Digitální nízkofrekvenční zesilovač s univerzálními vstupy

Rok / Year: 2012

Svazek / Volume: 14

Číslo / Issue: 4

Digitální nízkofrekvenční zesilovač s univerzálními vstupy Digital audio amplifier with universal inputs Pavel Svadbík, Tomáš Kratochvíl [email protected], [email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.

Abstrakt: Tento článek popisuje návrh digitálního nízkofrekvenčního zesilovače, který obsahuje vstupy pro příjem různých typů digitálních i analogových audio rozhraní a je vybaven bezdotykovým uživatelským rozhraním. V článku je popsáno blokové zapojení navrženého zesilovače spolu s popisem činnosti dílčích bloků a popisem použitých obvodů pro jejich realizaci. Závěrem je prezentována ukázka funkčního prototypu a jsou diskutovány dosažené parametry a přednosti tohoto digitálního zesilovače.

Abstract: This paper deals with digital audio amplifier with universal inputs and its design. The first part describes modulation and audio formats for audio electronics. The thesis contain design of a block diagram of the digital audio amplifier and describes the requirements for functional blocks. As a basic device for audio signal processing was choosen integrated circuit STA326. The thesis continue with circuits design for each blocks with a description of their principles. The next section describes the construction and firmware for microcontroller. The last part of this diploma thesis is targeted on the presentation of the measured parameters of the amplifier. The conclusion summarizes the results that have been achieved and advantages and disadvantages of the digital audio amplifier prototype.

2012/46 – 16. 7. 2012

Digitální nízkofrekvenční zesilovač s univerzálními vstupy Pavel Svadbík, Tomáš Kratochvíl Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně, Ústav radioelektroniky Email: [email protected], [email protected]

Abstrakt – Tento článek popisuje návrh digitálního nízkofrekvenčního zesilovače, který obsahuje vstupy pro příjem různých typů digitálních i analogových audio rozhraní a je vybaven bezdotykovým uživatelským rozhraním. V článku je popsáno blokové zapojení navrženého zesilovače spolu s popisem činnosti dílčích bloků a popisem použitých obvodů pro jejich realizaci. Závěrem je prezentována ukázka funkčního prototypu a jsou diskutovány dosažené parametry a přednosti tohoto digitálního zesilovače.

1 Úvod Cílem tohoto článku je stručně popsat návrh plně digitálního audio zesilovače, který by umožňoval připojení zdrojů audio signálu se všemi typy nejpoužívanějších rozhraní. Díky digitálnímu zpracování signálu je v zesilovači implementována řada audio efektů a široká možnost konfigurace zesilovače. Zesilovač, jako celek, bude tvořit moderní a z hlediska možnosti připojení jakéhokoliv zdroje signálu, také univerzální audio komponent. Pro konstrukci zesilovače bude využita běžná, avšak moderní součástková základna. Kompletní detailní popis postupu návrhu, technického a programového řešení a detailního rozboru tohoto projektu je popsán v [1]. Digitální nízkofrekvenční zesilovače se od analogových spínaných zesilovačů liší především přístupem ke zpracování signálu. Spínané zesilovače pracují s analogovým audio signálem, který je řadou obvodů zpracováván pro dosažení nejrůznějších audio efektů. Takto upravený analogový signál je poté modulován k dosažení výstupního signálu PWM (Pulse Width Modulation). Digitální zesilovače ovšem nepracují s analogovým signálem, ale výhradně se signálem digitálním. V případě vstupního analogového audio signálu, je tento signál ihned převeden na signál digitální (nejčastěji ve formátu I2S – InterIC Sound či S/PDIF – Sony/Philips Digital InterFace), který je dále pomocí propracovaných algoritmů zpracováván. Výstupem tohoto zpracování je přímo signál PWM, který je dále zesílen a filtrován již stejným způsobem, jako tomu je u analogových spínaných zesilovačů. Významnou výhodou digitálních audio zesilovačů, oproti zesilovačům analogovým, je především možnost implementace široké škály audio efektů, vysoká účinnost a díky mikroprocesorovému řízení a propracovanému uživatelskému rozhraní také vysoký uživatelský komfort. Digitální zesilovače mají však i řadu nevýhod, mezi které patří např. kvantizační šum či numerické chyby vzniklé zaokrouhlováním. Nabídka digitálních audio zesilovačů na trhu je poměrně jednotvárná. Většina nabízených zesilovačů je vybavena pouze jedním či dvěma typy vstupního audio rozhraní (např. op-

tické/koaxiální rozhraní standardu S/PDIF či nesymetrické/symetrické analogové rozhraní). V naprosté většině zesilovačů je uživatelské rozhraní tvořeno běžnými mechanickými ovládacími prvky, jako jsou běžná mechanická tlačítka, potenciometry či rotační kodéry. Mezi základní požadavky na navrhovaný audio zesilovač patří tedy především vybavení nejpoužívanějšími audio rozhraními. V současné době jsou nejpoužívanějšími rozhraními nesymetrické a symetrické analogové rozhraní a digitální rozhraní standardu S/PDIF s optickým a koaxiálním přenosovým médiem. Dále je hojně rozšířena možnost připojení audio zařízení k PC prostřednictvím rozhraní USB (Universal Serial Bus). Mezi další požadavky dále patří eliminace jakýchkoliv mechanických ovládacích prvků, které budou nahrazeny bezdotykovou technologií. V tomto článku bude tedy popsán návrh mikroprocesorem řízeného digitálního zesilovače, který bude vybaven všemi výše uvedenými audio vstupy a bezdotykovým uživatelským rozhraním. Při návrhu je kladen důraz na vysokou účinnost zesilovače, nízký klidový příkon, široké možnosti audio efektů a v neposlední řadě také na jednoduché a přehledné ovládání.

2 Blokové schéma digitálního zesilovače Blokové schéma navrhovaného digitálního zesilovače je uvedeno na obrázku 1.

Obrázek 1: Blokové schéma digitálního nf. zesilovače s univerzálními vstupy (převzato z [1]) Prvními bloky v signálovém řetězci jsou jednotlivé převodníky vstupních audio rozhraní na digitální signály standar-

46 – 1

VOL.14, NO.4, AUGUST 2012

2012/46 – 16. 7. 2012

du I2S. Konkrétně se jedná o převodník z rozhraní USB, optický a koaxiální převodník standardu S/PDIF a nesymetrický a symetrický A/D převodník. Tyto jednotlivé převodníky jsou připojeny k tzv. vstupní jednotce, která zajišťuje korektní spuštění a provoz vždy pouze jednoho z převodníků. Jedná se o připojení napájecího napětí, řízení činnosti jednotlivých převodníků a příjem generovaných signálů standardu I2S. Vstupní jednotka na základě požadavku bloku MCU (MicroController Unit) aktivuje jeden z převodníků a přijímané signály standardu I2S připojí k bloku digitálního výkonového zesilovače. V tomto bloku pak probíhá veškeré zpracování dat. Výstupem digitálního výkonového zesilovače je výkonový signál PWM, který je přiveden do LC filtru typu dolní propust. Výstupem tohoto filtru je již výkonově zesílený audio signál, kterým jsou buzeny reproduktory. Všechny funkce zesilovače je možné řídit pomocí uživatelského rozhraní, které je tvořeno kapacitními senzory. Toto rozhraní komunikuje s blokem MCU prostřednictvím řídících signálů a sběrnice I2C (Inter-Integrated Circuit). Na základě požadavku uživatele pak blok MCU dle potřeby konfiguruje další bloky zesilovače. Informace o aktuálním nastavení zesilovače jsou zobrazovány na displeji LCD (Liquid crystal display) a indikačních diodách LED (Light Emitting Diode). Jednotlivé bloky zesilovače jsou napájeny napájecí jednotkou, která je dělena na dvě části. První, tzv. pohotovostní část, slouží pro napájení bloků, které musí být aktivní v režimu Stand-by (blok MCU a blok uživatelské rozhraní). Druhá, tzv. aktivní část, slouží pro napájení všech ostatních bloků, které jsou aktivní v běžném provozu zesilovače. 2.1 Vstupní audio převodníky Pro realizaci jednotlivých převodníků jsou použity obvody od výrobce Texas Instruments. Tyto obvody slouží pro převod daného vstupního audio rozhraní na digitální signály standardu I2S. Pro jednotlivé převodníky byly použity následující obvody:  USB převodník – PCM2706 [2]  Nesymetrický A/D převodník – PCM1802 [3]  Symetrický A/D převodník – PCM1804 [4]  S/PDIF převodník – DIR9001 [5] S/PDIF převodník je vybaven mimo dekódovacím obvodem standardu S/PDIF také řídící logikou pro aktivaci optického či koaxiálního vstupního rozhraní. K napájecímu napětí je tedy připojeno vždy pouze jedno rozhraní, což přispívá ke snížení klidového příkonu zesilovače. Pro toto řízení byly použity analogové spínače TS5A3160 [6]. Převodníky USB a S/PDIF generují mimo signály standardu I2S také hlavní taktovací signál, jehož frekvence je 256násobkem základní vzorkovací frekvence. Tento signál slouží pro taktování bloku digitálního výkonového zesilovače. Jednotlivé A/D převodníky tento signál negenerují, naopak je nutné je taktovat signálem, jehož frekvence je opět 256násobkem vzorkovací frekvence A/D převodníků (fVZ = 96 kHz). Frekvence taktovacího signálu je tedy fCLK = 24,576 MHz. Tento signál generuje vstupní jednotka. Pro korektní aktivaci jednotlivých A/D převodníků je nutné nejdříve začít obvod taktovat a poté připojit napájecí napětí. Jedině v takovémto případě dojde ke korektní aktivaci převod-

níku. Dodržení této podmínky je opět úkolem vstupní jednotky. Z pohledu konstrukce je každý převodník vybaven pouze jediným konektorem, ve kterém je obsaženo napájecí napětí, výstupní signály standardu I2S a potřebné řídící signály. Tímto jediným konektorem je každý převodník připojen přímo do vstupní jednotky, která zajišťuje jejich veškeré řízení. 2.2 Vstupní jednotka Vstupní jednotka je jedním z hlavních bloků zesilovače. Tato jednotka zajišťuje korektní činnost jednotlivých převodníků. Úkoly této jednotky jsou následující: 

Připojování napájecího napětí k jednotlivým převodníkům na základě požadavku bloku MCU  Připojování výstupních signálů jednotlivých převodníků k bloku digitálního výkonového zesilovače na základě požadavku bloku MCU  Generování taktovacího signálu pro taktování jednotlivých A/D převodníků  Dodržení podmínky začátku taktování před připojení napájení jednotlivých A/D převodníků  Generování řídícího signálu pro přepínání typu rozhraní převodníku S/PDIF Pro připojování napájecího napětí k jednotlivým převodníkům byly použity analogové spínače ADG1611 [7] od výrobce Analog Devices. Připojování signálů standardu I2S k bloku digitálního výkonového zesilovače zajišťují širokopásmové analogové spínače TS3A4751 [8] od výrobce Texas Instruments. Pro generování taktovacího signálu slouží obvod PLL1707 [9] (výrobce Texas Instruments). Tento obvod je nakonfigurován pro generování taktovacího signálu o frekvenci fCLK = 24,576 MHz. Tato frekvence je 256násobkem vzorkovací frekvence A/D převodníků. Tímto signálem jsou taktovány jak jednotlivé A/D převodníky, tak digitální výkonový zesilovač. Odpojováním neaktivních převodníků od napájecího napětí je zajištěno další snížení klidové spotřeby zesilovače. Jelikož je taktovací signál obvodu PLL1707 nutný pouze v případě aktivního symetrického či nesymetrického A/D převodníku, je jeho činnost podmíněna aktivací jednoho z těchto A/D převodníků. Aktivace generátoru taktovacího signálu je založena na vyhodnocení řídících signálů, které slouží pro aktivaci jednotlivých A/D převodníků. Tyto řídící signály jsou vyhodnocovány logickým členem XOR (eXclusive OR), jehož výstup aktivuje generátor taktovacího signálu. Tato aktivace spočívá v připojení napájecího napětí k obvodu PLL1707 a připojení výstupu tohoto obvodu k příslušnému signálu sběrnice I2S. Pro připojování jsou použity širokopásmové analogové spínače TS5A3166 [10] opět od výrobce Texas Instruments. Díky tomuto propracovanému řízení je zajištěno snížení spotřeby všech nevyužívaných bloků na minimální možnou hranici. Veškeré řízení této jednotky probíhá prostřednictvím komunikační sběrnice I2C. Toto rozhraní je tvořeno 8bitovým I2C expandérem PCF8574 [11]. Vstupní jednotka je vybavena konektory, do kterých jsou přímo zasunuty jednotlivé vstupní převodníky. Toto řešení má velkou výhodu zejména v omezení mnohosignálových kabelo-

46 – 2

VOL.14, NO.4, AUGUST 2012

2012/46 – 16. 7. 2012

vých spojů z jednotlivých převodníků. Ze vstupní jednotky je veden pouze jediný datový kabel se signály audio sběrnice I2S a jediný komunikační kabel se signály sběrnice I2C. 2.3 Digitální výkonový zesilovač Blok digitálního výkonového zesilovače je realizován obvodem STA326 [12] od výrobce STMicroelectronics. Tento obvod je vybaven vstupním audio rozhraním I2S. Výstupem obvodu jsou pak výkonově zesílené signály PWM. Veškerá komunikace tohoto bloku s řídícím blokem MCU probíhá prostřednictvím sběrnice I2C. Obvod STA326 se vyznačuje širokými možnostmi audio efektů, mezi které patří např. individuální nastavení zvýraznění (resp. potlačení) nízkých a vysokých kmitočtů, volba z 32 přednastavených křivek ekvalizéru či uživatelsky programovatelné IIR filtry. Obvod STA326 je přes I2C sběrnici nakonfigurován pro poskytování výstupní třístavové modulace PWM do dvou kanálů. Pro zpracování audio PCM (Pulse Code Modulation) vzorků, přivedených prostřednictvím audio sběrnice I2S, je využita plně digitální architektura DDX® (Direct Digital Amplification) firmy Apogee Technology. Jedná se o plně digitální zpracování bez jakéhokoliv zpětného D/A převodu. Vstupní vzorky PCM jsou digitálně zpracovávány pro dosažení signálu PWM, který je následně zesílen. K jedinému převodu na analogový signál dochází bezprostředně před výstupními svorkami zesilovače ve výstupním LC filtru. Pro snížení elektromagnetické interference jsou omezeny délky tras signálů PWM tak, že výstupní LC filtr je umístěn na společné desce plošných spojů ihned u výstupu obvodu STA326. Výstupní konektory pro připojení reproduktorů jsou umístěny taktéž bezprostředně za výstupním filtrem. 2.4 Výstupní LC filtr Pro realizaci výstupního LC filtru byly použity kondenzátory s polyesterovým dielektrikem v bezindukčním provedení. Pro konstrukci cívek tohoto filtru bylo na základě výpočtů zvoleno železoprachové jádro s označením T106-26 [13], které je určeno pro kmitočty (0 ÷ 1) MHz. Na toto jádro bylo navinuto 19 závitů tří paralelně zapojených vf. lanek (45×0,071 mm). 2.5 Uživatelské rozhraní Pro ovládání zesilovače slouží uživatelské rozhraní, které je tvořeno osmi kapacitními senzory (tlačítky). Tato jednotlivá tlačítka jsou tvořena elektrodami vyleptanými přímo na desce plošných spojů. Na základě změny kapacity je možné detekovat stisk, případně i pouhé přiblížení se k jednotlivým tlačítkům. Osm použitých tlačítek plní následující funkce:  Dvojice tlačítek pro listování v položkách menu  Dvojice tlačítek pro změnu hodnoty aktuálně nastavené položky v menu  Tlačítko pro uvedení zesilovače do režimu StandBy  Tlačítko pro umlčení výstupů zesilovače (MUTE)  Dvojice tlačítek pro skokový přístup do menu s nastavením hlasitosti a ekvalizéru

Pro realizaci tohoto kapacitního rozhraní je použit integrovaný kapacitní snímač MPR084 [14] od firmy Freescale Semiconductor. Obvod je softwarově nakonfigurován tak, že snímání stavu jednotlivých tlačítek probíhá v pravidelných intervalech, mezi kterými se obvod nachází v režimu snížené spotřeby. Tímto je docíleno opět určitého snížení klidového příkonu zesilovače, zejména v režimu Stand-By. Uživatelské rozhraní je realizováno tak, aby mohly jednotlivé senzory, které jsou vyleptány na desce plošných spojů, přilnout přímo k čelnímu panelu zesilovače. Osazení jednotlivými součástkami je tedy provedeno pouze z jedné strany, aby nebyly na straně senzorů žádné pájené body či jiné nerovnosti. 2.6 Displej a indikace Pro zobrazování požadovaných informací slouží čtyřřádkový LCD displej s dvaceti znaky na řádku. Displej používá standardní řadič HD44780 [15] firmy Hitachi. Část indikace LED je tvořena sedmi diodami LED. Červená dioda slouží pro indikaci režimu Stand-By. Aktivace této diody je založena na poklesu napájecího napětí v aktivní části napájecí jednotky. Další diodou je žlutá dioda, která indikuje přítomnost audio dat standardu I2S na vstupu digitálního výkonového zesilovače. Tato dioda je připojena přes spínací tranzistor na datový signál (SD – Serial Data) standardu I2S, jehož frekvence je přibližně (1,4 ÷ 3) MHz v závislosti na vzorkovací frekvenci. Při blikání diody s touto frekvencí je vyvolán vjem trvalého svitu. Zbylých pět diod LED slouží pro indikaci zvoleného audio vstupu. Tyto diody jsou řízeny blokem MCU pomocí budiče SN7407 [16]. 2.7 Řídící jednotka MCU Jádrem tohoto bloku, který slouží pro řízení činnosti celého zesilovače, je 8bitový mikrokontrolér ATmega32 [17] vybavený řídícím firmware. Tento blok plní v zesilovači funkci řídícího zařízení (Master). Všechny ostatní bloky zesilovače jsou bloky řízené (Slave). Řídící mikrokontrolér je doplněn převodníky napěťových úrovní pro řízené bloky využívající 3,3V logiku a obvody pro spínání podsvícení LCD displeje a piezosirény. Tato piezosiréna realizuje akustickou zpětnou vazbu stisku tlačítka. Celý program mikrokontroléru se vykonává v nekonečné smyčce, kde je testován příznak přerušení od uživatelského rozhraní (tj. stisku tlačítka). Vývojový diagram hlavního jádra programu je uveden na obrázku 2. Po zapnutí zesilovače dojde k inicializaci všech dílčích bloků zesilovače. Po provedení jednotlivých inicializací program vstupuje do nekonečné smyčky, kde je testován příznak přerušení od uživatelského rozhraní. Pokud je tento příznak nastaven, dojde k obsloužení stisku daného tlačítka. Běh nekonečné smyčky může přerušit interní a externí přerušení. K internímu přerušení od Čítače/Časovače 0 dochází periodicky každých 16,38 ms. V tomto přerušení dochází k inkrementaci pomocné proměnné, která slouží jako čítač s krokem 16,38 ms. Pokud nastane shoda stavu tohoto čítače s definovanou konstantou 3663 (tj. 3663 × 16,38 ms = 1 min), dojde k vypnutí podsvícení LCD displeje. K tomuto periodickému přerušení dochází pouze v době, kdy není prováděna

46 – 3

VOL.14, NO.4, AUGUST 2012

2012/46 – 16. 7. 2012

obsluha stisku tlačítka. K externímu přerušení od uživatelského rozhraní dojde při stisku jakéhokoliv tlačítka. V tomto přerušení dojde ke zjištění a uložení naposledy stisknutého tlačítka a nastavení příznaku od uživatelského rozhraní.

2.8 Napájecí jednotka Pro realizaci pohotovostní části napájecí jednotky byl z volen transformátor o nízkém výkonu PEI = 3,2 VA. Pro vytvoření potřebných napájecích napětí bylo s ohledem na účinnost zvoleno kaskádní zapojení spínaného stabilizátoru LT3470 [18] a lineárního stabilizátoru LE33CD [19]. Aktivní části napájecí jednotky je realizována toroidním transformátorem o výkonu PTOR = 150 VA. Usměrňovač je tvořen výkonovým usměrňovacím můstkem a velkokapacitními vyhlazovacími kondenzátory. Pro vytvoření potřebných napájecích napětí pak bylo přistoupeno opět ke kaskádnímu zapojení dvou stabilizátorů. Jedná se o spínaný stabilizátor LT1076 [20] a lineární stabilizátor LF33CDT [21]. Napájecí jednotka komunikuje s blokem MCU prostřednictvím dvou řídících signálů. První signál slouží pro připojení aktivní části napájecí jednotky (toroidního transformátoru) k napájecí síti 230 V. Druhý signál pak slouží pro přemostění výkonového rezistoru, který zajišťuje tzv. „měkký start“ toroidního transformátoru.

3 Funkce a možnosti zesilovače

Obrázek 2: Vývojový diagram hlavního jádra programu (převzato z [1])

Mimo běžných funkcí zesilovače, jako jsou například volba z přednastavených křivek ekvalizéru a zvýraznění čí potlačení nízkých a vysokých kmitočtů, patří zejména programovatelný audio kompresor a možnost nastavení zisku zesilovače. Díky možnosti nastavení zisku, lze zesilovač přizpůsobit ke konkrétní reprosoustavě, respektive ke konkrétnímu zdroji signálu. Při aktivaci audio kompresoru je možné nastavit jak jednotlivé reakční hranice, tak rychlosti (resp. časy) reakcí audio kompresoru. Pří vývoji řídícího firmware byl kladen důraz především na jednoduchost menu. Z tohoto důvodu bylo zvoleno jednoúrovňové menu, kde na prvním řádku je zobrazována nastavená položka menu a na zbylých řádcích je zobrazena interpretace nastavené hodnoty dané položky. Způsob interpretace závisí na aktuální položce v menu. V případě položky pro nastavení hlasitosti se jedná o zobrazení jak číselné hodnoty, tak řádkového grafu (viz obrázek 3a). U položky pro nastavení nízkých či vysokých kmitočtů se jedná opět o zobrazení hodnoty a tentokrát ukazatele v grafu (viz obrázek 3b). U jiných položek se pak jedná pouze o textové či číselné zobrazení (viz obrázek 3c,d).

V obsluze naposledy stisknutého tlačítka dochází k vykonávání dalších funkcí na základě typu stisknutého tlačítka, nastavené položky v menu a na základě režimu zesilovače. Při uvedení zesilovače do režimu Stand-By je volána speciální funkce, která provede uložení nastavení zesilovače do paměti EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), odpojí aktivní část napájecí jednotky a zastaví jádro procesoru (režim snížené spotřeby „Idle“). Po stisku jakéhokoliv tlačítka dojde k opětovnému „probuzení“ zesilovače a následuje inicializace dílčích bloků podobně jako tomu je na začátku hlavního jádra programu. V řídícím firmware je implementovaná řada dalších funkcí, jako např. zobrazování řádkového grafu, detekce trvalého stisku tlačítka pro cyklické opakování akce či implementace efektové uvítací animace.

46 – 4

a)

b)

c) d) Obrázek 3: Fotografie LCD displeje se zobrazeným menu (převzato z [1])

VOL.14, NO.4, AUGUST 2012

2012/46 – 16. 7. 2012

4 Dosažené parametry Na zrealizovaném prototypu zesilovače bylo provedeno detailní měření jak z hlediska energetické účinnosti a klidového příkonu, tak z hlediska audio parametrů. Klidový příkon zesilovače činí P = 1,2 W. Tento příkon je dán z velké částí samotným transformátorem, který je použit v pohotovostní části napájecí jednotky. Klidová spotřeba připojených bloků je díky propracovanému systému řízení snížena na minimum. Z hlediska audio parametrů bylo dosaženo u digitálních audio rozhraní odstupu signálu od šumu SNR = 107 dB a separace kanálů až 120 dB. Napěťová úroveň šumu v nevybuzeném kanálu byla UN = 67 µV. U analogových vstupů byla dosažena přebuditelnost nesymetrického rozhraní LAN = 6 dBu, u symetrického rozhraní pak LAS = 7 dBu. Přehled nejdůležitějších parametrů, které byly změřeny při buzení nesymetrického analogového rozhraní je uveden v tabulce 1. Tabulka 1: Základní parametry zesilovače při buzení nesymetrického analogového rozhraní [1] Parametr Hodnota SNR 85,6 dB RIN 29,5 kΩ ROUT 1,1 Ω UINmax (f = 1 kHz, THD+N = 1 %, RZ = 8 Ω) 1,55 V POUTmax (f = 1 kHz, THD+N = 1 %, RZ = 8 Ω) 30,0 W THD+N (f = 1 kHz, POUT = 1 W) 0,18 % THD+N (f = 1 kHz, POUT = 20 W) 0,30 % Separace kanálů (f = 1 kHz, POUT = 20 W) –105 dB Separace kanálů (f = 20 kHz, POUT = 20 W) –82 dB B (POUT = 1 W) 27 kHz B (POUT = 20 W) 20 kHz η (POUT = 30 W) 82 % Příkon zesilovače v režimu Stand-By 1,2 W

5 Konstrukce zesilovače Z pohledu konstrukce je netradičně řešen čelní panel zesilovače. Díky eliminaci mechanických prvků se v čelním panelu nenachází jediný otvor. Panel je tvořen pouze dvěma transparentními plexiskly, mezi kterými je vložena fólie s vytisknutými motivy tlačítek a potřebnými texty. Způsob složení tohoto panelu je uveden na obrázku 4.

Obrázek 4: Způsob složení čelního panelu (převzato z [1]) Dotyk, respektive přiblížení se k danému tlačítku, je díky kapacitní technologii detekován přes celou strukturu čelního panelu. Díky transparentnosti použitých plexiskel, není nutný otvor pro LCD displej či indikační diody LED. Čelní panel je tak tvořen absolutně hladkou plochou. Vnitřní plexisklo slouží pro mechanické uchycení uživatelského rozhraní, LCD displeje a indikační části. Díky vnějšímu ochrannému plexisklu se čelní panel stává maximálně odolným vůči znečištění či po-

škození, což značně přispívá k prodloužení životnosti zesilovače. Mezi jistou výhodu této konstrukce čelního panelu lze také zařadit jednoduchost případné změny motivu panelu. Prostou výměnou fólie mezi plexiskly lze docílit řady vzhledů čelního panelu zesilovače.

6 Závěr Digitální zesilovač, který byl v tomto článku popsán, může díky své koncepci najít uplatnění v široké oblasti nízkofrekvenční a audio elektroniky. Zesilovač se vyznačuje především svou univerzálností. Z pohledu signálového řetězce lze audio zesilovač označit za jakýsi mezičlánek mezi zdrojovým zařízením (zdrojem audio signálu) a koncovým zařízením (reproduktory). Zesilovač má tedy určité vstupní a výstupní rozhraní. Z tohoto pohledu lze konstatovat, že navržený zesilovač je plně univerzální a lze ho připojit k jakémukoliv analogovému či digitálnímu signálu. Zesilovač je také možné připojit prostřednictvím USB portu k PC. V takovém případě se chová jako externí zvuková karta a přijímá veškerá audio data. Svou univerzálností se zesilovač vyznačuje i z pohledu výstupního rozhraní, tedy z pohledu připojených reproduktorů. Díky možnosti měnit zisk zesilovače, může být zesilovač přizpůsoben k jakékoliv reprosoustavě. Nastavení hlasitosti pak lze vždy využívat v celém rozsahu, aniž by došlo k přebuzení připojené reprosoustavy. Další předností tohoto zesilovače je uživatelský komfort. Tento zesilovač využívá pro ovládání moderní bezdotyková tlačítka. Díky jednoduchému, ale propracovanému menu zobrazovaného na čtyřřádkovém LCD displeji, je ovládání tohoto zesilovače velmi intuitivní. Co se týče audio parametrů zesilovače, je určitým negativním výsledkem především velikost harmonického zkreslení a šířka pásma zesilovače. Velikost harmonického zkreslení dosahovala při vyšších frekvencích hodnoty téměř THD+N = 0,7 %. Příčina vzniku tohoto zkreslení byla zjištěna ve výstupním LC filtru zesilovače. Vznik tohoto zkreslení lze minimalizovat použitím kvalitnějších cívek výstupního LC filtru (nejlépe s použitím profesionálního vf. lanka), které jsou však značně finančně náročné. Šířka pásma zesilovače při jmenovitém výkonu POUT = 20 W a poklesu výstupní napěťové úrovně o 3 dB činila B = 20 kHz. Na horním mezním kmitočtu fhm = 20 kHz dochází tedy k poklesu výstupního výkonu na jednu polovinu. Tyto výsledky omezují použití zesilovače do kvalitativně méně náročných aplikací. Na obrázku 7 je uvedena fotografie otevřeného zesilovače s graficky vyznačenými jednotlivými bloky, které korespondují s dílčími bloky na obrázku 1. V červeně vyznačeném poli se nachází vstupní jednotka, která tvoří vstupní část zesilovače. Bezprostředně vedle této jednotky je umístěn blok digitálního výkonového zesilovače (žluté pole), který tvoří výstupní část zesilovače. Tímto umístěním je dosaženo minimalizace délky signálové trasy audio sběrnice. Propojení těchto bloků je jediným místem, kde je vedena audio sběrnice I2S. Veškeré ostatní propojení bloků je tvořeno komunikačními sběrnicemi a datovými kabely. Z obrázku lze vidět umístění uživatelského rozhraní, LCD displeje a indikační části přímo na čelním panelu zesilovače. Největší část prostoru zesilovače obsazuje napájecí jednotka, především díky použití rozměrného výkonného

46 – 5

VOL.14, NO.4, AUGUST 2012

2012/46 – 16. 7. 2012

toroidního transformátoru a precizních velkokapacitních vyhlazovacích kondenzátorů. Na obrázku 5 a na obrázku 6 jsou uvedeny fotografie kompletně zrealizovaného zesilovače. Z obrázku 6 je patrný způsob indikace zvoleného vstupu a indikace zpracování dat.

Literatura [1]

[2] [3] [4] [5] [6] [7] Obrázek 5: Fotografie zrealizovaného prototypu zesilovače (převzato z [1])

[8] [9] [10] [11]

Obrázek 6: Fotografie čelního panelu zesilovače při aktivním nesymetrickém analogovém rozhraní (převzato z [1]) Závěrem stojí za zmínku hodnota klidového příkonu zesilovače P = 1,2 W. Jak již bylo zmíněno, tato hodnota je dána z velké části klidovým příkonem transformátoru, který je použit v pohotovostní části napájecí jednotky. Při budoucí realizaci tohoto zesilovače by bylo tedy vhodné zvážit, jak velký důraz je kladen na klidovou spotřebu zesilovače v dané aplikaci. Pro snížení tohoto klidového příkonu by bylo vhodné na místo použitého transformátoru zvolit spínaný napájecí zdroj s nižším klidovým příkonem.

[12]

[13]

[14]

Poděkování

[15]

Tento příspěvek vzniknul za podpory projektu CZ.1.07/2.3.00/20.0007 WICOMT, financovaného z operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

[16] [17]

46 – 6

SVADBÍK, P. Digitální nízkofrekvenční zesilovač s univezálními vstupy. Brno: VUT v Brně, FEKT. Ústav radiolektroniky, 2012. 94 s, 32 s. příloh. Diplomová práce. Texas Instruments [online]. 2009 [cit. 2011-02-11]. Datasheet PCM2706. Dostupné na WWW: . Texas Instruments [online]. 2009 [cit. 2011-01-20]. Datasheet PCM1802. Dostupné z WWW: . Texas Instruments [online]. 2009 [cit. 2011-01-20]. Datasheet PCM1804. Dostupné z WWW: . Texas Instruments [online]. 2006 [cit. 2011-11-30]. Datasheet DIR9001. Dostupné z WWW: . Texas Instruments [online]. 2006 [cit. 2011-07-15]. Datasheet TS5A3160. Dostupné z WWW: . Analog Devices [online]. 2009 [cit. 2011-11-28]. Datasheet ADG1611. Dostupné z WWW: . Texas Instruments [online]. 2006 [cit. 2011-07-19]. Datasheet TS3A4751. Dostupné z WWW: . Texas Instruments [online]. 2002 [cit. 2011-11-28]. Datasheet PLL1707. Dostupné z WWW: . Texas Instruments [online]. 2005 [cit. 2011-11-29]. Datasheet TS5A3166. Dostupné z WWW: . NXP [online]. 2002 [cit. 2011-10-20]. Datasheet PCF8574. Dostuné z WWW:. STMicroelectronics [online]. 2010 [cit. 2011-02-10]. Datasheet STA326. Dostupné z WWW: . GES Electronics [online]. 2011 [cit. 2011-04-18]. Materiál 26. Dostupné z WWW: . Freescale Semiconductor [online]. 2010 [cit. 201105-21]. Datasheet MPR084. Dostupné z WWW: . HITACHI [online]. 1998 [cit. 2012-04-17]. Datasheet HD44780. Dostupné z WWW: . Texas Instruments [online]. 2004 [cit. 2012-03-20]. Datasheet SN7407. Dostupné z WWW: . Atmel Corporation [online]. 2011 [cit. 2012-03-20]. Datasheet ATmega32. Dostupné z WWW: .

VOL.14, NO.4, AUGUST 2012

2012/46 – 16. 7. 2012

[18] Linear Technology [online]. 2009 [cit. 2011-09-13]. Datasheet LT3470. Dostupné z WWW: . [19] STMicroelectronics [online]. 2005 [cit. 2011-10-02]. Datasheet LE33CD. Dostupné z WWW: .

[20] Linear Technology [online]. 2007 [cit. 2011-11-29]. Datasheet LT1076. Dostupné z WWW: . [21] STMicroelectronics [online]. 2008 [cit. 2011-11-29]. Datasheet LF33CDT. Dostupné z WWW:
Obrázek 7: Grafické znázornění jednotlivých bloků v prototypu zesilovače

46 – 7

VOL.14, NO.4, AUGUST 2012