных усилителя, заточенные под усиление звука. По качеству — искажения THD+N по типовой схеме включения в моих условиях порядка 0.04% (не каждый услышит искажения даже в 0.5%). Схема не требует наличия конденсаторов на выходе, т.к. сигнал усиливается сразу «относительно земли» — что резко снижает количество возможных мест потери качества. 

Этот уровень искажений (0.04%) можно еще снизить — в типовой схеме 2 конденсатора генератора отрицательного напряжения с номиналом 1мкф, и по графику при повышении емкости до 2.2мкф существенное снижение искажений. Я поставил около 20мкф керамических конденсаторов во все 3 места (генератор напряжения + питание), и думаю могу рассчитывать на параметры лучше, чем в типовой схеме 


Схема простая как валенок. Стоит обратить внимание только на резисторы, они задают коэффициент усиления, в данном случае 2 (20кОм/10кОм). Если у вас наушники на 150-300 ом, можно поставить 40ком вместо 20, тогда максимальный размах сигнала на выходе усилителя будет 8В, чего должно хватить с запасом. Также на схеме в даташите указаны конденсаторы на входе — их я убрал, т.к. из моей звуковой карты уже идет сигнал относительно нуля, и срезать лишние низы/вносить искажения конденсаторами мне ни к чему. Как результат — усилитель усиливает сигналы от 0Гц (но конечно звуковая карта имеет свои ограничения).


Односторонняя разводка тривиальна, стоит обратить внимание только на 2 перемычки, а также то, что разъемы USB и аудио на «обратной» стороне платы.

Собираем

Микросхема хоть и выглядит хардкорной, легко паяется с помощью магии поверхностного натяжения (все мажем жидким флюсом ЛТИ-120, и припой сам залезает только на ножки). Конденсаторы тут со сломанного компьютерного железа — в аудиотракт их конечно ставить нельзя, но для питания все ок. В каждое из трех мест — кучка больших (по 4.7-10мкФ), и 1 маленький (0.1мкФ) — чтобы их резонансные частоты не совпадали.


Схема получилась весьма компактная. Конденсатор в центре — подключен на питание 5В от USB. При подключении к порту компьютера 1000мкФ конечно перебор, стандарт разрешает только 10мкФ, но обычно все работает. 

Качаем архив с проектом для Eagle и нужными библиотеками.


Высокотехнологичный корпус из изоленты. Изначально плату делал под термоусадочную трубку — но буквально миллиметра не хватило, не влезло. Ну, тем не менее, мне нравится. 

Цена вопроса

Кусочек одностороннего текстолита: 2 рубля
MAX9724 — 7.78 рублей
4 резистора — 0.07*4 = 0.28 рубля
Конденсаторы — 0 (даже если покупать, ~30 рублей макс.)
Разъемы — 0 (если покупать, ~20-30 рублей )
Изолента для хайтек корпуса — 1 рубль

Итого — это ровно 11.06 рубля для меня, и порядка 61.06 рублей если все покупать :-)

Результаты

Конечно, я сразу наткнулся на известную проблему: при работе с аудио к одной земле нельзя подключаться в двух местах (земля USB и земля звукового разъема). В этом случае по земле пролазят помехи, которые отфильтровать невозможно, и никакой стабилизатор питания тут не поможет. (проблема в том, что у USB — свой уровень земли, у звука — свой, и у нашей платы свой. В зависимости от потребляемого тока земля приподнимается везде по разному и это дает неустранимую помеху).

Решить эту проблему можно или избавившись от звукового подключения (USB DAC) или от питания (аккумулятор или другой блок питания). Использование блока питания с USB выходом меня полностью устроило в связи с тем что они везде есть и стандартны. 

Конечный результат — выше любых ожиданий. Никаких нареканий на качество, абсолютный 0 шума, комфортный уровень громкости — от 22 до 40%, и запас для «вытягивания» тихих записей. Звук смачнее (главное помнить, что басы тут от 0Гц) и все такое, да и вообще — аудиодевайсы сделанные своими руками всегда особенно хорошо звучат :-)

От готовых китайских девайсов (вроде того-же FiiO E3) отличает более низкая цена (sic!), сборка с комплектующими «с запасом», отсутствие конденсаторов в аудио тракте, большая мощность при работе с высокоомными наушниками (300 Ом) за счет более высокого напряжения питания ну и качество звука в теории обещает быть выше (на практике я бы вероятно не услышал разницы).

Posted by Автор: mp3user на 22:57
Categories:
0 коммент.  

Шаг 1. Электрическое поле

С позиции физики электрическое поле — это некоторая материя, которая существует «рядом» с заряженными телами. Следует отметить, что такие термины как материя, тело и заряд обсуждаться здесь не будут, т.к. это темы дискуссий на грани физики и философии. Следует лишь уяснить, что это всё связано с явлением электричества и соответственно под зарядом понимается электрический заряд. Для большей наглядности можно взглянуть на рисунок ниже.




На картинке размещено два объекта — шарики. Каждый шарик обладает особой характеристикой — зарядом. Данный заряд может быть либо положительным, либо отрицательным. Эти два шарика взаимодействуют друг с другом через электрическое поле, которое находится «вокруг» них. В этом и проявляется сущность электрического поля: оно обусловлено существованием определённых электрических сил между заряженными телами. Данные силы таковы, что если у шариков заряды одинакового знака, то они друг от друга будут отдаляться, если разного, то наоборот — приближаться. Более подробно вопрос можно изучить в физических учебниках по тематике закона Кулона и электростатического поля. 


Для удобства, электрическое поле характеризуют специальной величиной — напряжённостью. Она нужна для того, чтобы сравнивать какое поле «сильнее», а какое «слабее». То, по каким формулами рассчитывается и в каких единицах измеряется в данном случае не важно. Главное то, что чем больше напряжённость электрического поля, тем «сильнее» оно действует на заряженное тело. Также данная характеристика поля имеет направление. В этом случае говорят, что напряжённость — векторная величина, поскольку вектор обычно имеет какое-то направление. Направление необходимо знать, чтобы определить в какую сторону будет поле «толкать» заряженное тело. Прояснить ситуацию можно с помощью рисунка и одной формулы.




На картинке один шарик, помещённый в электрическое поле. В данном случае не важно какими заряженными телами поле было образовано. Поле характеризуется напряжённостью, которая имеет определённое направление. Шарик имеет определённый заряд какого-то знака. Формула, приведённая на рисунке, говорит о том, что если заряд шарика положителен, то поле его «толкает» вперёд (говорят по полю), если отрицателен, то против поля.


Простейшим примером реальных заряженных тел является электрон. Который, являясь чисто квантовым объектом и «живя» по «волшебным» законам, в некотором приближении можно считать шариком, для которого справедливы все рассуждения выше. Заряд у электрона отрицательный, поэтому он «летит» против поля.


Помимо всего прочего, кроме напряжённости, которая описывает силовые характеристики электрического поля, вводят ещё одну характеристику — потенциал. Потенциал является энергетической характеристикой. Энергия в физике вообще штука интересная и её понимание тоже относится к разряду философско-физических дискуссий. Из-за своих свойств она очень удобна для математических расчётов. Останавливаться на этом вопросе здесь не будем.


Потенциал описывает энергетические свойства каждой точки, где есть поле и в общем случае для каждой точки он разный. Особый интерес представляет разность потенциалов. Между разностью потенциалов и напряжённостью поля есть связь. Суть данного понятия можно уяснить из рисунка ниже. Разность потенциалов обычно именуют напряжением (не путать с напряжённостью). Это не совсем то напряжение, которое меряют в электрических цепях с помощью вольтметра, хотя некоторая связь есть. Опять-таки все тонкости можно извлечь из учебников по физике.




В физике любое движение заряженных тел, имеющее чёткое направление, называют током. В данном случае — электрическим током. Очень важно, что движение заряженных тел может происходить не только из-за действия поля на них. По причине того, что существует выделенное направление, ток также имеет какое-то направление. Исторически сложилось, что для движения заряженных отрицательно частиц ток считают направленным в обратную сторону. Подробнее об этом на рисунке. 




На практике, обычно используют величину — сила тока, которую просто называют ток, и которая измеряется в Амперах. Эта величина описывает то, как много заряженных тел «пролетает» в единицу времени через определённую область (сечение материала). Связь между током (силой тока) и напряжением определяется законом Ома (формула на картинке). Эти две величины связывает коэффициент, который называют сопротивлением. Данный коэффициент характеризует материал и различные физические явления, которые сопровождают течение тока в этом материале. Обычно сопротивление это просто какое-то число, хотя бывают и более сложные случаи. Об этом можно почитать в учебниках. Иногда для удобства используют вместо сопротивления другую величину — проводимость. Разница между ними ясна из названия: чем больше сопротивление у материала, тем у него хуже (меньше) проводимость.


Среди электрических явлений ещё одной очень интересной особенностью является то, что если имеются какие-либо скопления разноимённых зарядов, то между ними возникает электрическое поле (напряжение), это указывает на то, что такая система хранит энергию электрического поля. Данные системы численно характеризуются параметром — электрическая ёмкость. На данном принципе работают популярные электрические устройства — конденсаторы. Не будем вдаваться в нюансы.




Также нужно понимать, что электрические явления есть частный случай проявление электромагнетизма, о котором можно подробнее почитать в литературе, которая приведена в конце статьи. 

Резюме

В основе электроники лежат различные физические явления электрической природы. Наиболее важными понятиями являются электрическое поле заряженных частиц и их электрический ток. Электрическое поле характеризуется напряжённостью и распределением потенциала. Наличие разности потенциалов говорит о наличии электрического поля и наоборот. Под действием каких-либо сил, в том числе и со стороны электрического поля, возникает электрический ток (упорядоченное движение зарядов). Скопления разноимённых зарядов хранят энергию электрического поля и характеризуются электрической ёмкостью (конденсаторы).

Posted by Автор: mp3user на 22:53
Categories:
0 коммент.