VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PŘEPÍNAČ STEREOFONNÍCH NÍZKOFREKVENČNÍCH SIGNÁLŮ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV MIKROELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF MICROELECTRONICS

PŘEPÍNAČ STEREOFONNÍCH NÍZKOFREKVENČNÍCH SIGNÁLŮ SWITCH STEREO LOW FREQUENCY SIGNALS

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE

VÁCLAV LUKESLE

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2012

Ing. EDITA HEJÁTKOVÁ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav mikroelektroniky

Bakalářská práce bakalářský studijní obor Mikroelektronika a technologie Student: Ročník:

Václav Lukesle 3

ID: 125119 Akademický rok: 2011/2012

NÁZEV TÉMATU:

Přepínač stereofonních nízkofrekvenčních signálů POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Navrhněte a zrealizujte nízkofrekvenční stereofonní přepínač signálů se 4 vstupy. Každý z nich bude vybaven předzesilovačem pro nastavení citlivosti. Přepínač bude doplněn o desetipásmový ekvalizér umožňující korekci signálu ve frekvenčním rozsahu 20 Hz - 20 kHz. Napájecí napětí bude 230 V/ 50 Hz. Celé zařízení bude podrobně zdokumentováno.

DOPORUČENÁ LITERATURA: Podle pokynů vedoucího práce Termín zadání:

6.2.2012

Termín odevzdání:

31.5.2012

Vedoucí práce: Ing. Edita Hejátková Konzultanti bakalářské práce:

doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D. Předseda oborové rady

UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

Abstrakt Práce se zabývá návrhem a realizací nízkofrekvenþního pĜedzesilovaþe s pĜepínatelnými vstupy a s výstupním ekvalizérem. V úvodu práce se þtenáĜ teoreticky seznámí s jednotlivými principy zesilování signálĤ v nízkofrekvenþní technice. Realizace ekvalizéru využívá tzv. gyrátor pro nastavení rezonanþní frekvence. Na této frekvenci je umožnČno potenciometrem mČnit jakost a tím pĜenosovou charakteristiku obvodu. Výsledkem je pomČrnČ široká variabilita úpravy signálu, vþetnČ jeho výbČru ze þtyĜ možných zdrojĤ. Souþástí práce jsou simulace, namČĜené hodnoty, DPS a rozpiska elektrických souþástek.

Klíþová slova: Nízkofrekvenþní signál, ekvalizér, rezonanþní obvod, gyrátor, simulace, DPS – deska plošných spojĤ

Abstract The work proposes steps for fabricating low-frequency preamplifier including switchable inputs and the output equalizer. In the beginning of the thesis theoretical principles of amplifying the low-frequency signals are introduced. For setting the resonance frequency of equalizer the gyrator filter has been used. By setting the aforementioned frequency and tuning the potentiometer we are able to change the quality factor as well as the gain of the entire circuit. Benefit of this work is a large flexibility for tuning the output signal including a possibility of selection of four various inputs. Simulation and measurement results, PCB and a summary of discrete components are finally attached.

Keywords Low frequency signal, equalizer, resonant circuit, gyrator, simulation, PCB (printed circuit board)

Bibliografická citace: LUKESLE, V. PĜepínaþ stereofonních nízkofrekvenþních signálĤ. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta elektrotechniky a komunikaþních technologií, 2012. 23 s. Vedoucí bakaláĜské práce Ing. Edita Hejátková.

Prohlášení Prohlašuji, že svou bakaláĜskou práci na téma „ PĜepínaþ stereofonních nízkofrekvenþních signálĤ “ jsem vypracoval samostatnČ pod vedením vedoucí bakaláĜské práce s použitím odborné literatury a dalších informaþních zdrojĤ, které jsou všechny uvedeny v seznamu literatury na konci práce.

V BrnČ dne 31.5.2012

............................................ podpis autora

PodČkování DČkuji vedoucí bakaláĜské práce Ing. EditČ Hejátkové za úþinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady pĜi zpracování mé bakaláĜské práce.

V BrnČ dne 31.5.2012

............................................ podpis autora

Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 1 1.

Teoretický rozbor ............................................................................................................... 2

1.1

PĜedzesilovaþe ............................................................................................................. 2

1.1.1 PĜedzesilovaþe ........................................................................................................... 2 1.1.2 Korekþní zesilovaþe .................................................................................................. 2 1.1.3 Výkonové zesilovaþe................................................................................................. 3 1.2 Pasivní frekvenþní filtry ................................................................................................... 4 1.2.1 Integraþní a derivaþní þlánky .................................................................................... 5 1.2.2 Rezonanþní obvody ................................................................................................... 7 1.3 Aktivní frekvenþní filtry ................................................................................................... 8 1.4 Operaþní zesilovaþe .......................................................................................................... 8 1.4.1 Typická zapojení s OZ .............................................................................................. 9 1.4.2 Syntetická indukþnost ............................................................................................. 10 2.

Popis zapojení .................................................................................................................. 11

2.1 PĜedzesilovaþ .................................................................................................................. 11 2.2 Výstupní ekvalizér .......................................................................................................... 13 2.3 Indikace vybuzení ........................................................................................................... 15 2.4 Zdroje napČtí ................................................................................................................... 17 2.4.1 Zdroj symetrického napČtí ....................................................................................... 17 2.4.2 Zdroj nesymetrického napČtí ................................................................................... 17 2.5 Desky plošných spojĤ ..................................................................................................... 18 3.

MČĜení .............................................................................................................................. 19

4.

Mechanické provedení ..................................................................................................... 20

5.

ZávČr................................................................................................................................. 21

6.

Seznam použité literatury a zdrojĤ informací .................................................................. 22

7.

Seznam pĜíloh ................................................................................................................... 23

Seznam obrázkĤ Obr. 1 Integraþní a derivaþní þlánek .......................................................................................... 5 Obr. 2 Frekvenþní charakteristika integraþního þlánku (dolní propusti) ................................... 6 Obr. 3 Frekvenþní charakteristika derivaþního þlánku (horní propusti) ................... 6 Obr. 4 Sériový rezonanþní þlánek .............................................................................................. 7 Obr. 5 Modulová frekvenþní charakteristika SRO ..................................................................... 7 Obr. 6 VnitĜní zapojení operaþního zesilovaþe NE5532 [3] ...................................................... 9 Obr. 7 Operaþní zesilovaþ v inverujícím a neinvertujícím zapojení [6] .................................. 10 Obr. 8 Derivaþní þlánek a integraþní þlánek s operaþním zesilovaþem ................................... 10 Obr. 9 Zapojení syntetického induktoru ................................................................................... 11 Obr. 10 Zapojení vstupního pĜedzesilovaþe ............................................................................. 12 Obr. 11 Deska plošných spojĤ pro pĜedzesilovaþ .................................................................... 13 Obr. 12 Simulací zjištČná korekþní schopnost ekvalizéru........................................................ 14 Obr. 13 Modulová frekvenþní charakteristika (potenciometry ve stĜední poloze)................... 15 Obr. 14 Schéma kaskádové indikace vybuzení ........................................................................ 16 Obr. 16 Kmitoþtové charakteristiky získané z namČĜených hodnot......................................... 19 Obr. 17 Ukázka použité pĜístrojové krabice [8] ....................................................................... 20

Úvod Práce se zabývá návrhem a realizací ekvalizéru doplnČného o pĜepínaþ stereofonních vstupĤ. PĜi návrhu je možné využít širokou škálu možností. Pro pĜepínání mĤže sloužit dvojitý pĜepínaþ, kterým bude procházet užiteþný signál. Jiné sofistikovanČjší Ĝešení mĤže být využití kombinace pĜepínaþe a relé. PĜepínání signálu se také realizuje pomocí tranzistorĤ aĢ bipolárních nebo unipolárních. Existuje také monolitický obvod, který je schopen plnit požadavky na pĜepínání až ze þtyĜ možných zdrojĤ nízkofrekvenþních stereofonních signálĤ. Tento obvod TDA1029 [11] je ve výrobním programu firmy Philips (NXP). PĜi realizaci bylo ovšem využito kombinace otoþného pĜepínaþe a elektromechanického relé. Provedení ekvalizéru pĜipomíná tzv. grafický ekvalizér, kde poloha potenciometrĤ naznaþuje prĤbČh upravené frekvenþní charakteristiky. Realizace ekvalizéru je možná pĜi využití integrovaného obvodu LMC835 [1]. Tento monolitický obvod od firmy National Semiconductor je Ĝízen digitálnČ a umožĖuje sestrojení stereofonního sedmi-pásmového ekvalizéru. PĜi hledání možných Ĝešení byla nalezena celá Ĝada obvodĤ, zabývající se úpravami signálĤ v kmitoþtovém pásmu, ovšem nejþastČji se vyskytující integrované obvody dovolují úpravu signálu pouze v pČti pásmech. Výsledné zapojení se skládá z množství nízkošumových zesilovaþĤ NE5532A [3]. Jedná se o duální operaþní zesilovaþe dostupné v pouzdru SO8 (Small Outline package). Jejich využití v zapojení je rĤzné, od pĜedzesilovaþe až po vytvoĜení syntetické indukce (tzv. gyrátor) potĜebné pro správnou funkci rezonanþních þlánkĤ umožĖující regulaci výstupních kmitoþtových charakteristik. Celé zaĜízení je þistČ analogové a o jeho návrhu a funkci pojednává text na dalších stránkách.

1

1. Teoretický rozbor 1.1 PĜedzesilovaþe 1.1.1 PĜedzesilovaþe Úkolem pĜedzesilovaþe je zesílit pĜíchozí signál, který pak je dalšími obvody zpracováván. Provedení pĜedzesilovaþe je nutné realizovat v souladu s požadavkem na jeho velký vstupní odpor, aby nadmČrnČ nezatČžoval vstupní obvod a zároveĖ splnit požadavky na nízký šum pĜedevším aktivních souþástí. PĜi použití klasických diskrétních souþástek (bipolárních tranzistorĤ) se pĜedzesilovaþe zapojují ve tĜídČ A. V této tĜídČ je pracovní bod tranzistoru nastaven doprostĜed zatČžovací charakteristiky. To má za následek výbornou citlivost na vstupní signály malých úrovní, ale úþinnost takového stupnČ je velmi nízká (proud protéká i pĜi nezapojeném vstupním signálu). Pro pĜedzesilovaþe je možné samozĜejmČ použít i tranzistory Ĝízené elektrickým polem (FET). Další možností pĜi realizaci pĜedzesilovaþe je operaþní zesilovaþ. O jejich dalších vlastnostech a zapojení bude Ĝeþ v samostatné kapitole 1.4. 1.1.2 Korekþní zesilovaþe Obvyklá zapojení vycházejí z kategorie pĜedzesilovaþĤ. Díky zavedené zpČtné vazbČ se þást zesíleného signálu vrací zpČt na vstup aktivního prvku a tím mČní parametry zesilovacího bloku. Zpravidla se zavedením odporové záporné zpČtné vazby snižuje celkové zesílení a zároveĖ se zvČtšuje šíĜe pĜenášeného pásma. Je možné mít ovšem i kmitoþtovČ závislé zpČtné vazby, které se používají napĜíklad pro magnetodynamické pĜenosky (R.I.A.A. (The Recording Industry Associaton of America)). Takový korekþní pĜedzesilovaþ má na výstupu lineární signál, protože zavedená kmitoþtovČ závislá zpČtná vazba mČní pĜenášené pásmo pro optimalizaci výstupního signálu z pĜenosky. Doporuþený prĤbČh frekvenþní charakteristiky udává norma a pĜenosová charakteristika je inverzní vĤþi charakteristice magnetodynamické pĜenosky. Jiný pĜíklad korekþního zesilovaþe je obvod, ve kterém jsou ve zpČtné vazbČ spolu s funkþními prvky zapojeny i potenciometry. Nejjednodušší Ĝešení obsahuje dva potenciometry, které se pĜímo úþastní zmČny frekvenþního pásma. V podstatČ je vstupní signál rozdČlen, zpracován (posílen nebo utlumen) filtraþními obvody a následnČ opČt seþten na bázi tranzistoru nebo operaþního zesilovaþe (OZ v zapojení jako sumaþní þlen). Takové zapojení umožĖuje korekci pásma v oblasti hloubek a v oblasti výšek. Frekvence blízké 1 kHz procházejí obvodem nezmČnČny. U složitČjších korekþních zesilovaþĤ pĜibývá možnosti 2

regulace frekvenþního pásma, pĜiþemž vrcholem jsou studiové ekvalizéry (od šesti pásmových korekcí výše). 1.1.3 Výkonové zesilovaþe Výkonové nízkofrekvenþní zesilovaþe se podle typĤ zapojení dČlí do nČkolika tĜíd. •

TĜída A

•

TĜída B

•

TĜída AB

•

TĜída D a T

•

TĜída H

•

TĜída E

Jak bylo uvedeno v kapitole o pĜedzesilovaþích, tĜída A se pro výkonové aplikace vlivem nízké úþinnosti nepoužívá. Více se používá tĜída AB, kde je pracovní bod umístČn do oblasti, kde již malá zmČna vstupního napČtí zpĤsobí zmČnu výchylky na výstupu. Zapojení využívá kombinaci komplementárních tranzistorĤ (opaþné vodivosti, ale stejné parametry). Každý tranzistor pak zesiluje právČ jednu pĤlvlnu signálu. TĜída B nebývá v praxi moc používaná, jelikož je pracovní bod umístČn v oblasti, kde reaguje až na vyšší úroveĖ vstupního signálu (cca 300 mV – 700 mV) a proto tyto zesilovaþe mají silné nelineární zkreslení pĜi prĤchodu signálu nulovou úrovní (pracovní bod je nastaven na nulový klidový proud

tranzistory). Mezi další tĜídy zesilovaþĤ používaných pro akustické signály patĜí tĜída D. Takové

zesilovaþe se oznaþují jako digitální. Výstupní tranzistory pracují jako spínaþe (tranzistor je buć uzavĜen, nebo je v saturaci). Signál je na zaþátku pĜeveden na digitální, poté je zesílen a nakonec pĜeveden na analogový signál. Výhodnou vlastností je velká úþinnost, která pĜesahuje 80 %. Vlivem dvojnásobného pĜevodu A/D a D/A se ve výstupním signálu mohou projevit kvantifikaþní odchylky, jež jsou vnímány jako nelineární zkreslení. Tyto nedostatky ovšem Ĝeší tĜída T, která má vylepšenou technologii Ĝízení oproti tĜídČ D (úþinnost dosahuje až 90 %). Zesilovaþe tĜídy H [6] sledují velikost vstupního signálu a pĜi potĜebČ vyššího výstupního výkonu jsou schopny zmČnit napájecí zdroj na vyšší úroveĖ napČtí. To je buć získáváno ze speciálního zdvojeného zdroje anebo se vyšší napájecí napČtí, ve spolupráci s Ĝídící elektronikou, získává z elektrolytických kondenzátorĤ vysoké kapacity (platí pĜi

3

napájení z akumulátorĤ). Samotné zapojení výkonových stupĖĤ je ve tĜídČ AB, ovšem úþinnost bývá lepší oproti samotné tĜídČ AB. PodobnČ jako tĜída H i tĜída E vyvinutá spoleþností Sony používá zmČnu napájecího napČtí. Zesilovaþ pracuje podobnČ jako tĜída A (pracovní bod je uprostĜed zatČžovací charakteristiky), avšak poloha zatČžovací charakteristiky je plovoucí (spojitá). Tím je dosaženo výraznČ lepší úþinnosti, než dosahuje samotná tĜída A. Celý proces Ĝídí pomČrnČ složitá elektronika. Je-li na vstupu zjištČna vyšší úroveĖ signálu, než je zesilovaþ schopný bez zkreslení zpracovat, zvedne se napájecí napČtí o patĜiþnou úroveĖ. PĜi požadavku na nízký výstupní výkon se automaticky zmenšuje i napájecí napČtí výstupních tranzistorĤ. Toto Ĝešení se objevuje v zaĜízeních napájených akumulátory. Všechny uvedené typy zesilovaþĤ musí splĖovat následující požadavky [11]: •

Minimální zkreslení výstupního signálu (lineární, harmonické a intermodulaþní)

•

Lineární frekvenþní charakteristika

•

Vstupní impedance

•

Vstupní citlivost

•

Výstupní impedance

•

Výstupní výkon

•

ýinitel tlumení

•

VnitĜní odpor zesilovaþe

1.2 Pasivní frekvenþní filtry Frekvenþní filtry mají schopnost upravovat pĜenášené frekvenþní pásmo. Zapojení frekvenþních

filtrĤ

využívá

jednoduchých

imitanþních

jednobranĤ

(cívka,

odpor,

kondenzátor). PĜi návrhu frekvenþních filtrĤ je rozhodující jaký výkon bude filtrován. Pokud realizujeme pasivní frekvenþní výhybku pro reproduktorovou soustavu, použité souþástky musí být dimenzovány na patĜiþný výkon. NapĜíklad tĜípásmová reproduktorová soustava bývá zapojena tak, že hloubkový reproduktor je v sérii s cívkou bez jádra (speciální typy cívek pro tzv. subwoofery železné jádro mají (vyšší indukþnost = nižší kmitoþty)). Výhybka pro stĜedový reproduktor obsahuje dva kondenzátory a výkonový odpor, výškový reproduktor je zapojen s jedním kondenzátorem a výkonovým odporem (odpor, kondenzátor a výškový reproduktor jsou v sérii). PĜi použití frekvenþních výhybek se do reproduktorĤ dostává jen ta þást signálu, na který je daný reproduktor konstrukþnČ pĜipraven. ZároveĖ je díky použití 4

výkonových rezistorĤ zajištČno, že impedance reproduktoru neklesne pod kritickou úroveĖ jmenovité impedance a tím nehrozí zniþení koncových stupĖĤ výkonového koncového zesilovaþe (napĜ. piezoelektrické mČniþe mají na vyšších kmitoþtech tak nízkou impedanci, že pĜi vynechání výkonového odporu mĤže dojít k destrukci jak reproduktoru, tak výkonového koncového stupnČ). 1.2.1 Integraþní a derivaþní þlánky Mezi nejþastČjší filtry používané v elektroakustice patĜí horní a dolní propust (derivaþní a integraþní þlánek). Modulové frekvenþní charakteristiky jsou na obrázku 2 a 3. Z frekvenþních charakteristik vyplývá, že existuje frekvence, na které pĜenos klesá o polovinu výkonu (-3 dB). Takový kmitoþet se nazývá mezní frekvence a dá se vyjádĜit následujícím vztahem [1]: f0 =

1 [Hz ] 2πRC

(1)

Uvedené integraþní a derivaþní þlánky mají strmost 20 dB / dek. (6 dB / okt.). PĜi potĜebČ lepší selektivity (vyšší strmosti) je tĜeba Ĝadit tyto þlánky kaskádovČ za sebe. Na tuto problematiku lze naleznout tabulky s doporuþenými hodnotami souþástek pro daný typ filtru (napĜ. Bessel, ýebyšev, Butterwoth). Tyto filtry se vČtšinou zapojují ve spolupráci s operaþními zesilovaþi, a pak se již Ĝadí do kategorie aktivních filtrĤ.

C2

R2 1k

1n V1

V1

1Vac 0Vdc

C1 1n

1Vac 0Vdc

0

R1 1k

0

Obr. 1 Integraþní a derivaþní þlánek

5

Obr. 2 Frekvenþní charakteristika integraþního þlánku (dolní propusti)

Obr. 3 Frekvenþní charakteristika derivaþního þlánku (horní propusti)

6

1.2.2 Rezonanþní obvody Dalším typem jsou rezonanþní obvody. V jejich zapojení se využívá obou rozdílných typĤ zásobníkĤ energie (kondenzátor a cívka). Rezonanþní obvody mají na rezonanþním kmitoþtu pouze odporový charakter a tČchto vlastností se využívá k úpravČ frekvenþních charakteristik. Charakter rezonanþního obvodu se mČní s frekvencí. Pod rezonanþním kmitoþtem vykazuje RLC þlánek kapacitní charakter impedance a naopak nad rezonanþním kmitoþtem pĜevládá indukþní charakter impedance. Rezonanþní kmitoþet popisuje rovnice [2] (ThomsonĤv vztah): f0 =

1 2π LC

[Hz ]

(2)

NapĜíklad v audiotechnice se objevuje sériový rezonanþní þlánek (obr. 4), jež je schopen potlaþit urþité frekvence (savý obvod). To vede k odstranČní akustické zpČtné vazby, ke které dochází pĜi použití mikrofonu a reproduktorĤ v nevhodném uspoĜádání. R1

L1

C1

1 1k

2 10uH

1n

V1 1Vac 0Vdc

R2 470k

0

0

Obr. 4 Sériový rezonanþní þlánek

Obr. 5 Modulová frekvenþní charakteristika SRO

7

1.3 Aktivní frekvenþní filtry Aktivní filtry využívají pasivních frekvenþních filtrĤ, které jsou zapojeny do zpČtnovazebního obvodu. Aktivní souþástkou mĤže být buć tranzistor, nebo v dnešní dobČ þastČji operaþní zesilovaþ. Aktivní souþástka mĤže být v zapojení jako zesilovaþ nebo jako oddČlovací þlen (Au = 1). V nízkofrekvenþní technice se velice þasto využívají aktivní filtry. Jak bylo uvedeno v pĜedchozí kapitole 1.2.1, díky aktivním filtrĤm je možné využívat i složitČjší zapojení (napĜ. Besselových) filtrĤ. Aktivní filtry pracují s nízkým signálem, proto je kladen dĤraz na šumové vlastnosti všech použitých souþástek. Mezi aktivní filtry lze zaĜadit i nČkteré typy korekþních zesilovaþĤ. Výhoda tČchto filtrĤ je zĜejmá, výstup mĤže být na požadovaných frekvencích i zesílen oproti pasivním filtrĤm, které energii pouze spotĜebovávají (v závislosti na frekvenci). Mezi aktivní filtry se Ĝadí i ekvalizéry. Ty umožĖují mČnit kmitoþtové pásmo na více frekvencích. Používají se pĜi koncertech ve studiích a tak dále. Ekvalizéry umožĖují upravovat pĜenášené pásmo ve velkém rozsahu. Lze také odstraĖovat akustickou zpČtnou vazbu. Pokud pomineme možnost korekce pásma smČrem k vČrnČjší reprodukci, tak s tČmito zvukovými zaĜízeními mĤžeme upravit zvuk na rĤzné efekty, napĜíklad zvuk znČjící z dálky (zastĜený), telefonu apod.

1.4 Operaþní zesilovaþe Ideální operaþní zesilovaþ splĖuje následující parametry. NapČĢové zesílení má být nekoneþno, stejnČ jako šíĜe pĜenášeného pásma a vstupní odpor. Jeho výstupní odpor je nulový, stejnČ jako zkreslení a šum. Skuteþný operaþní zesilovaþ se pouze pĜibližuje ideálnímu. Jeho zesílení se pohybuje mezi 104 - 105. Vstupní odpor bývá nejménČ 0,5 Mȍ. V pĜípadČ použití unipolárních tranzistorĤ na vstupu mĤže vstupní odpor být až 1012 ȍ. Výstupní odpor se pohybuje od desetin do desítek ȍ. ŠíĜe pásma bývá od stovek kHz do jednotek MHz. Napájení je nejþastČji symetrické ±15 V [6]. Výkonové operaþní zesilovaþe mohou být napájeny i vyšším napČtím. PĜi požadavku na nesymetrické napájení musí být v obvodu vytvoĜená analogová zem, která se volí jako polovina napájecího napČtí. Na obrázku 6 [3] se nachází vnitĜní zapojení operaþního zesilovaþe NE5532A. Vstupy jsou oznaþeny symboly + (neinvertující vstup) a – (invertující vstup). Diody chrání obvod pĜed zniþením v pĜípadČ pĜivedení vyššího napČtí, než na jaký je integrovaný obvod urþen (vstupní napČtí má být v rozmezí ±0,5 V). Vstupní signály se zesilují ve vstupním diferenþním zesilovaþi, který je napájen ze zdrojĤ konstantních proudĤ, opatĜených 8

napČĢovou referencí. PĜedzesílený signál se dále zesiluje v druhém diferenþním stupni s opaþnou polovodivostí, než jakou disponuje první diferenþní stupeĖ. Tento druhý diferenþní stupeĖ obsahuje kondenzátory, které zajišĢují stabilitu stupnČ a tím celého obvodu. Z výstupu se pak signál dostává na výstupní koncový stupeĖ, jenž obsahuje komplementární zapojení tranzistorĤ zatížených jednoduchým proudovým zrcadlem [5]. Zapojení má také proudovou ochranu, která omezuje výstupní proud na 10 mA.

Obr. 6 VnitĜní zapojení operaþního zesilovaþe NE5532 [3]

1.4.1 Typická zapojení s OZ Operaþní zesilovaþe se používají pro mnoho úþelĤ. Lze je zapojit jako komparátory napČtí, jako zesilovaþe invertující (výstup má oproti vstupu opaþnou polaritu), neinvertující, jako sumaþní þi rozdílové zesilovaþe a další. Obrázek 7 ukazuje základní invertující a neinvertující zapojení. Na obrázku 8 je ukázka derivaþního a integraþního þlánku. Tyto þlánky jsou základní stavební jednotkou aktivních filtrĤ. V nízkofrekvenþní technice se OZ také využívají se zavedenou kladnou vazbou pro generátory prĤbČhĤ.

9

Obr. 7 Operaþní zesilovaþ v inverujícím a neinvertujícím zapojení [6]

Obr. 8 Derivaþní þlánek a integraþní þlánek s operaþním zesilovaþem

1.4.2 Syntetická indukþnost Na obrázku 9 je uvedeno zapojení rezonanþního obvodu se syntetickým induktorem (gyrátor – impedanþní pĜevodník). Vlastní syntetický induktor se nachází mezi písmeny X a Y. Jeho funkce je následující: pĜi pĜivedení kladné pĤlvlny signálu se pĜes kondenzátor C2 vytvoĜí záporná pĤlvlna napČtí v bodČ X. Ta je kondenzátorem C1 opČt pĜevedena na vlnu kladnou a jako taková vstupuje do neinvertujícího vstupu operaþního zesilovaþe. Operaþní zesilovaþ má jednotkové zesílení, a proto se pĜes rezistor R1 do bodu X pĜenáší kladná pĤlvlna. Zapojení funguje opaþnČ s pĜicházející zápornou pĤlvlnou. Mezi body X a Y zapojení chová jako cívka.

10

Obr. 9 Zapojení syntetického induktoru

2. Popis zapojení 2.1 PĜedzesilovaþ Zapojení vychází z doporuþeného katalogového zapojení obvodu NE5532A [3]. Jedná se o nízkošumový operaþní zesilovaþ od firmy Philips. Tyto integrované obvody nalezneme ve výrobním programu i jiných výrobcĤ, napĜíklad Texas Instruments, Fairchild Semiconductor, ON Semiconductor. Použitá verze je typu SMD (Surface Mount Device). Zapojení pĜedzesilovaþe se nachází na obrázku 10. Vstupní signál je pĜiveden konektory typu cinch (na zadním panelu se nacházejí zlacené vstupní i výstupní konektory). Na tyto konektory je napájena jednotlivČ stínČná dvojlinka, pĜes kterou se signál dostává na desku pĜedzesilovaþe. Vstupní odpor pĜedzesilovaþe je nastaven rezistory R8, R13 na hodnotu 100 kŸ. Signál pokraþuje pĜes vazební kondenzátor C45 do potenciometru o hodnotČ 100 kŸ. Použitý potenciometr má lineární prĤbČh, což se v nízkofrekvenþní technice na nastavování zisku þasto nepoužívá. Ovšem pokud by tento prĤbČh byl na závadu, lze pĜidáním rezistoru mezi jezdec a zem vytvoĜit logaritmický prĤbČh. Jedná se o tandemové provedení potenciometru s udávaným soubČhem lepším než 3 dB. Tímto potenciometrem je nastavena citlivost pro daný kanál a signál vstupuje pĜes rezistor do operaþního zesilovaþe zapojeného jako sledovaþ signálu. PĜi prototypovém zapojení bylo zjištČno, že vČtšina zaĜízení má vstupní signál natolik silný, že jeho další zvyšování není žádoucí. Jedná se o pĜedevším oddČlovací þlen s možností regulace. Z výstupu operaþního zesilovaþe se signál dostává na paralelní kombinaci rezistoru a keramického kondenzátoru. Rezistor o hodnotČ 100 kŸ zajišĢuje 11

výstupní odpor a kondenzátor C48 (a C52) omezuje pĜenos velmi vysokých kmitoþtĤ do odvodu výstupního ekvalizéru. Poté je signál pĜiveden na svorky relé, které pĜi sepnutí umožní stereofonnímu signálu dostat se dále do ekvalizéru (pĜípadnČ na výstup). Relé je opatĜeno ochranou diodou, která zabraĖuje zniþení cívky pĜi vypnutí pĜedzesilovaþe. Sepnutí relé je ovládáno pĜivedením napČtí na konektor. Jako blokovací kondenzátory jsou použity keramické SMD o hodnotách 100 nF, jež jsou posíleny filtraþními tantalovými kondenzátory o kapacitČ 47 uF. PĜedzesilovaþ je napájen ze stabilizovaného symetrického zdroje napČtí U = ±15 V. Provedení desky plošných spojĤ je uvedeno na obrázku 11. Jedná se o dvouvrstvou DPS vyrobenou firmou s prokovenými otvory, se zelenou nepájivou maskou a s povrchovou úpravou technologií HAL (Hot Air Levelling). V pĜípadČ potĜeby je zaĜízení navrženo tak, aby bylo možné vymČnit stávající pĜedzesilovaþ za jiný (napĜ. s kmitoþtovČ závislou charakteristikou dle RIAA þi se zesílením vČtším než 1).

Obr. 10 Zapojení vstupního pĜedzesilovaþe

12

Obr. 11 Deska plošných spojĤ pro pĜedzesilovaþ

2.2 Výstupní ekvalizér Schéma zapojení se nachází v pĜílohách stejnČ jako obrázky desek plošných spojĤ. Protože je pĜepínaþem vylouþeno sepnutí více kanálĤ souþastnČ, nachází se na vstupu ekvalizéru Ĝada prokovených otvorĤ umožĖujících zapojení všech pĜedzesilovaþĤ. Signál se poté dostává na jumpery, jež je možno pĜemostit funkci ekvalizéru, pĜiþemž navazující indikace vybuzení zĤstane aktivní. Pokud je ekvalizér aktivní, signál se pĜivádí pĜes vazební kondenzátor a rezistor R22 do neinvertujícího vstupu výstupního sumaþního zesilovaþe. Tento vstup je spoleþným uzlem všech použitých tahových potenciometrĤ. Druhý konec odporové dráhy je opČt elektricky spojen s ostatními potenciometry a je zapojen do invertujícího vstupu výstupního zesilovaþe. Jezdec každého potenciometru vede signál do rezonanþního obvodu, tvoĜeného dvČma rezistory, dvČma kondenzátory a jedním operaþním zesilovaþem (viz kapitola 1.4.2. Hodnoty souþástek urþujících rezonaþní frekvenci a tudíž i oblast pro regulaci byly zjištČny pomocí simulací v programu OrCAD Pspice. Vztažné kmitoþty jsou uvedeny také ve schématu. Signál je z výstupního operaþního zesilovaþe vyveden na výstupní potenciometr pĜes vazební kondenzátor. Jako v pĜedešlém pĜípadČ jsou pro každý operaþní zesilovaþ použity tĜi blokovací keramické kondenzátory o hodnotČ 100 nF. Ve zdrojové þásti se také nachází pár elektrolytických kondenzátorĤ o velikosti 47 µF. Zapojení disponuje také diodami znemožĖující pĜivedení opaþné polarity napájení. Jejich funkce není jen preventivní, ale také chrání zapojení pĜed rozkmitáním pĜi vypínání ekvalizéru. Tato skuteþnost byla 13

zjištČna pĜi testování prototypové desky, kdy vlivem absence ochran byly zniþeny stabilizátory zdroje. Napájení je symetrické a mĤže být až 22 V, ale napájecí napČtí je stabilizováno na hodnotČ ±17,2 V. PĜi návrhu DPS byly z dĤvodu dosažení vČtší pĜesnosti rezonanþní frekvence kondenzátory zdvojeny. Simulované prĤbČhy zobrazují následující obrázky.

Obr. 12 Simulací zjištČná korekþní schopnost ekvalizéru

14

Obr. 13 Modulová frekvenþní charakteristika (potenciometry ve stĜední poloze)

2.3 Indikace vybuzení Zapojení využívá integrovaného obvodu LM3915 [2] firmy National Semiconductor. Tento obvod je navržen pro Ĝízení nízkopĜíkonových žárovek, LCD nebo LED. Jedná se o A/D pĜevodník s mnoha možnostmi uplatnČní. Jeho vnitĜní zapojení se skládá z deseti komparátorĤ, vstupního pĜedzesilovaþe, obvodĤ pro nastavení rozhodovací úrovnČ a také pro nastavení výstupního proudu pro LED. Obvod LM3915 má logaritmický prĤbČh, což je pro zobrazování hlasitosti výhodné (vzhledem k vnímání intenzity hlasitosti lidským uchem). Rozsvícení jedné LED znamená zmČnu signálu o 3 dB. Maximální rozsah jednoho integrovaného obvodu je tedy 30 dB. Obvod je schopen pracovat v širokém rozmezí napájecích napČtí a to od 3 V po 35 V. Dále také umožĖuje výbČr mezi bodovým a sloupcovým zobrazením signálu. V mém pĜípadČ byl použit sloupcový režim a konkrétní zapojení je popsáno níže. Signál se z výstupního potenciometru dostává pĜes vazební kondenzátor C23 a rezistor R23 na vstup operaþního zesilovaþe. Ten je zapojen jako invertující zesilovaþ s jednotkovým zesílením (R23 = R24). Jeho výstup slouží pro dodání signálu do kaskádnČ Ĝazených dvou obvodĤ LM3915. Rezistory R25 a R27 slouží pro nastavení proudu LED. Rezistory R26 a R28 v kombinaci s nastavitelnými odporovými trimry zajišĢují rozhodovací úrovnČ pro 15

rozsvícení prvních LED (D1 a D11). Aby mČl vstupní operaþní zesilovaþ definovanou zátČž, jsou v zapojení také rezistory R30 a R31, které mají hodnotu 22 kŸ. Indikace vybuzení je napájena nesymetricky 12 V. Oba integrované obvody mají zapojený blokovací kondenzátor o hodnotČ 100 nF, ve funkci filtraþních kondenzátorĤ je zapojena dvojice elektrolytických kondenzátorĤ o kapacitČ 47 uF. Pokud by indikace vybuzení mČla pĜípadné posluchaþe rušit, je možné ji vypnout. Schéma indikací vybuzení se nachází na obrázku 14. Deska plošných spojĤ je spoleþná s DPS pro ekvalizér daného kanálu.

Obr. 14 Schéma kaskádové indikace vybuzení

16

2.4 Zdroje napČtí 2.4.1 Zdroj symetrického napČtí SíĢové napČtí 230 V je pĜivedeno pomocí EURO konektoru do spínaþe, ze kterého se dostává na desku plošného spoje. Dále je zde tavná pojistka v pĜíslušném pouzdru a poté primární vinutí transformátoru. Protože je tĜeba symetrického napČtí, má transformátor dvČ identické sekundární vinutí. Každá z vČtví je dvoucestnČ usmČrnČna a pĜivedena na soustavu filtraþních kondenzátorĤ. Vinutí uprostĜed sekundárních cívek vytváĜí zemnící potenciál pro celé zapojení. Dále je v zapojení dvojice odlehþovacích výkonových keramických rezistorĤ. Ty zabraĖují nadmČrnému zatČžování stabilizátorĤ napČtí. V konstrukci je použito kladných stabilizátorĤ LM7818 a LM7815. Záporné stabilizované napČtí vytváĜí obvody LM7918 a LM7915. V zapojení se nachází množství diod sloužících k ochranČ stabilizátorĤ pĜi poruše nebo pĜi chybné manipulaci se zdrojem. Je zvoleno nČkolik napájecích napČtí, aby mČl následující blok vždy vyšší napájecí napČtí, než blok pĜedchozí. Z tohoto dĤvodu jsou obvody ekvalizéru napájeny pĜes diody (výsledné napČtí je ±17,2 V). Napájecí napČtí pĜedzesilovaþĤ je ±15 V. Schéma zapojení se nachází v pĜílohách. 2.4.2 Zdroj nesymetrického napČtí Primární þást je zapojena jako v pĜedešlém pĜípadČ. Za sekundárním vinutí následují þtyĜi usmČrĖovací diody (opČt dvoucestné usmČrnČní). I v tomto zapojení je využito ochranného výkonového rezistoru pĜed vlastním stabilizátorem napČtí. Tím je obvod LM7812. V zapojení se nachází ještČ jeden obvod LM7812 pro vytvoĜení pomocného napČtí 12 V a za ním následuje pĜes odlehþovací rezistor stabilizátor LM7805. Jeho využití bude v budoucnu pro nastavení zpoždČní pĜi zmČnČ výbČru signálu nebo pro jinou aplikaci vyžadující toto napČtí. Schéma zapojení je uvedeno níže na obrázku 15.

Obr. 15 Schéma zapojení zdroje 12 V a 5 V 17

2.5 Desky plošných spojĤ BČhem obhajoby semestrálního projektu bylo doporuþeno, aby výrobu desek provedl profesionální výrobce. Z tohoto dĤvodu jsou DPS pĜedzesilovaþĤ a ekvalizérĤ vyrobeny firmou [7]. Jedná se o základní sklolaminátový materiál s epoxidovou pryskyĜicí FR4 tloušĢky 1,5 mm. V dnešní dobČ je to nejpoužívanČjší materiál pro výrobu DPS. Je neohebný s dobrými vlastnostmi pro bČžný rozsah teplot i vlhkostí. Dá se výbornČ obrábČt aĢ stĜihem þi frézováním. Na tomto materiálu se nachází oboustrannČ plátovaná mČć tloušĢky 18 µm. Výsledná tloušĢka cest je ovšem po výrobČ 35 µm. Na DPS jsou prokovené otvory a na jedné stranČ se nachází rozlitá mČć pro snížení impedance a také pro snížení pĜípadného rušení (stínČní). Touto technologií byly vytvoĜeny desky plošných spojĤ pro levou a pravou stranu ekvalizéru a také pro pĜedzesilovaþ, který je použit celkem þtyĜikrát. Obrázky jednotlivých vrstev DPS jsou umístČny v pĜílohách. Tyto DPS jsou vybaveny zelenou nepájivou maskou. Pájecí plošky byly ošetĜeny technologií HAL. Desky plošných spojĤ pro zdroje a pro výstupní hlasitost byly vyrobeny nažehlovací metodou. Použitý materiál je také FR4 s plátovanou mČdí o tloušĢce 30 µm. Jedná se o jednovrstvé plošné spoje. Opracování jednotlivých desek bylo provedeno stĜiháním a hrany byly upraveny smirkovým papírem o hrubosti 400. PĜed samotným pájením souþástek byl na mČdČný povrch použit lak, skládající se ze smČsi lihu a kalafuny. Osazování desek probČhlo ruþnČ, stejnČ jako pájení. PĜi samotném pájení byla využita pájka ve složení Sn60Pb40. Výrobek tedy nemĤže být oznaþen logem Pbfree.

18

3. MČĜení Aby bylo možné porovnat teoretické hodnoty získané ze simulací, bylo provedeno mČĜení kmitoþtové charakteristiky. Jako zdroj signálu bylo zvoleno testovací CD Stereo&Video a PC. Toto CD obsahuje modulovaný sinusový signál. Výstup byl impedanþnČ zakonþen rezistorem o hodnotČ 47 kŸ, což je pĜedpokládaný vstupní odpor budoucího výkonového zesilovaþe. Vstupní citlivost a výstupní hlasitost byla nastavena na nejvyšší možnou úroveĖ. PostupnČ byla promČĜena frekvenþní charakteristika pro celkem pČt poloh tahových potenciometrĤ. MČĜení probíhalo od 20 Hz do 16 kHz. StĜídavé sinusové napČtí bylo mČĜeno multimetrem RIGOL (DM3051). Výstupní amplituda signálu byla kontrolována osciloskopem RIGOL (DS1022CD) aby nedocházelo k oĜezávání signálĤ. NamČĜené hodnoty se nacházejí v pĜíloze. Výstupní charakteristiky udává obrázek 16. Z uvedených charakteristik je patrné, že signál prochází obvodem nelineárnČ. Oblast nízkých kmitoþtĤ je potlaþena více než se pĜedpokládalo. Tento útlum je zpĤsoben nevhodnou kapacitou vazebních kondenzátorĤ. Byly osazeny keramické kondenzátory s kapacitou 1 µF namísto hodnoty 10 µF. Po této úpravČ bude provedeno následné mČĜení, s cílem ovČĜení dosaženého zlepšení prĤbČhu frekvenþních charakteristik.

ϯϬ

Kmitoþtové charakteristiky pro rĤzné polohy jezdcĤ potenciometrĤ

ŝƐŬ ΀Ě΁ ϮϬ

ϭϬ

Ϭ ϮϬ

ϮϬϬ

ϮϬϬϬ

ͲϭϬ

ϭϬϬй ϳϱй ϱϬй Ϯϱй Ϭй

ͲϮϬ

ͲϯϬ

Ĩ΀,nj΁ ͲϰϬ

Obr. 16 Kmitoþtové charakteristiky získané z namČĜených hodnot

19

4. Mechanické provedení Jednotlivé komponenty uvedeného uved zaĜízení jsou umístČny do kovové pĜístrojové krabice [8] (obrázek 17), ), která je sestavena z ocelových plechĤ tloušĢky ky 1,4 mm. Materiál pro þelní elní panel je eloxovaný hliník tloušĢky tlouš 10 mm. ýelní elní panel je dle pĜ pĜiloženého výkresu (pĜíloha ??) vyroben vrtáním áním a frézováním. K mechanickému upevnČní ní DPS obou ekvalizérĤ ekvalizér slouží distanþní ní sloupky o prĤm prĤmČru 3 mm a pĜíslušné slepé otvory zadní strany þelního panelu opatĜené ené metrickým závitem. Desky plošných spoj spojĤ jsou uchyceny na závitových ty tyþích prĤmČru 4 mm. Jejich jich poloha je fixována pomocí matic M4. Zdroje napČtí napČtí jsou umíst umístČny blíže k zadnímu panelu a jejich mechanické upevnČní upevn je Ĝešeno distanþními ními sloupky o pr prĤmČru 4 mm. Zadní panel tvoĜíí otvory pro napájecí EURO konektor a pro pojistkové pojistkov pouzdro (krabice byla v tomto stavu již dodána). Dále jsou v zadním panelu vyvrtány otvory pro konektory typu cinch. Vzájemné rozteþe rozte byly zvoleny 20 mm.. Vrtání pro konektory je o prĤmČru 8 mm. RozmČry Čry ry krabice odpovídají standartu tzv. RACK (19“). Vo Volný prostor bude v budoucnuu využit pro implementaci výkonových zesilovaþĤ zesilovaþĤ a pĜíslušných Ĝíslušných záležitostí (toroid, chladiþe, e, vlastní zesilova zesilovaþ, ochrany reproduktorĤ…).

Obr. 17 Ukázka použité pĜístrojové krabice [8]

20

5. ZávČr Návrh elektronických obvodĤ uvedeného zaĜízení probČhl za pomocí programĤ OrCAD Capture, OrCAD PSpice a OrCAD Layout. MČĜením frekvenþních charakteristik bylo zjištČno, že výsledná korekce signálu je možná minimálnČ o 10 dB. Simulované a namČĜené charakteristiky se nepatrnČ liší. To je zpĤsobeno použitím reálných souþástek a také použitím jiného typu pĜedzesilovaþe, než s jakým byly simulované prĤbČhy vygenerovány (pĤvodní pĜedzesilovaþe umožĖovaly zisk kanálu až o 20 dB, což bylo v prĤbČhu práce vyhodnoceno jako zbyteþné). MČĜením kmitoþtového pásma bylo také dokázáno, že rezonanþní kmitoþty nastavené hodnotami souþástek korespondují s hodnotami pĜedpokládanými. Návrh výkresu þelního panelu probČhl v programu AutoCAD. Jak již bylo uvedeno v pĜedchozí kapitole, výrobek je pĜipraven na celou Ĝadu vylepšení. V prvé ĜadČ probČhne s pomocí bipolárních tranzistorĤ þi integrovaných obvodĤ 555 úprava pĜepínání, které pak bude zpoždČné o jednu þi dvČ sekundy. Dále je pĜipravená DPS pro výstupní hlasitost s výstupním relé (opoždČné sepnutí výstupu). DPS ekvalizérĤ jsou rovnČž pĜipraveny na budoucí realizaci Besselových filtrĤ. Ty rozdČlí frekvenþní pásmo na velmi hluboké tóny (tzv. subwoofer) a na energeticky ménČ nároþný zbytek signálu (tzv. satelity). DČlící frekvence bude nastavena mezi 100 - 150 Hz. Celková koncepce výrobku umožĖuje doplnČní vícekanálového výkonového koncového zesilovaþe. PĜi této realizaci mĤže být využito napĜíklad integrovaného obvodu TDA7250 [4]. Jedná se o budiþ koncových tranzistorĤ kategorie Hi-Fi. Provedení zesilovaþe bude minimálnČ tĜíkanálové (1 subwoofer a 2 x satelity) þi pČtikanálové. Zadání bakaláĜské práce bylo splnČno.

21

6. Seznam použité literatury a zdrojĤ informací [1] ALLDATASHEET.COM

LMC835

[online]

[28.12.2011]

URL: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/9134/NSC/LMC835.html [2] ALLDATASHEET.COM

LM3915

[online]

[23.9.2007]

URL: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/8899/NSC/LM3915.html [3] ALLDATASHEET.COM

NE5532A

[online]

[26.2.2009]

URL: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/17972/PHILIPS/NE5532A.html [4] ALLDATASHEET.COM

TDA7250

[online]

[10.9.2011]

URL: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/25076/STMICROELECTRONICS/TDA7250.html [5] BEýVÁě DANIEL, STEHLÍK JIěÍ

Návrh analogových integrovaných

obvodĤ, Vysoké uþení technické v BrnČ, 2011 [6] LUKESLE VÁCLAV

Audiosystém 2.1, Pardubice 2008

[7] MEV.CZ

[online]

[1.5.2012]

[online]

[2.2.2012]

URL: http://www.mev.cz/cz/prototype-pool/ [8] MODUSHOP.CZ

URL: http://www.modushop.cz/1NPS04P400B-4u-rack-krabice-plechova-400mm-10mmpanel-stribrny.html [9] NOBILIS JIěÍ

Teorie elektronických obvodĤ III. (Zesilovaþe), Pardubice, 1994

[10] NOBILIS JIěÍ

Teorie elektronických obvodĤ VIII. (Napájecí zdroje), Pardubice, 2000

[11] SIEGFRIED WIRSUM

Abeceda NF TECHNIKY, Praha, 2003 ISBN: 80-86056-26-0 22

7. Seznam pĜíloh 1. Desky plošných spojĤ 2. Rozpiska souþástek 3. Kompletní obvodové schéma 4. Výkres þelního panelu 5. Graf – Kmitoþtová charakteristika 6. Tabulky s namČĜenými a vypoþtenými hodnotami

23