Cyfrowy wzmacniacz audio 2×10 W w formacie RPi Zero

Pomimo niewielkich rozmiarów płytka integruje dwa kanały wzmacniacza o mocy 2×10 W przy 8 Ω i zasilaniu 12 VDC. Dodatkowo zawiera stabilizator impulsowy o napięciu 5 V i wydajności 2 A, który pozwala zasilać Raspberry Pi. Dzięki temu całość wymaga tylko jednego napięcia zasilającego z przedziału 9...14 V, co ułatwia zastosowanie wzmacniacza, także z zasilaniem akumulatorowym lub bateryjnym. Moduł bazuje na układzie SSM3582, którego struktura wewnętrzna została pokazana na rysunku 1.

Rysunek 1. Budowa wewnętrzna SSM3582

SSM3852 zawiera dwa mostkowe stopnie mocy oraz stereofoniczny przetwornik DAC, współpracujący z magistralą I2S lub TDM. Konfiguracja i monitorowanie stanu układu odbywa się poprzez magistralę I2C, dzięki czemu ułatwione jest zdalne zarządzanie pracą wzmacniacza w aplikacjach sieciowych.

Budowa i działanie

Schemat ideowy modułu został pokazany na rysunku 2. Wyjściowy sygnał audio w standardzie I2S (BCLK, LRCK, SDO) ze złącza GPIO Raspberry Pi, poprzez rezystory dopasowujące R1...R3 doprowadzony jest do układu U1. Tam jest konwertowany poprzez wbudowany DAC na sygnał sterujący dwukanałową mostkową końcówką mocy, pracującą w klasie D. Wszystkie parametry interfejsu cyfrowego I2S – regulacja poziomu, wzmocnienie toru audio, ustawienia limitera, konfigurowane są poprzez interfejs I2C. Adres bazowy na magistrali I2C ustalany jest wyprowadzeniami ADR1, ADR0, w układzie jest to 0x10.

Rysunek 2. Schemat modułu wzmacniacza

Do celów diagnostycznych SSM3582 ma wbudowany czujnik temperatury struktury, monitor napięcia zasilania oraz sygnalizację stanów awaryjnych, dzięki którym otrzymujemy podstawowe informacje o stanie układu. W przypadku zasilania bateryjnego monitor napięcia może zostać użyty do ograniczania mocy wyjściowej zależnie od stanu baterii, co chroni głośniki przed pracą z przesterowaną końcówką mocy i zapewnia możliwie najniższy poziom zniekształceń sygnału przy zmiennych warunkach zasilania.

Aplikację SSM3852 uzupełniają tylko filtry wyjściowe EMI, FB1...FB4, C12...C15 wystarczające, gdy kable do głośników nie przekraczają długości kilkunastu centymetrów. Wzmocniony sygnał wyprowadzony jest na złącza OUTL, OUTR. Kondensatory C5...C8 są elementami polaryzacji wyjściowych tranzystorów mocy, pozostałe kondensatory odsprzęgają zasilanie. Układ U1 ma wbudowany stabilizator, dostarczający napięć zasilania do wszystkich bloków funkcjonalnych układu.

Wzmacniacz zasilany jest napięciem 9...14 V poprzez złącze PWR, transil TVS1 zabezpiecza U1 i U2 przed skutkami przepięć na linii zasilania. Dioda LD1 sygnalizuje obecność zasilania. Przetwornica obniżająca na układzie U2 typu ADP2302-5.0 zapewnia zasilanie 5 V dla komputerka Raspberry Pi. Obciążalność przetwornicy to ok. 2 A, co wystarcza w większości zastosowań. Jeżeli zależy nam na większej wydajności do ok. 3 A, można bez zmian układowych zastąpić U2 układem ADP2303-5.0, zwiększając jednocześnie pojemności C18, C19 do 33 μF.

Montaż i uruchomienie

Moduł audio zmontowany jest na niewielkiej dwustronnej płytce drukowanej (rysunek 3) zgodnej mechanicznie z RPi Zero, jednak nic nie stoi na przeszkodzie, aby używać jej też z innymi komputerkami.

Rysunek 3. Schemat płytki PCB

Sposób montażu jest klasyczny i nie wymaga opisu. Wzmacniacz może współpracować także z obciążeniem 4 Ω, ale należy na układzie U1 dokleić niewielki radiator i zadbać o odpowiednią wydajność i przekroje przewodów zasilania. Zmontowany wzmacniacz pokazuje fotografia tytułowa.

Prawidłowo zmontowany układ nie wymaga uruchamiania, konieczna jest oczywiście konfiguracja systemu Linux oraz samego układu SSM3582. Najlepszym wyborem jest Raspbian, gdyż ma wbudowaną obsługę programową (zgodną z Hifi-Berry dac). Na wszelki wypadek na początek należy zaktualizować system, wpisując polecenie:

Następnie w pliku /boot/config.txt należy usunąć linię:

oraz dodać linie:

aktywujące obsługę magistrali I2C, I2S oraz obsługę DAC. Po restarcie systemu sprawdzamy obsługę DAC poleceniem:

Następnie poleceniem:

sprawdzamy obecność układu SSM3582 na magistrali I2C (rysunek 4) – powinien być widoczny pod adresem 0x10. W celu szybkiego sprawdzenia działania wzmacniacza przygotowałem prosty skrypt (SSM3582.sh) konfigurujący rejestry układu, którego zawartość została pokazana na listingu 1.

Rysunek 4. Detekcja SSM3582 na magistrali I2C

Po uruchomieniu układ zostanie skonfigurowany do odtwarzania dźwięku w formacie I2S stereo 44,1 kHz. Poleceniem aplay lub innym odtwarzaczem można sprawdzić działanie wzmacniacza. Regulacja głośności odbywa się poprzez rejestry 0x07 i 0x08. Wartość 0x00 odpowiada maksymalnej głośności, 0xFF minimalnej:

Wzmocnienie końcówki mocy można zmienić poleceniem:

Pełny wykaz rejestrów SSM3582 został pokazany w tabeli 1.

Dla jednoczesnego odtwarzania i zmiany parametrów, jeżeli testujemy wzmacniacz w konsoli, polecenie aplay warto uruchomić w tle np.

wtedy możliwa będzie zmiana konfiguracji SSM3582 poleceniami:

podczas odtwarzania, co znacząco ułatwia testowanie ustawień układu.

Jeżeli planujemy bardziej zaawansowaną obsługę lub napisanie własnego sterownika, to pomocne może być środowisko SigmaStudio, którego można użyć do wygenerowania plików nagłówkowych dla SSM3582. Przykładowe pliki załączono w materiałach dodatkowych.

Adam Tatuś, EP